DE69417014T2

DE69417014T2 - Excitation circuit with controllable switches

Info

Publication number: DE69417014T2
Application number: DE1994617014
Authority: DE
Inventors: Howard Vincent New York 13073 Bonavia; Dale Frank New York 13815 Geislinger
Original assignee: Unison Industries LLC
Current assignee: Unison Industries LLC
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1994-04-25
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: DE69417014D1; EP0679804B1; EP0679804A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Erregerkreis für eine Motor-Zündkerze, wobei der Erregerkreis umfaßt: eine Ladungsschaltung und eine Entladungsschaltung, wobei die Ladungsschaltung mit einer Leistungsversorgung verbunden werden kann, wobei die Entladungsschaltung mit der Zündkerze verbunden werden kann, um Zündfunken zu erzeugen, und wobei die Entladungsschaltung einen mit der Ladungsschaltung verbundenen Speicherkondensator umfaßt, eine torgesteuerte Festkörperschalteinrichtung, die mit dem Kondensator verbunden ist und den Kondensator mit der Zündkerze verbindet, sowie eine Triggereinrichtung zum Anschalten der Schalteinrichtung durch ein AN-Torsignal, um die Entladung des Kondensators zu steuern.The present invention relates to an excitation circuit for an engine spark plug, the excitation circuit comprising a charging circuit and a discharging circuit, the charging circuit being connectable to a power supply, the discharging circuit being connectable to the spark plug to generate ignition sparks, and the discharging circuit comprising a storage capacitor connected to the charging circuit, a gated solid state switching device connected to the capacitor and connecting the capacitor to the spark plug, and a trigger device for turning on the switching device by an ON gate signal to control the discharge of the capacitor.

Ein derartiger Erregerkreis ist aus US-A-5 245 252 bekannt. Bei diesem bekannten Erregerkreis umfaßt die Festkörperschalteinrichtung SCRs, die AN getriggert werden, um eine Entladung des Kondensators zu veranlassen. Um die SCRs auszuschalten, muß jedoch der durch diese fließende Strom unter den Haltepegel reduziert werden, was eine Unterbrechung des Ladungsstroms erfordert.Such an excitation circuit is known from US-A-5 245 252. In this known excitation circuit, the solid-state switching device comprises SCRs which are triggered ON to cause a discharge of the capacitor. In order to switch the SCRs off, however, the current flowing through them must be reduced below the holding level, which requires an interruption of the charge current.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist der oben angeführte Erregerkreis dadurch gekennzeichnet, daß die torgesteuerte Festkörperschalteinrichtung zum Ausschalten ein zweites Torsignal erfordert und daß die Triggereinrichtung eine Einrichtung zum Ausschalten der Schalteinrichtung mit dem zweiten Torsignal umfaßt, um das Aufladen des Kondensators zu steuern.In accordance with the present invention, the above-mentioned excitation circuit is characterized in that the gated solid state switching device requires a second gate signal for turning off and that the triggering means comprises means for turning off the switching device with the second gate signal to control the charging of the capacitor.

Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen des Erregerkreises der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:In the following, exemplary embodiments of the excitation circuit of the present invention are described with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

Fig. 1A und 1B ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform für die Verwendung in einem Verbrennungsmotor, undFig. 1A and 1B show a schematic diagram of a preferred embodiment for use in an internal combustion engine, and

Fig. 2A und 2B alternative Triggerschaltungen, die in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.Figures 2A and 2B illustrate alternative trigger circuits that may be used in embodiments of the present invention.

In den Zeichnungen ist ein bevorzugter Erregerkreis in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch das Bezugszeichen 100 angegeben. Ein derartiger Erregerkreis ist besonders gut für die Verwendung in einem Zündsystem für einen Gasturbinenmotor geeignet, etwa für Flugzeugmotoren. Die Erregerkreise in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können jedoch auch für andere Anwendungen als für Flugzeuge verwendet werden. Eine der Grundfunktionen des Erregerkreises 100 besteht darin, Funken mit hoher Energie zwischen den Elektroden der Zündkerze zu erzeugen, was in der Zeichnung in vereinfachter Weise gezeigt und mit dem Bezugszeichen 64 angegeben ist.In the drawings, a preferred excitation circuit in accordance with the present invention is indicated by the reference numeral 100. Such an excitation circuit is particularly well suited for use in an ignition system for a gas turbine engine, such as aircraft engines. However, the excitation circuits in accordance with the present invention may also be used for applications other than aircraft. One of the basic functions of the excitation circuit 100 is to generate high to generate energy between the electrodes of the spark plug, which is shown in a simplified manner in the drawing and indicated by the reference numeral 64.

Die Zündkerze 64 ist physikalisch in der Verbrennungskammer des Motors (nicht gezeigt) angeordnet. Der Erregerkreis 100 ist über eine Hochspannungsleitung 101 und eine Rückleitung 102 mit der Zündkerze verbunden.The spark plug 64 is physically located in the combustion chamber of the engine (not shown). The excitation circuit 100 is connected to the spark plug via a high voltage line 101 and a return line 102.

Der Erregerkreis 100 umfaßt eine Ladungsschaltung 104 und eine Entladungsschaltung 106. Die Ladungsschaltung kann wie gezeigt mit einer Leistungsversorgungsschaltung 108 mit zum Beispiel einer 115 V-Wechselspannung mit 400 Hz vom Motor-Generator verbunden werden. Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf eine Leistungsversorgung, die eine Wechselstromversorgung ist, und mit Bezug auf einen bestimmten Typ von Ladungsschaltung beschrieben, wobei jedoch zu beachten ist, daß diese Beschreibung lediglich beispielhaft ist und die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränkt. Dem Fachmann sollte deutlich sein, daß die vorliegende Erfindung auch mit Gleichstromversorgungen verwendet werden kann, etwa mit Ladungsschaltungen, die einen Gleichstrom-Chopper verwenden, um den Hauptspeicherkondensator mit Ladungsstrom zu versorgen. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ von Ausgangsschaltung beschränkt, wie zum Beispiel auf die hier beschriebene Niederspannungseinrichtung oder auf erweiterte Einrichtungen, Hochspannungseinrichtungen, Oszillatoreinrichtungen, unipolare, positive oder negative Einrichtungen. Die vorliegende Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung mit einem bestimmten Typ von Zündkerze beschränkt.The excitation circuit 100 includes a charging circuit 104 and a discharging circuit 106. The charging circuit may be connected to a power supply circuit 108, for example, a 115 VAC, 400 Hz supply from the motor generator, as shown. The present invention will be described with reference to a power supply that is an AC power supply and with reference to a particular type of charging circuit, but it should be noted that this description is merely exemplary and does not limit the present invention in any way. Those skilled in the art will appreciate that the present invention may also be used with DC power supplies, such as charging circuits that use a DC chopper to provide charging current to the main storage capacitor. Furthermore, the present invention is not limited to any particular type of output circuit, such as the low voltage device described herein or to enhanced devices, high voltage devices, oscillator devices, unipolar, positive or negative devices. Nor is the present invention limited to use with any particular type of spark plug.

Die Ladungsschaltung 104 umfaßt einen Hochspannungs-Auswärtstransformator 13, der eine Primärwicklung 14, eine Sekundärwicklung 15 und einer Tertiärwicklung 16 umfaßt. Die Tertiärwicklung 16 ist in Reihe mit dem Emitter-Kollektor-Übergang eines PNP-Transistors 70, einem Stromregler 17, einer Diode 18 und der Primärwicklung 21 eines Torausschalt- Transformators 32 verbunden. Die Diode 71 ist antiparallel über den Emitter-Basis-Übergang des Transistors 70 geschaltet, und der Widerstand 72 ist zwischen der Basis des Transistors 70 und dem nicht gepunkteten Ende der Wicklung 16 verbunden. Der Transistor 70, die Diode 71 und der Widerstand 72 bilden eine synchrone Gleichrichteranordnung 77, die Strom aus dem gepunkteten Ende der Wicklung 16 leitet, wenn die Wicklungsspannung an diesem Ende positiv ist, und die Strom aus derselben Richtung blockiert, wenn die Wicklungsspannung an diesem Ende negativ ist. Der Stromregler kann eine herkömmliche Einrichtung wie die von Motorola mit der Teilnummer 1N5313 erhältliche sein. Der Regler begrenzt den durch die Wicklung 16 zu der Primärwicklung 21 geführten Strom unabhängig von der Spannung an der Wicklung 16 auf einen konstanten Wert.The charging circuit 104 includes a high voltage step-down transformer 13 which includes a primary winding 14, a secondary winding 15 and a tertiary winding 16. The tertiary winding 16 is connected in series with the emitter-collector junction of a PNP transistor 70, a current regulator 17, a diode 18 and the primary winding 21 of a gate-off transformer 32. Diode 71 is connected in anti-parallel across the emitter-base junction of transistor 70 and resistor 72 is connected between the base of transistor 70 and the non-dotted end of winding 16. Transistor 70, diode 71 and resistor 72 form a synchronous rectifier arrangement 77 which directs current from the dotted end of winding 16 when the winding voltage at that end is positive and which blocks current from the same direction when the winding voltage at that end is negative. The current regulator may be a conventional device such as that available from Motorola, part number 1N5313. The regulator limits the current flowing through the winding 16 to the primary winding 21 to a constant value, regardless of the voltage at the winding 16.

