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Hochspannungszündeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochspannungszündeinrichtung
für gemischverdichtende Brennkraftmaschinen mit einer zur Speicherung der Zündenergie
dienenden Zündspule, deren Sekundärkreis wenigstens eine Zündkerze enthält und deren
an einer Gleichstromquelle liegender Primärkreis im Zündzeitpunkt durch einen steuerbaren
Halbleitergleichrichter unterbrochen wird, dessen Steuerelektrode durch eine von
der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängige Steuervorrichtung beeinflußbar ist.
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Derartige Zündeinrichtungen sind besonders für übliche, vornehmlich
Kraftfahrzeuge antreibende Brennkraftmaschinen geeignet und gestatten, daß das periodische
Ein- und Ausschalten des relativ hohen, den Primärkreis der Zündspule durchfließenden
Stromes kontaktlos vorgenommen werden kann.
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Bei der Anwendung üblicher pnp- bzw. npn-Transistoren für diesen Zweck
zeigt es sich, daß diese durch die dabei auftretenden hohen induktiven Spannungsstöße
gefährdet sind und demzufolge durch zusätzliche Schaltmaßnahmen dagegen besonders
geschützt werden müssen. Außerdem sind solche Transistoren sehr wärmeabhängig, so
daß zusätzlicher Aufwand für ihre Kühlung erforderlich ist.
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Besser geeignet für diesen Zweck sind pnpn-Transistoren, auch steuerbare
Halbleitergleichrichter genannt, da diese sich durch besonders hohe Spannungs- und
Wärrnefestigkeit auszeichnen.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, für das Ein- und Ausschalten des Primärkreises
der Zündspule Thyristoren, das sind auf Thyratron-Prinzip beruhende pnpn-Transistoren,
anzuwenden, wobei sich jedoch Schwierigkeiten in der Hinsicht ergeben, als bei der
Umsteuerung in den Sperrzustand die Anode in bezug auf die Kathode negatives Potential
erhalten muß und es dazu besonderen Schaltungsaufwandes bedarf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochspannungszündeinrichtung
der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, die einen steuerbaren Halbleitergleichrichter
enthält, der hinsichtlich seiner Wirkungsweise besonders für eine Spulenzündeinrichtung
geeignet ist und in einer Schaltungsanordnung betrieben wird, die weitestgehend
mit derjenigen der herkömmlichen Spulenzündeinrichtung übereinstimmt.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter
erlindungsgemäß mittels seiner Steuerelektrode sowohl durch einen positiven Steuerstrom
in den stromdurchlassenden Zustand als auch durch einen negativen Steuerstrom in
den stromsperrenden Zustand schaltbar ist, wobei in einem zu der Steuerelektrode
und einer der Hauptelektroden parallelen Kreis ein kapazitiver und/oder induktiver
Steuerenergiespeicher und in einem zu der Steuerelektrode und der anderen
Hauptelektrode parallelen Kreis eine Schaltstrecke der Steuervorrichtung liegt,
mit deren Hilfe im Zündzeitpunkt der positive Steuerstrom ausschaltbar und die Lieferung
des durch den bzw. die Steuerenergiespeicher bereitgestellten 01 negativen Steuerstromes
auslösbar ist.
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Der hierbei vorgesehene steuerbare Halbleitergleichrichter, der auch
unter der Bezeichnung »gate controlled switch« bekannt ist, bringt den Vorteil mit
sich, daß die für seine Umsteuerung erforderlichen Schaltelemente im Kreis der Steuerelektrode
liegen und daher nur für relativ geringe Spannungen bzw. Ströme zu bemessen sind.
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Es ist nach der französischen Patentschrift 1170 981 (2. Zusatzpatentschrift
75 571) bereits eine Kondensatorzündeinrichtung bekannt, die nur dort Anwendung
findet, wo besonders hohe Ansprüche an die Zündeinrichtung gestellt werden, wie
beispielsweise in Drehkolbenmaschinen, wo die Zündkerze durch Rußansatz stark verschmutzt.