Ein Paar von spannungsregulierenden Zener-Dioden 19, 20 sind parallel zu der Primärwicklung 21 des Torausschalt-Transformators vorgesehen.A pair of voltage regulating Zener diodes 19, 20 are provided in parallel with the primary winding 21 of the gate-off transformer.

Die Ladungsschaltung 104 umfaßt weiterhin eine Vollweg-Spannungsverdopplungs-Schaltung, die die Gleichrichterdioden 12 und 36, einen Hauptenergiespeicherkondensator 38 sowie die Kondensatoren 67 und 68 umfaßt, die alle wie gezeigt in herkömmlicher Weise ausgebildet sind. Die Diode 37 ist parallel zum Energiespeicherkondensator 38 geschaltet und schützt die Schalteinrichtungen 33-35 vor einer Spannung in Rückwärtsrichtung, wenn die Ausgangsschaltung 112 für die Ausgabe eines unipolaren Stroms an die Zündkerze 64 konfiguriert ist. Der Hauptspeicherkondensator wird natürlich verwendet, um die zum Einleiten einer Zündsequenz erforderliche Energie zu speichern. Bei einer Niederspannungsanwendung wie zum Beispiel der in der Zeichnung dargestellten wird der Speicherkondensator 38 auf eine Gleichspannung von ungefähr 3000 Volt aufgeladen. Während jedes Ladungszyklus sind die Schalteinrichtungen 33-35 nicht leitend.The charging circuit 104 further includes a full wave voltage doubling circuit comprising rectifier diodes 12 and 36, a main energy storage capacitor 38, and capacitors 67 and 68, all of which are conventionally constructed as shown. The diode 37 is connected in parallel with the energy storage capacitor 38 and protects the switching devices 33-35 from a reverse bias when the output circuit 112 is configured to output a unipolar current to the spark plug 64. The main storage capacitor is of course used to store the energy required to initiate an ignition sequence. In a low voltage application such as that shown in the drawing, the storage capacitor 38 is charged to a DC voltage of approximately 3000 volts. During each charge cycle, the switching devices 33-35 are non-conductive.

Die Entladungsschaltung 106 umfaßt allgemein eine Funken-Triggerschatung 31 (Fig. 1B), den Torausschalt-Transformator 32 und die damit verbundene Schaltungsanordnung, eine Schaltanordnung 76, die vorzugsweise die Schalteinrichtungen 33-35 umfaßt, sowie einen Toreinschalt-Transformator 60 und die damit verbundene Schaltungsanordnung. Die Schalteinrichtungen 33-35 sind vorzugsweise wie in der Zeichnung gezeigt Anode an Kathode in Reihe geschaltet. Die Schalter 33-35 sind derart geschaltet, daß sie den Speicherkondensator 38 isolieren, wenn die Schalter ausgeschaltet sind, und daß sie den Speicherkondensator über die Zündkerze 64 kurzschließen oder verbinden, wenn die Schalter angeschaltet sind. Die Schalter werden gleichzeitig getriggert, so daß die Spannung über den Kondensator 38 schnell über die Elektroden der Zündkerze angelegt wird. In der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform enthält ein unidirektionaler Niederspannungs-Erregerkreis typischerweise eine Ausgangsschaltung 112, die eine Zündkerze 64, eine Induktivität 63 und eine Freilaufdiode 62 umfaßt. Dieser Typ von Ausgangsschaltung ist wohlbekannt und resultiert in einem nicht oszillierenden unipolaren Strom durch die Zündkerze. Es könnte jedoch alternativ dazu auch ein oszillierender Strom verwendet werden. Dies kann durch das Entfernen der Freilaufdiode 62 und der zum Speicherkondensator 37 nebengeschlossenen Diode 37 realisiert werden.The discharge circuit 106 generally includes a spark trigger circuit 31 (Fig. 1B), the gate-off transformer 32 and associated circuitry, a switching assembly 76, which preferably includes the switching devices 33-35, and a gate-on transformer 60 and associated circuitry. The switching devices 33-35 are preferably connected in series anode to cathode as shown in the drawing. The switches 33-35 are connected to isolate the storage capacitor 38 when the switches are off and to short or connect the storage capacitor across the spark plug 64 when the switches are on. The switches are triggered simultaneously so that the voltage across the capacitor 38 is quickly applied across the electrodes of the spark plug. In the embodiment shown in the drawing, a low voltage unidirectional excitation circuit typically includes an output circuit 112 comprising a spark plug 64, an inductor 63 and a freewheeling diode 62. This type of output circuit is well known and results in a non-oscillating unipolar current through the spark plug. However, an oscillating current could alternatively be used. This can be accomplished by removing the freewheeling diode 62 and the diode 37 shunted to the storage capacitor 37.

Die Schalteinrichtungen 33-35 verbinden den Speicherkondensator 38 mit der Ausgangsschaltung 112. Die vorliegende Erfindung kann mit vielen verschiedenen Typen von Ausgangsschaltungen mit Auswärtstransformatoren, Stromvervielfachern, Sättigungsspulen sowie mit verschiedenen Typen von Zündkerzen wie Luftspalt- oder Halbleiter-Zündkerzen verwendet werden, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die zuvor genannten Typen beschränkt ist. Dem Fachmann sollte also deutlich sein, daß die vorliegende Erfindung vorteilhaft bei verschiedenen Typen von Schaltanordnungen angewendet werden kann. Wenn zum Beispiel der Kondensator 38 negativ aufgeladen ist, dann kann die Polarität der Schaltanordnung 76 umgekehrt werden, indem der Anschluß K mit dem Kondensator 38 und der Anschluß A mit der Ausgangsschaltung 112 verbunden wird. Die Polaritäten der Freilaufdiode 62 und die Speicherkondensator-Nebenschlußdiode 37 müssen ebenfalls umgekehrt werden. Als weiteres Beispiel könnte der Speicherkondensator 38 zusammen mit der nebengeschlossenen Diode 37 in Juxtaposition mit der Schaltanordnung 76 der in der Zeichnung gezeigten Konfiguration angeordnet werden. Natürlich ist die Polarität der Schaltanordnung 76, der nebengeschlossenen Diode 37 und der Freilaufdiode 62 von der Richtung abhängig, in der der Speicherkondensator 38 aufgeladen wird. Es können viele weitere Konfigurationen verwendet werden. Es ist weiterhin zu beachten, daß die Verwendung der verschiedenen Schalteinrichtungen eine Wahl darstellt, die zum Teil von dem Typ der verwendeten Zündkerze und von dem gespeicherten Spannungspegel des Kondensators 38 abhängig ist. Jeder Schalter 33-35 kann ungefähr 1000 Volt Gleichspannung sicher blockieren, so daß drei Einrichtungen verwendet werden, wenn eine Gleichspannung von 3000 Volt zum Erzeugen eines Funkens erforderlich sind. Je nach der besonderen Anwendung können mehr oder weniger Schalteinrichtungen verwendet werden.Switching devices 33-35 connect storage capacitor 38 to output circuit 112. The present invention can be used with many different types of output circuits including step-down transformers, current multipliers, saturating coils, and with various types of spark plugs such as air gap or solid state spark plugs, but the present invention is not limited to the aforementioned types. Thus, it should be apparent to those skilled in the art that the present invention can be advantageously applied to various types of switching arrangements. For example, if capacitor 38 is negatively charged, then the polarity of switching arrangement 76 can be reversed by connecting terminal K to capacitor 38 and terminal A to output circuit 112. The polarities of flywheel diode 62 and storage capacitor shunt diode 37 must also be reversed. As another example, the storage capacitor 38, together with the shunt diode 37, could be placed in juxtaposition with the switching arrangement 76 of the configuration shown in the drawing. Of course, the polarity of the switching arrangement 76, the shunt diode 37 and the freewheeling diode 62 depends on the direction in which the storage capacitor 38 is charged. Many other configurations can be used. It should also be noted that the use of the various switching devices is a choice which depends in part on the type of spark plug used and on the stored voltage level of the capacitor 38. Each switch 33-35 can safely block approximately 1000 volts DC, so that three devices are used when a DC voltage of 3000 volts is required to produce a spark. More or fewer switching devices can be used depending on the particular application.

Die Entladungsschaltung 106 umfaßt typischerweise einen Widerstand 61, der dem Hauptkondensator 38 eine Entladung oder Ableitung erlaubt, wenn die Zündkerze nicht zündet, was auftreten kann, wenn die Zündkerze verunreinigt ist oder wenn der Druck zu hoch ist.The discharge circuit 106 typically includes a resistor 61 that allows the main capacitor 38 to discharge or drain when the spark plug fails to fire, which can occur when the spark plug is contaminated or when the pressure is too high.

In Übereinstimmung mit einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird als Schalteinrichtungen vorzugsweise ein Typ von Thyristor verwendet, der als MCT (MOS- CONTROLLED-THYRISTOR = MOS-gesteuerter Thyristor) bezeichnet wird und bei Harris- Semiconductor unter der Teilnummer MCT 65P100 erhältlich ist. Ein MCT funktioniert als ein torgesteuerter Schalter, der ein Paar von integrierten MOSFETs umfaßt, von denen einer verwendet wird, um den MCT abzuschalten, und von denen der andere verwendet wird, um den MCT auszuschalten. Die Torsteuerungsschaltung erfordert Torspannungen entgegengesetzter Polarität, die für die Anschaltfunktion und die Ausschaltfunktion benötigt werden.In accordance with an important aspect of the present invention, the switching means preferably utilized is a type of thyristor referred to as an MCT (MOS- CONTROLLED -THYRISTOR) available from Harris-Semiconductor under part number MCT 65P100. An MCT functions as a gated switch comprising a pair of integrated MOSFETs, one of which is used to turn the MCT off and the other of which is used to turn the MCT off. The gating circuit requires gate voltages of opposite polarity, which are required for the turn-on function and the turn-off function.

MCTs sind für bestimmte Anwendungen entwickelt, so daß sie mit einem auf die Anode bezogenen Tor für die Anschalt-/Ausschaltfunktion oder mit einem auf die Kathode bezogenen Tor für die Anschalt-/Ausschaltfunktion erhältlich sind. Beide Typen können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei in der vorliegenden Beschreibung beispielhaft der erste Typ verwendet wird.MCTs are designed for specific applications so that they are available with an anode-referenced gate for the on/off function or with a cathode-referenced gate for the on/off function. Both types can be used in the present invention, the first type being used as an example in the present description.

Bei vergleichbaren Betriebsumgebungen weisen MCTs niedrigere Leckströme auf als herkömmliche SCRs. Daraus resultiert eine reduzierte Leistungsabführung und ein reduzierter Wärmeverlust, was einen Betrieb mit höherer Temperatur ermöglicht. Wir haben herausgefunden, daß die niedrige Leckeigenschaft des MCT ermöglicht, daß der Erregerkreis derart konfiguriert wird, daß er im Gegensatzau den herkömmlichen SCRs keine komplizierten Zeitschaltungen benötigt. Die hier beschriebene Erregerschaltung kann zum Beispiel in einem kontinuierlichen Ladungsmodus betrieben werden, wobei die Funkenrate einfach durch die Ladungsrate des Kondensators in Abhängigkeit vom Ladestrom aus der Ladungsschaltung bestimmt wird. Das geringe Lecken der MTCs trägt dazu bei, eine annehmbare Funkenrate über einen breiten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten, ohne daß spezielle Funkenraten-Zeitschaltungen erforderlich sind. Die MCTs werden auch mit höheren Übergangstemperaturen betrieben als die SCRs (typischerweise 200ºC gegenüber 150ºC), weil sie im ausgeschalteten Zustand nicht wie die SCRs durch eine kritische Leckstromhöhe angeschaltet werden können. Wenn ein MCT angeschaltet wird, dann funktioniert er wie ein Rückkopplungsschalter und besitzt die hervorragenden stromführenden Fähigkeiten derartiger Einrichtungen. Wenn jedoch eine Ausschaltspannung an dem MCT angelegt wird, wird die Rückkopplungsaktion verhindert, wobei der Schalter nicht durch den mit der Temperatur erhöhten Leckstrom angeschaltet wird. Aufgrund der erzwingbaren Ausschaltfunktion sind auch keine speziellen Kommutierungskreise oder Aufladungsschaltungs-Unterbrecher erforderlich. MCTs ermöglichen di/dt-Raten von über 2000 A/us, ohne daß ein Ausfall auftritt. Diese hohe di/dt-Fähigkeit ermöglicht eine Spitzenleistung an der Zündkerze wie sie gegenwärtig unter Verwendung einer herkömmlichen Funkenstrecken-Einrichtung möglich ist. Dies stellt eine beträchtliche Leistungsverbesserung gegenüber herkömmlichen SCR-Thyristoren dar.In comparable operating environments, MCTs exhibit lower leakage currents than conventional SCRs. This results in reduced power dissipation and reduced heat loss, allowing higher temperature operation. We have found that the low leakage characteristic of the MCT allows the excitation circuit to be configured such that it does not require complex timing circuits, unlike conventional SCRs. For example, the excitation circuit described here can be operated in a continuous charge mode, with the spark rate simply determined by the charge rate of the capacitor in response to the charge current from the charge circuit. The low leakage of the MCTs helps to maintain an acceptable spark rate over a wide temperature range without the need for special spark rate timing circuits. The MCTs also operate at higher junction temperatures than the SCRs (typically 200ºC versus 150ºC) because they cannot be turned on by a critical level of leakage current when off, as the SCRs can. When an MCT is turned on, it acts like a feedback switch and has the excellent current-carrying capabilities of such devices. However, when a turn-off voltage is applied to the MCT, the feedback action is prevented and the switch is not turned on by the increased leakage current with temperature. Also, because of the force-off feature, no special commutation circuits or charging circuit breakers are required. MCTs allow di/dt rates of over 2000 A/us without failure. This high di/dt capability allows peak power at the spark plug as is currently possible using a conventional spark gap device. This represents a significant performance improvement over conventional SCR thyristors.

Wie in der Zeichnung gezeigt, umfaßt jeder MCT-Schalter 33-35 eine Anode (a), eine Kathode (c) und ein Tor (g). Diese Anschlüsse sind nur bei der Einrichtung 33 durch Bezugszeichen angegeben. Jedes Tor ist wie gezeigt mit dem Toranschalt-Transformator und der entsprechenden Schaltungsanordnung sowie mit dem Torausschalt-Transformator und der entsprechenden Schaltungsanordnung verbunden. Alle drei Schalteinrichtungen 33-35 sind in ähnlicher Weise verbunden, weshalb hier nur die Einrichtung 33 beschrieben wird.As shown in the drawing, each MCT switch 33-35 comprises an anode (a), a cathode (c) and a gate (g). These connections are indicated by reference numerals only in the device 33. Each gate is connected to the gate-on transformer and the corresponding circuitry as well as to the gate-off transformer and the corresponding circuit arrangement. All three switching devices 33-35 are connected in a similar manner, which is why only device 33 is described here.

Der Torausschalt-Transformator umfaßt drei Sekundärwicklungen 22-24. Die Wicklung 22 ist an einem Ende über eine Sperrdiode 25 und einen Widerstand 28 mit dem Toranschluß 33g verbunden. Das andere Ende der Sekundärwicklung 22 ist mit der Schalteranode 33a und einem Ende einer Sekundärwicklung 51 des Toranschalt-Transformators 60 verbunden. Das Tor 33g ist auch über eine Zener-Diode 54 mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung 51 des Anschalt-Transformators verbunden.The gate-off transformer includes three secondary windings 22-24. Winding 22 is connected at one end to gate terminal 33g through a blocking diode 25 and a resistor 28. The other end of secondary winding 22 is connected to switch anode 33a and one end of a secondary winding 51 of gate-on transformer 60. Gate 33g is also connected through a Zener diode 54 to the other end of secondary winding 51 of the gate-on transformer.

Jedes Schaltsegment umfaßt weiterhin einen Gleichstrom-Abgleichwiderstand (57-59), so daß jeder MCT eine Gleichspannung innerhalb der Spezifikation des Herstellers sperrt. In jedem Schalter ist auch eine Begrenzungsschaltung mit einer Sperrdiode 114 und einem Kondensator 116 enthalten, um mögliche Variationen in den Anschaltzeiten zwischen den in Reihe geschalteten Schalteinrichtungen zu kompensieren. Weiterhin sind Dioden 73-75 antiparallel mit den Schalteinrichtungen 33-35 verbunden. Wenn die Ausgangsschaltung 112 dafür konfiguriert ist, einen oszillierenden Strom an die Zündkerze 64 auszugeben, leiten die antiparallelen Dioden 73-75 die negativen Halbzyklen der Stromschwingung um die MCTs 33-35, die keinen Strom in der umgekehrten Richtung leiten können. Die Dioden 73-75 können bei einer Konfiguration für einen unipolaren Entladungsstrom ausgelassen werden.Each switching segment further includes a DC trim resistor (57-59) so that each MCT blocks a DC voltage within the manufacturer's specification. Also included in each switch is a clamping circuit comprising a blocking diode 114 and a capacitor 116 to compensate for possible variations in turn-on times between the series-connected switching devices. Furthermore, diodes 73-75 are connected in anti-parallel with the switching devices 33-35. When the output circuit 112 is configured to output an oscillating current to the spark plug 64, the anti-parallel diodes 73-75 pass the negative half cycles of the current oscillation around the MCTs 33-35, which cannot pass current in the reverse direction. The diodes 73-75 can be omitted in a unipolar discharge current configuration.

Die Funken-Triggerschaltung 31 umfaßt eine stabile Zeitschaltung 41, deren Impulsausgang am Anschlußstift 3 mit einem FET-Schalter 42 verbunden ist. Der Zeitschaltungseingang (Anschlußstifte 2 und 6) in die Zeitschaltung 41 ist über einen Widerstand 39 mit der positiven Elektrode des Ladekondensators 38 verbunden. Da der Anschlußstift 3 des Zeitschaltung 41 normalerweise im Ein-Zustand ist, ist der FET-Schalter 42 normalerweise durch eine +12 Volt-Gleichstromversorgung im Aus-Zustand vorgespannt, während der Ausgang des Schalters über einen Widerstand mit einem PNP-Transistor-Schalter 47 verbunden ist. Da der FET-Schalter 42 normalerweise im Aus-Zustand ist, ist der PNP-Transistor 47 normalerweise durch eine +20 Volt-Gleichstromversorgung im Aus-Zustand vorgespannt. Die +12- und die +20-Gleichstromversorgungen können vom Gleichstromregler 10 erhalten werden, der wie weiter oben beschrieben von der Hauptwechselstromversorgung operiert.The spark trigger circuit 31 includes a stable timing circuit 41, the pulse output of which is connected to a FET switch 42 at pin 3. The timing circuit input (pins 2 and 6) to the timing circuit 41 is connected through a resistor 39 to the positive electrode of the charging capacitor 38. Since pin 3 of the timing circuit 41 is normally on, the FET switch 42 is normally biased off by a +12 volt DC supply, while the output of the switch is connected through a resistor to a PNP transistor switch 47. Since the FET switch 42 is normally off, the PNP transistor 47 is normally biased off by a +20 volt DC supply. The +12 and +20 DC supplies can be obtained from the DC regulator 10 which operates from the main AC supply as described above.

Im folgenden wird der Betrieb des in der Zeichnung dargestellten Erregerkreises beschrieben. Um die Erläuterungen zu vereinfachen und zu verdeutlichen, soll ein Ausgangszustand angenommen werden, in dem die Schalter 33-35 im Aus-Zustand sind, die Zündkerze keinen Strom leitet und die Wechselstromversorgung 108 mit der Schaltung verbunden ist.The operation of the excitation circuit shown in the drawing is described below. To simplify and clarify the explanations, an initial state in which the switches 33-35 are in the off state, the spark plug is not conducting current, and the AC power supply 108 is connected to the circuit.

Beim Anlegen des Wechselstroms fließt Strom durch die Induktivität 69 und die Primärwicklung des Aufwärtstransformators 13. Der Primärstrom induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung 15 und in der Tertiärwicklung 16, die während jedes positiven Halbzyklus (im folgenden wird der Einfachheit halber jeweils von einem positiven oder einem negativen Halbzyklus gesprochen, wenn Strom aus dem positiven oder dem negativen Anschluß der Wechselstromversorgung 108 fließt) an den gepunkteten Enden positiv ist und die während jedes negativen Halbzyklus an den gepunkteten Enden negativ ist. Während der positiven Halbzyklen verursacht die an der Wicklung 16 induzierte Spannung einen Stromfluß vom gepunkteten Ende durch den Emitter-Basis-Übergang des PNP-Transistors 70 und den Widerstand 72 zurück zum nicht gepunkteten Ende der Wicklung 16, wobei der Emitter- Kollektor-Übergang des Transistors 70 leitend gemacht wird. Dies erlaubt einen zusätzlichen Stromfluß vom gepunkteten Ende der Wicklung 16 durch den Emitter-Kollektor-Übergang des Transistors 70, den Stromregler 17, die Diode 18 und die Primärwicklung 21 des Torausschalt-Transformators 32 zurück zum nicht gepunkteten Ende der Wicklung 16. Wegen der Sperrdioden 25-27 fließt kein Strom in den Sekundärwicklungen 22-24.When the AC power is applied, current flows through the inductor 69 and the primary winding of the step-up transformer 13. The primary current induces a voltage in the secondary winding 15 and in the tertiary winding 16 which is positive at the dotted ends during each positive half cycle (hereinafter, for simplicity, we will refer to a positive or a negative half cycle when current flows from the positive or negative terminal of the AC power supply 108) and which is negative at the dotted ends during each negative half cycle. During the positive half cycles, the voltage induced on the winding 16 causes current to flow from the dotted end through the emitter-base junction of the PNP transistor 70 and the resistor 72 back to the non-dotted end of the winding 16, rendering the emitter-collector junction of the transistor 70 conductive. This allows additional current to flow from the dotted end of winding 16 through the emitter-collector junction of transistor 70, current regulator 17, diode 18 and primary winding 21 of gate-off transformer 32 back to the non-dotted end of winding 16. Because of blocking diodes 25-27, no current flows in secondary windings 22-24.

Während der positiven Halbzyklen der Primärwicklung 14 tritt eine hohe Spannung an der Sekundärwicklung 15 auf, so daß ein Strom durch die Gleichrichterdiode 36 und den Widerstand 66 fließt und den Hauptspeicherkondensator 38 und die Verdoppelungskondensatoren 67 und 68 auflädt. Der Ladungspegel auf dem Kondensator 38 wird durch die Triggerschaltung 31 mit Hilfe der stabilen Zeitschaltung 41 überwacht, die einen internen Vergleicher umfaßt.During the positive half cycles of the primary winding 14, a high voltage appears on the secondary winding 15 so that a current flows through the rectifier diode 36 and the resistor 66 and charges the main storage capacitor 38 and the doubling capacitors 67 and 68. The charge level on the capacitor 38 is monitored by the trigger circuit 31 by means of the stable timing circuit 41 which includes an internal comparator.

Während jedes negativen Halbzyklus des Eingangswechselstroms 108 ist das gepunktete Ende der Wicklung 16 negativ, so daß Strom vom nicht gepunkteten Ende durch den Widerstand 72 und die Diode 71 zurück zum gepunkteten Ende der Wicklung 16 fließt, wodurch der Basis-Emitter-Übergang des PNP-Transistors 70 in Sperrichtung vorgespannt wird, so daß der Emitter-Kollektor-Übergang gesperrt wird. Dadurch wird der während des vorhergehenden Zyklus in der Primärwicklung 21 des Torausschalt-Transformators 32 erzeugte Strom gezwungen, durch die Zener-Dioden 19-20 statt durch die Wicklung 16, den Emitter- Kollektor-Übergang des Transistors 20, den Stromregler 17 und die Diode 18 zu zirkulieren, was dem bevorzugten Pfad entspricht, wenn der Energiespeicherkondensator 38 entladen wird und die Spannung an der Wicklung 16 kleiner ist als die Spannung an den Zenerdioden 19-20. Auf diese Weise wird die an der Primärwicklung 21 erzeugte Spannung auf die Zener-Spannung der Diode 19 plus den Vorwärts-Abfall der zweiten Zener-Diode 20 reguliert. Diese Spannung kann zum Beispiel auch dann 10 Volt betragen, wenn die Spannung an der Wicklung 16 auf bis zu 2 Volt fällt. Wenn der durch die Primärwicklung 21 zirkulierende Strom abklingt, induziert er eine Spannungsumkehr in der Wicklung und in den Sekundärwicklungen 22-24. Diese Sekundärspannungen verursachen einen Stromfluß von den nicht gepunkteten Enden der Sekundärwicklungen 22-24 durch die Dioden 25-27, die Widerstände 28-30, in die Toranoden-Kapazität der MCTs 33-35 und zurück zu den gepunkteten Enden der Sekundärwicklungen 22-24. Dadurch wird die Kapazität jedes entsprechenden internen MOSFET in den MCTs aufgeladen, wodurch das Tor des MCT auf ein höheres Potential als die entsprechende Anode gebracht wird, wodurch jeder MCT in einem Aus-Zustand gehalten wird, während der Hauptkondensator aufgeladen wird.During each negative half cycle of the AC input current 108, the dotted end of winding 16 is negative so that current flows from the non-dotted end through resistor 72 and diode 71 back to the dotted end of winding 16, thereby reverse biasing the base-emitter junction of PNP transistor 70 so that the emitter-collector junction is blocked. This forces the current generated in the primary winding 21 of gate-off transformer 32 during the previous cycle to circulate through the Zener diodes 19-20 instead of through winding 16, the emitter-collector junction of transistor 20, current regulator 17 and diode 18, which corresponds to the preferred path when energy storage capacitor 38 is discharged and the voltage across winding 16 is less than the voltage across the Zener diodes. 19-20. In this way, the voltage developed on the primary winding 21 is regulated to the Zener voltage of the diode 19 plus the forward drop of the second Zener diode 20. This voltage may be, for example, 10 volts even when the voltage on the winding 16 drops as low as 2 volts. As the current circulating through the primary winding 21 decays, it induces a voltage reversal in the winding and in the secondary windings 22-24. These secondary voltages cause current to flow from the non-dotted ends of the secondary windings 22-24, through the diodes 25-27, the resistors 28-30, into the toronto capacitance of the MCTs 33-35, and back to the dotted ends of the secondary windings 22-24. This charges the capacitance of each corresponding internal MOSFET in the MCTs, bringing the gate of the MCT to a higher potential than the corresponding anode, thereby keeping each MCT in an off state while the main capacitor is charged.

Während jedes negativen Halbzyklus des Eingangswechselstroms wird auch eine Spannung an der Sekundärwicklung 15 des Aufwärtstransformators 13 induziert, die einen Stromfluß von der Sekundärwicklung 15 durch die parallelen Zweige des Kondensators 68 und der in Serie geschalteten Kondensatoren 67 und 38, den Widerstand 11 und die andere Gleichrichterdiode 12 zurück zur Wicklung 15 veranlaßt. Dadurch wird das weitere Aufladen des Hauptspeicherkondensators 38 auf eine Spannung veranlaßt, die ungefähr der doppelten Spannung an der Sekundärwicklung 15 entspricht.During each negative half cycle of the AC input current, a voltage is also induced on the secondary winding 15 of the step-up transformer 13, causing current to flow from the secondary winding 15 through the parallel branches of the capacitor 68 and the series-connected capacitors 67 and 38, the resistor 11 and the other rectifier diode 12 back to the winding 15. This causes the main storage capacitor 38 to continue charging to a voltage approximately twice the voltage on the secondary winding 15.

Durch wiederholte Halbzyklen des Ladewechselstroms werden die MCTs in einem nicht leitenden Zustand gehalten, während sich der Hauptkondensator 38 auflädt.Repeated half cycles of the AC charging current maintain the MCTs in a non-conductive state while the main capacitor 38 charges.

Wenn während des normalen Betriebs die Spannung am Hauptkondensator 38 zunimmt, erreicht sie schließlich den durch den internen Vergleicher der Zeitschaltung 41 festgestellten Schwellwert. Die Bezugsspannung für den Zeitschaltung 41 wird intern in Abhängigkeit von der an den Anschlußstiften 4 und 8 anliegenden Versorgungsspannung gesetzt. Die Widerstände 39 und 40 funktionieren als Spannungsteilungs-Widerstandsnetz, um die entsprechende am Ladekondensator 38 festgestellte Spannung herzustellen. Wenn der Schwellwert erreicht wird, d. h. wenn die Aufladung des Kondensators 38 ausreicht, um die Zündkerze zu überbrücken und einen Funken zu erzeugen, dann erzeugt die Zeitschaltung 41 einen negativen Impuls am Ausgangsanschluß 3 für den FET-Schalter 42. Dieser Impuls kann zum Beispiel ein Impuls mit einer Dauer von 30 us sein. Dieser Impuls macht den FET leitend, was wiederum das Anschalten des PNP-Schalters 47 veranlaßt. Wenn der PNP- Schalter angeschaltet ist, induziert der Strom durch die Primärwicklung 50 des Anschalt- Transformators 60 eine Spannung an den Sekundärwicklungen 51-53, die an den gepunkteten Enden positiv ist. Diese Spannung veranlaßt einen Stromfluß von dem gepunkteten Enden der Wicklungen 51-53 in die Anode-Tor-Kapazität der MCTs 33-35, durch die Kathode-Anode-Übergänge der Zener-Dioden 54-56 und zurück zu den nicht gepunkteten Enden der Wicklungen 51-53. Dadurch wird ein negatives Tor-Anode-Potential an jedem MTC angelegt, wodurch veranlaßt wird, daß alle drei Schalter gleichzeitig leiten. Auf diese Weise wird der Entladungszyklus des Betriebs des Erregerkreises eingeleitet.During normal operation, as the voltage on the main capacitor 38 increases, it eventually reaches the threshold value detected by the internal comparator of the timing circuit 41. The reference voltage for the timing circuit 41 is set internally in dependence on the supply voltage applied to pins 4 and 8. Resistors 39 and 40 act as a voltage dividing resistor network to produce the corresponding voltage detected on the charging capacitor 38. When the threshold value is reached, that is, when the charge on the capacitor 38 is sufficient to bypass the spark plug and produce a spark, the timing circuit 41 produces a negative pulse on the output terminal 3 for the FET switch 42. This pulse may, for example, be a pulse of 30 us duration. This pulse causes the FET to conduct, which in turn causes the PNP switch 47 to turn on. When the PNP switch is turned on, the current through the primary winding 50 of the switch induces transformer 60 produces a voltage on the secondary windings 51-53 which is positive at the dotted ends. This voltage causes current to flow from the dotted ends of the windings 51-53 into the anode-gate capacitance of the MCTs 33-35, through the cathode-anode junctions of the Zener diodes 54-56 and back to the non-dotted ends of the windings 51-53. This applies a negative gate-anode potential to each MTC, causing all three switches to conduct simultaneously. Thus, the discharge cycle of the excitation circuit operation is initiated.

Wenn die MCT-Schalter anschalten, entlädt sich der Hauptspeicherkondensator 38 durch die Ausgangsschaltung 112 und die Zündkerze 64 in herkömmlicher Weise, wobei die MCTs jedoch hohe Stromstöße aushalten, die einen herkömmlichen SCR zerstören würden. Wenn sich der Kondensator 38 entlädt, wird die Energie auf die Reiheninduktivität 63 übertragen. Wenn der Kondensator-Entladungsstrom seinen Maximalwert erreicht, kehrt sich die Polarität der Spannung der Induktivität 63 um und treibt den Funkenstrom durch die Zündkerze und die Freilaufdiode 62, so daß der Strom im wesentlichen nicht mehr durch die MCTs fließt.When the MCT switches turn on, the main storage capacitor 38 discharges through the output circuit 112 and the spark plug 64 in a conventional manner, however, the MCTs can withstand high current surges that would destroy a conventional SCR. As the capacitor 38 discharges, the energy is transferred to the series inductor 63. When the capacitor discharge current reaches its maximum value, the polarity of the inductor 63 voltage reverses and drives the spark current through the spark plug and the freewheeling diode 62 so that current essentially stops flowing through the MCTs.

Der tatsächliche Stromfluß durch die Schalter 33-35 dauert gewöhnlich weniger als 20 us. Wenn der 30 us dauernde Impuls an der Primärwicklung des Transformators 60 endet, findet eine Spannungsumkehrung statt, die das Auftreten einer Spannung an jeder der Sekundärwicklungen 51-53 veranlaßt. Diese Spannung weist gegenüber der Spannung zum Anschalten der Schalter 33-35 eine entgegengesetzte Polarität auf und veranlaßt einen Stromfluß von den nicht gepunkteten Enden jeder der Sekundärwicklungen 51-53, durch die Anode-Kathode-Übergänge der Zener-Dioden 54-56, in die Tor-Anode-Kapazität jedes MCT 33-35 und zurück zu den gepunkteten Enden der Sekundärwicklungen. Dadurch wird die Tor-Kapazität der MCTs positiv gegenüber der Anode, so daß die MCTs ausgeschaltet werden. Es ist also zu beachten, daß der Anschalt-Transformator 60 zusätzlich zum Anschalten der Schalter 33-35 auch den Anfangsimpuls zum Ausschalten der Schalteinrichtungen erzeugt; weiterhin erzeugt der Ausschalt-Transformator periodische Impulse, die die Einrichtungen während der Ladezyklen ausgeschaltet halten. Wenn der 30 us dauernde Impuls die Schalter nicht ausschalten sollte, werden die Schalter 33-35 natürlich durch die Impulse des Ausschalt-Transformators 32 im nächsten Wechselstrom-Zyklus ausgeschaltet.The actual current flow through switches 33-35 usually lasts less than 20 us. When the 30 us pulse terminates on the primary of transformer 60, a voltage reversal occurs causing a voltage to appear on each of the secondary windings 51-53. This voltage has an opposite polarity to the voltage to turn on switches 33-35 and causes current to flow from the non-dotted ends of each of the secondary windings 51-53, through the anode-cathode junctions of zener diodes 54-56, into the gate-anode capacitance of each MCT 33-35 and back to the dotted ends of the secondary windings. This causes the gate capacitance of the MCTs to become positive with respect to the anode, thus turning off the MCTs. It should be noted, therefore, that the turn-on transformer 60, in addition to turning on the switches 33-35, also produces the initial pulse for turning off the switching devices; further, the turn-off transformer produces periodic pulses which keep the devices turned off during the charging cycles. If the 30 us pulse fails to turn off the switches, the switches 33-35 will of course be turned off by the pulses from the turn-off transformer 32 during the next AC cycle.

Die vorliegende Erfindung gibt also einen Erregerkreis an, der einen einfachen Aufbau aufweist und auch bei höheren Betriebstemperaturen eine konstante Funkenrate vorsehen kann, wobei die Spitzenausgangsleistung des Erregerkreises mit derjenigen von herkömmlichen Funkenstrecken-Einrichtungen vergleichbar ist.The present invention therefore provides an excitation circuit which has a simple structure and provides a constant spark rate even at higher operating temperatures The peak output power of the excitation circuit is comparable to that of conventional spark gap devices.

Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf einen konstanten Eingangswechselstrom und eine Ladungsschaltung zum Erhalten einer konstanten Funkenrate beschrieben, wobei dem Fachmann jedoch deutlich sein sollte, daß die vorliegende Erfindung alternativ dazu vorteilhaft zusammen mit Eingangsgleichstrom-Wechselrichter-Ladeschaltungen verwendet werden kann und daß die Steuerung der (konstanten oder andersartigen) Funkenrate nicht auf das Steuern eines kontinuierlichen Ladestroms oder einer kontinuierlichen Ladeleistung beschränkt ist. Zum Beispiel kann die Steuerung der Funkenrate durch das Steuern des Arbeitszyklus der Ladungsschaltung während der Periode zwischen den Funken unter Verwendung von entweder eines Aus/An- oder einer An/Aus-Verfahrens erreicht werden. Beide Verfahren der Arbeitszyklussteuerung sind darin ähnlich, daß die Ladungsschaltung während eines Intervalls Tan, das kleiner ist als die Funkenperiode TT, aktiviert wird, um während dieses Intervalls Tan das Aufladen des Speicherkondensators abzuschließen, und darin, daß die Ladungsschaltung während eines anderen Intervalls Taus deaktiviert wird oder in anderer Weise davon abgehalten wird, den Kondensator aufzuladen. Das Intervall Taus wird derart gesteuert, daß die folgende Beziehung gilt: Taus + Tan = TT.The present invention has been described with reference to a constant AC input current and a charging circuit for obtaining a constant spark rate, however, it should be apparent to those skilled in the art that the present invention may alternatively be used advantageously with DC input inverter charging circuits and that control of the spark rate (constant or otherwise) is not limited to controlling a continuous charging current or power. For example, control of the spark rate may be achieved by controlling the duty cycle of the charging circuit during the period between sparks using either an off/on or an on/off method. Both methods of duty cycle control are similar in that the charging circuit is activated during an interval Tan that is less than the spark period TT to complete charging of the storage capacitor during that interval Tan, and in that the charging circuit is deactivated or otherwise prevented from charging the capacitor during another interval Taus. The interval Taus is controlled such that the following relationship holds: Taus + Tan = TT.

In dem Aus/An-Verfahren folgt das Intervall Tau, direkt auf den Funken und geht wiederum direkt dem Intervall Tan voran. Der Kondensator wird am Ende des Intervalls Tan unmittelbar nach dem Erreichen der vollen Ladung entladen. Im An/Aus-Verfahren folgt das Intervall Tan unmittelbar auf den Funken und geht wiederum unmittelbar dem Intervall Taus voran. Der Kondensator wird während des Intervalls Taus auf voller Ladung gehalten und wird am Ende dieses Intervalls entladen.In the off/on method, the interval Tau immediately follows the spark and in turn immediately precedes the interval Tan. The capacitor is discharged at the end of the interval Tan immediately after reaching full charge. In the on/off method, the interval Tan immediately follows the spark and in turn immediately precedes the interval Taus. The capacitor is kept at full charge during the interval Taus and is discharged at the end of that interval.

Es ist auch zu beachten, daß die Entladungsenergie von der Speicherkondensator-Spannung zum Zeitpunkt der Entladung abhängig ist und daß die vorliegende Erfindung mit einer Funken-Triggerschaltung verwendet werden kann, die eine Steuerung der Entladungsspannung und -energie durch eine oder mehrere externe Signaleingaben erlaubt, die das Spannungsteilungsverhältnis und/oder den Bezugspegel des Vergleichers in der Funken- Triggerschaltung ändern.It should also be noted that the discharge energy is dependent on the storage capacitor voltage at the time of discharge and that the present invention can be used with a spark trigger circuit that allows control of the discharge voltage and energy by one or more external signal inputs that change the voltage division ratio and/or the reference level of the comparator in the spark trigger circuit.

Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf MCT-Einrichtungen beschrieben, die zuerst für eine vorbestimmte Zeitdauer angeschaltet werden und dann durch die Funken-Triggerschaltung in Antwort darauf, daß die Speicherkondensator-Spannung einen vorbestimmten Pegel erreicht, wieder für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgeschaltet werden. Es ist zu beachten, daß es bei verschiedenen Verfahren zum Steuern der Funkenrate wie den zuvor beschriebenen Arbeitszyklusverfahren, verschiedenen Verfahren zum Steuern der Funkenenergie, verschiedenen Verfahren zum Deaktivieren des Funkens sowie einigen Schaltungen zum Überwachen der Funktionstüchtigkeit des Zündungssystems erforderlich sein kann, daß die MCT-Einrichtungen der vorliegenden Erfindung durch einen anderen Satz von Ereignissen und Zeitabläufen an- und ausgeschaltet werden können. Um die richtigen Toranschalt- und Torausschaltsignale für die MCT-Einrichtungen vorzusehen, kann es erforderlich sein, daß die Funken-Triggerschaltung zusätzlich zu oder anstelle der Speicherkondensator-Spannung auf ein oder mehrere externe Steuersignale antwortet. Derartige alternative Steuerungen für die Funken-Triggerschaltung 31 sind zum Beispiel in Fig. 2A und 2B gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um Komponenten anzugeben, die mit den Komponenten von Fig. 1B identisch sind. Zum Beispiel empfängt die Triggerschaltung 31 in Fig. 2A eine externe Schwellwert-Signaleingabe, die verwendet werden kann, um selektiv den Schwellwert für den Vergleicher 41 zu ändern, so daß der Ladungspegel des Kondensators 38, der das Anschalten der Schalter triggert, variiert werden kann. Der Vergleicher 41 in Fig. 2B ist nicht mit dem Kondensator 48 verbunden (d. h. er stellt den Ladungspegel des Hauptkondensators nicht fest). Statt dessen empfängt der Vergleicher 41 ein externes Triggersignal, das den Vergleicher 41 dazu veranlaßt, die Schalter anzuschalten. Alternativ dazu kann der Vergleicher 41 wie in Fig. 2B gezeigt einfach eine konstante Eingangsspannung empfangen, die in Kombination mit dem Widerstand 40 und dem verbundenen Zeitkondensator einen vorbestimmten Zeitsteuerimpuls zum Triggern der Schaltung 31 erzeugt. Es können natürlich auch andere Schemata für die Triggerschaltung einfach und vorteilhaft in der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Wenn eine Ladegleichstromquelle wie etwa ein Gleichstrom-Chopper verwendet wird, dann kann die Gleichstromversorgung momentan während des Entladungszyklus unterbrochen werden, um übermäßige Belastungen der Ladungsschaltung zu vermeiden. Diese Unterbrechung kann leicht durch die Verwendung eines Impulsübertragers vorgenommen werden, der den Entladungszyklus feststellt und einen Steuerimpuls zurücksendet, um die Verriegelung auf der Primärseite des Leistungstransformators zu deaktivieren.The present invention has been described with reference to MCT devices which are first turned on for a predetermined period of time and then triggered by the spark trigger circuit in response to the storage capacitor voltage reaching a predetermined level is reached, may be turned off again for a predetermined period of time. It should be noted that various methods of controlling the spark rate, such as the previously described duty cycle methods, various methods of controlling spark energy, various methods of deactivating the spark, and some circuits for monitoring the health of the ignition system, may require that the MCT devices of the present invention be turned on and off by a different set of events and timings. In order to provide the proper gate on and gate off signals for the MCT devices, the spark trigger circuit may be required to respond to one or more external control signals in addition to or instead of the storage capacitor voltage. Such alternative controls for the spark trigger circuit 31 are shown, for example, in FIGS. 2A and 2B, wherein like reference numerals are used to indicate components identical to the components of FIG. 1B. For example, trigger circuit 31 in Fig. 2A receives an external threshold signal input which can be used to selectively change the threshold for comparator 41 so that the charge level of capacitor 38 which triggers the turning on of the switches can be varied. Comparator 41 in Fig. 2B is not connected to capacitor 48 (i.e., it does not sense the charge level of the main capacitor). Instead, comparator 41 receives an external trigger signal which causes comparator 41 to turn on the switches. Alternatively, comparator 41 may simply receive a constant input voltage as shown in Fig. 2B which, in combination with resistor 40 and the associated timing capacitor, produces a predetermined timing pulse for triggering circuit 31. Of course, other trigger circuit schemes may be easily and advantageously employed in the present invention. If a DC charging source such as a DC chopper is used, then the DC supply can be interrupted momentarily during the discharge cycle to avoid excessive loading of the charging circuit. This interruption can be easily accomplished by using a pulse transformer which detects the discharge cycle and sends back a control pulse to disable the interlock on the primary side of the power transformer.

Die vorliegende Erfindung wurde mit Bezug auf besondere Ausführungsformen beschrieben, die die vorliegende Erfindung beispielhaft darstellen aber nicht beschränken, wobei andere Variationen und Modifikationen der besonderen hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen durch den Fachmann vorgenommen werden können, die in dem durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindungsumfang enthalten sind.The present invention has been described with reference to particular embodiments which are illustrative but not limiting of the present invention, and other variations and modifications of the particular embodiments shown and described herein may be made by those skilled in the art within the scope of the invention as defined by the appended claims.

Nachschlagetabelle für beispielhafte KomponentenwerteLookup table for example component values Bezugszeichen Wert oder TeilnummerReference symbol value or part number

11, 66 2,5 kΩ, 5 W11, 66 2.5 kΩ, 5 W

12, 36 6 kV, 400mA12, 36 6kV, 400mA

67, 68 0,01 uF, 4 kV67, 68 0.01uF, 4kV

13 (14, 15, 16) SPES P/N 147839 mit zusätzlicher Tertiärwicklung mit 200 Windungen13 (14, 15, 16) SPES P/N 147839 with additional tertiary winding with 200 turns

69 SPES P/N 14830169 SPES P/N 148301

37 Philips BYM56E37 Philips BYM56E

38 1 uF, 4 kV38 1uF, 4kV

73, 74, 75 Harris RHRU7512073, 74, 75 Harris RHRU75120

28, 29, 30, 45 RNC55H1001FR28, 29, 30, 45 RNC55H1001FR

26, 26, 27, 18, 48, 71 IN414826, 26, 27, 18, 48, 71 IN4148

54, 55, 56, 49 IN523654, 55, 56, 49 IN5236

19, 20 IN524019, 20 IN5240

17 IN531317 IN5313

57, 58, 59 750 kΩ, 1 W57, 58, 59 750 kΩ, 1 W

70, 47 2N2907A70, 47 2N2907A

72 RNC55H2001FR72 RNC55H2001FR

32 (22, 23, 24) 1 : 1 Impulsübertrager32 (22, 23, 24) 1 : 1 pulse transformer

60 (51, 52, 53) 1 : 1 Impulsübertrager60 (51, 52, 53) 1 : 1 pulse transformer

33, 34, 35 Harris MCT65P10033, 34, 35 Harris MCT65P100

61 1 kΩ, 25 W61 1 kΩ, 25 W

62 SPES 11916462 SPES119164

63 3-20 uHy Luftkern63 3-20 uHy air core

44 IN415744 IN4157

46 RNC55H10R0FR46 RNC55H10R0FR

43 RNC55H8450FR43 RNC55H8450FR

42 Siliconix VN2010L42 Siliconix VN2010L

40 RNC55H2002FR40 RNC55H2002FR

41 Maxim 755541 Maxima 7555

39 1-20 MegaΩ, 5 W39 1-20 MegaΩ, 5 W

114 Philips BYV26E114 Philips BYV26E

116 0,01 uF, 1 kV116 0.01uF, 1kV

Claims

1. Erregerkreis für eine Motor-Zündkerze (64), wobei der Erregerkreis umfaßt: eine Ladungsschaltung (104) und eine Entladungsschaltung (106), wobei die Ladungsschaltung (104) mit einer Leistungsversorgung (108) verbunden werden kann, wobei die Entladungsschaltung (106) mit der Zündkerze (64) verbunden werden kann, um Zündfunken zu erzeugen, und wobei die Entladungsschaltung (106) einen mit der Ladungsschaltung (104) verbundenen Speicherkondensator (38) umfaßt, eine torgesteuerte Festkörperschalteinrichtung (33, 34, 35), die mit dem Kondensator (38) verbunden ist und den Kondensator (38) mit der Zündkerze (64) verbindet, sowie eine Triggereinrichtung (60, 31) zum Anschalten der Schalteinrichtung (33, 34, 35) durch ein AN-Torsignal, um die Entladung des Kondensators zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperschalteinrichtung (33, 34, 35) ein zweites Torsignal zum Ausschalten benötigt und daß die Triggereinrichtung eine Einrichtung (60, 32) zum Ausschalten der Schalteinrichtung (33, 34, 35) durch das zweite Torsignal umfaßt, um das Aufladen des Kondensators (38) zu steuern.1. An excitation circuit for an engine spark plug (64), the excitation circuit comprising: a charge circuit (104) and a discharge circuit (106), the charge circuit (104) being connectable to a power supply (108), the discharge circuit (106) being connectable to the spark plug (64) to generate ignition sparks, and the discharge circuit (106) comprising a storage capacitor (38) connected to the charge circuit (104), a gated solid state switching device (33, 34, 35) connected to the capacitor (38) and connecting the capacitor (38) to the spark plug (64), and a trigger device (60, 31) for turning on the switching device (33, 34, 35) by an ON gate signal to start the discharge of the capacitor. control, characterized in that the solid-state switching device (33, 34, 35) requires a second gate signal for switching off and that the trigger device comprises a device (60, 32) for switching off the switching device (33, 34, 35) by the second gate signal in order to control the charging of the capacitor (38).

2. Erregerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung eine oder mehrere MCT-Thyristoren (33, 34, 35) umfaßt.2. Excitation circuit according to claim 1, characterized in that the switching device comprises one or more MCT thyristors (33, 34, 35).

3. Erregerkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrichtung (60) die Schalteinrichtung (33, 34, 35) in Antwort auf den Ladungspegel des Kondensators (38) anschaltet.3. Excitation circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the trigger device (60) switches on the switching device (33, 34, 35) in response to the charge level of the capacitor (38).

4. Erregerkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (32) zum Schalten der Schalteinrichtungen (33, 34, 35) nach dem Anschalten der Schalteinrichtung (33, 34, 35) die Schalteinrichtungen (33, 34, 35) nach einer Zeitverzögerung ausschaltet, die ausreicht, um die Entladung des Kondensators (38) zu erlauben.4. Excitation circuit according to claim 3, characterized in that the device (32) for switching the switching devices (33, 34, 35) after switching on the switching device (33, 34, 35) switches off the switching devices (33, 34, 35) after a time delay which is sufficient to allow the discharge of the capacitor (38).

5. Erregerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein MCT-Thyristor (33, 34, 35) mit einem Tor, einer Anode und einer Kathode ist und daß die Triggereinrichtung (60, 32) ein erstes Spannungspotential zwischen dem Tor und entweder der Anode oder der Kathode anlegt, um den Thyristor (33, 34, 35) anzuschalten, und ein zweites Spannungspotential zwischen dem Tor und entweder der Anode oder der Kathode anlegt, um den Thyristor (33, 34, 35) abzuschalten, wobei das erste und das zweite Potential jeweils eine entgegengesetzte Polarität aufweisen.5. Excitation circuit according to claim 1, characterized in that the switching device is an MCT thyristor (33, 34, 35) with a gate, an anode and a cathode and that the trigger device (60, 32) applies a first voltage potential between the gate and either the anode or the cathode to turn on the thyristor (33, 34, 35) and applies a second voltage potential between the gate and either the anode or the cathode to turn off the thyristor (33, 34, 35), the first and second potentials each having an opposite polarity.

6. Erregerkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrichtung eine Einrichtung (32) zum periodischen Anlegen des zweiten Spannungspotentials an entweder der Anode oder der Kathode umfaßt, um die Schalteinrichtung (33, 34, 35) ausgeschaltet zu halten, bis der Kondensator (38) vollständig entladen ist.6. Excitation circuit according to claim 5, characterized in that the triggering device comprises a device (32) for periodically applying the second voltage potential to either the anode or the cathode in order to keep the switching device (33, 34, 35) off until the capacitor (38) is completely discharged.

7. Erregerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (60, 32) zum Ausschalten der Schalteinrichtung (33, 34, 35) eine Einrichtung zum wiederholten Anlegen des zweiten Torsignals umfaßt, um den Schalter (33, 34, 35) ausgeschaltet zu halten, während sich der Kondensator (38) auflädt.7. Excitation circuit according to claim 1, characterized in that the means (60, 32) for turning off the switching means (33, 34, 35) comprises means for repeatedly applying the second gate signal to keep the switch (33, 34, 35) turned off while the capacitor (38) is charging.

8. Erregerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (60, 32) zum Ausschalten der Schalteinrichtung (33, 34, 35) den Schalter (33, 34, 35) während eines Ladungszyklus des Kondensators (38) periodisch mit dem zweiten Torsignal triggert.8. Excitation circuit according to claim 1, characterized in that the device (60, 32) for switching off the switching device (33, 34, 35) periodically triggers the switch (33, 34, 35) with the second gate signal during a charge cycle of the capacitor (38).

9. Erregerkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (60, 32) zum Ausschalten der Schalteinrichtung (33, 34, 35) den Schalter (33, 34, 35) während eines Ladungszyklus des Kondensators (38) periodisch mit dem zweiten Torsignal mit einer Rate triggert, die vom Ladungsstrom des Kondensators (38) abhängig ist.9. Excitation circuit according to claim 8, characterized in that the device (60, 32) for switching off the switching device (33, 34, 35) periodically triggers the switch (33, 34, 35) during a charge cycle of the capacitor (38) with the second gate signal at a rate that is dependent on the charge current of the capacitor (38).

10. Erregerkreis nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (41) zum Variieren des Schwellwerts, der in der Triggereinrichtung (60, 32, 31) verwendet wird, um den Ladungspegel des Kondensators (38) festzustellen.10. Excitation circuit according to claim 9, characterized by a device (41) for varying the threshold value used in the trigger device (60, 32, 31) to determine the charge level of the capacitor (38).

11. Erregerkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Variierungseinrichtung (41) einen Steuersignaleingang in den Erregerkreis umfaßt.11. Excitation circuit according to claim 10, characterized in that the variation device (41) comprises a control signal input into the excitation circuit.

12. Erregerkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (33, 34, 35) ein MCT-Thyristor ist und daß die Triggereinrichtung eine Einrichtung (60) zum Anlegen des AN-Torsignals als Anschaltimpuls am Tor des Thyristors (33, 34, 35) umfaßt, um einen Entladungszyklus einzuleiten, und eine Einrichtung (32) zum Anlegen des zweiten Torsignals als periodische Ausschaltimpulse umfaßt, um den Thyristor (33, 34, 35) während eines Ladungszyklus ausgeschaltet zu halten.12. Excitation circuit according to claim 1, characterized in that the switching device (33, 34, 35) is an MCT thyristor and that the triggering device comprises a device (60) for applying the ON gate signal as a switching pulse to the gate of the thyristor (33, 34, 35) to initiate a discharge cycle and a device (32) for applying the second gate signal as periodic switching off pulses to keep the thyristor (33, 34, 35) switched off during a charging cycle.

13. Erregerkreis nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen Ausschaltimpulse ein Torpotential an dem Thyristor (33, 34, 35) anlegen, das von dem durch die Ladungsschaltung (104) erzeugten Ladestrom abhängig ist.13. Excitation circuit according to claim 12, characterized in that the periodic switch-off pulses apply a gate potential to the thyristor (33, 34, 35) which is dependent on the charging current generated by the charging circuit (104).

14. Erregerkreis nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (60) zum Anlegen des An-Torsignals als Anschaltimpuls einen Transformator umfaßt, der einen Zeitimpuls empfängt, wobei der Transformator (60) auf den Impuls antwortet, um einen Entladungszyklus einzuleiten, wobei er den Thyristor (23, 24, 25) am Ende des Impulses ausschaltet.14. Excitation circuit according to claim 12 or 13, characterized in that the means (60) for applying the on-gate signal as a turn-on pulse comprises a transformer which receives a timing pulse, the transformer (60) responding to the pulse to initiate a discharge cycle, turning off the thyristor (23, 24, 25) at the end of the pulse.

15. Erregerkreis nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (32) zum Anlegen der periodischen Ausschaltimpulse einen zweiten Transformator (32) umfaßt, der in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz der Ladungsschaltung (104) Impulse erzeugt.15. Excitation circuit according to at least one of claims 12 to 14, characterized in that the device (32) for applying the periodic switch-off pulses comprises a second transformer (32) which generates pulses depending on the operating frequency of the charging circuit (104).

16. Erregerkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrichtung auf ein externes, in den Erregerkreis eingegebenes Triggersignal antwortet.16. Excitation circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the trigger device responds to an external trigger signal input into the excitation circuit.

17. Erregerkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrichtung (31) die Torsignale mit einer vorbestimmten Rate erzeugt, die vom Ladungspegel des Kondensators (38) unabhängig ist.17. Excitation circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the trigger device (31) generates the gate signals at a predetermined rate which is independent of the charge level of the capacitor (38).

18. Erregerkreis nach wenigsten einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerkreis mit einer Wechselstromversorgung oder mit einer Gleichstromversorgung betrieben wird und eine oszillierende oder eine unipolare Entladung erzeugt.18. Excitation circuit according to at least one of the preceding claims, characterized in that the excitation circuit is operated with an alternating current supply or with a direct current supply and generates an oscillating or a unipolar discharge.