Die Zündung erfolgt hierbei in der Weise, daß ein Kondensator aufgeladen und im
Zündzeitpunkt durch einen steuerbaren Halbleitergleichrichter über die Primärwicklung
eines Zündtransformators entladen wird. Der hierbei verwendete steuerbare Halbleitergleichrichter
beruht ebenfalls auf Thyratron-Prinzip und wird daher nicht durch einen negativen
Steuerstrom in den Sperrzustand geschaltet, was aber bei einer solchen Zündeinrichtung
nach Entladung des Kondensators infolge der Potentialverminderung an der Anode auch
gar nicht notwendig ist. Diese Ausführung läßt somit keine Merkmale erkennen, durch
die
der vorliegende erfinderische Lösungsgedanke nahegelegt wird.
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Des weiteren ist nach der französischen Patentschrift 1237 802
eine Kondensatorzündeinrichtung bekannt, die ein RC-Glied in dem Steuerkreis des
Halbleitergleichrichters hat. Durch dieses RC-Glied wird eine für die Impulsbeeinflussung
der Steuerelektrode geeignete Zeitkonstante festgelegt, nicht aber ein negativer
Steuerstrom geliefert; denn der hierbei verwendete Halbleitergleichrichter läßt
sich nicht durch einen über die Steuerelektrode geführten negativen Steuerstrom
in den Sperrzustand schalten. Außerdem gilt für diese Zündeinrichtung dasselbe,
was zur vorherigen bekannten Ausführung gesagt wurde.
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Ferner ist nach der deutschen Auslegeschrift 1000 936 ein Zündverfahren
für elektrische gas- bzw. dampfgefüllte Entladungsgefäße bekannt, die ebenfalls
durch Wegnahme des Anodenpotentials ausschaltbar sind. Der dort im Gitterkreis liegende
Transformator dient daher nicht zur Speicherung der Steuerenergie und Lieferung
eines negativen Steuerstromes, sondern dazu, aus dem An- bzw. Abstieg eines Rechteckimpulses
eine Spannungsspitze zu erzeugen. Somit wird auch durch diese Ausführung der Lösungsweg
vorliegender Erfindung nicht nahe gelegt.
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Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung sind an Hand der in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine erfindungsgemäße Zündeinrichtung in schematischer
Darstellung in einem übersichtsbild, F i g. 2 das elektrische Schaltbild
der Zündeinrichtung nach F i g. 1;
F i g. 3 bis 7 zeigen fünf
weitere abgewandelte Ausführungsbeispiele jeweils in ihrem elektrischen Schaltbild.
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Die zum Betrieb einer nicht dargestellten Vierzylinder - Viertakt
- Brennkraftmaschine bestimmte Spulen-Zündeinrichtung umfaßt einen Zündverteiler
10 mit einem eingebauten, in F i g. 1 nicht erkennbaren Unterbrecher
sowie eine Zündspule 11 und eine Schaltvorrichtung 12, vier vom Verteiler
10 zu
je einer Zündkerze 13 führende Zündkabel 14 sowie eine
zur Stromversorgung der Zündeinrichtung dienende Sammlerbatterie 15 von
12,6 Volt.
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Mit dem Pluspol der Sammlerbatterie 15 kann durch Schließen
eines Zündschalters 16 die Plusleitung 17 der Schaltvorrichtung 12
verbunden werden. Die Schaltvorrichtung 12 enthält ein Siliziumstromtor 20 vom pnpn-Typ,
dessen Anode 21 zusammen mit einem etwa 0,5 bis 2 Ohm großen Vorwiderstand
22 mit der Primärwicklung 23 der Zündspule 11 in Reihe geschaltet
ist. Die mit der außenliegenden n-Zone des Siliziumkörpers des Stromtores bzw. steuerbaren
Halbleitergleichrichters verbundene Kathode 24 ist unmittelbar an Masse angeschlossen.
Mit der Steuerelektrode 25 des Stromtores ist eine Halbleiterdiode
26 und ein parallel zu dieser angeordneter Widerstand 27 verbunden.
Von diesen beiden Bauteilen führt eine Steuerleitung 28
zum feststehenden
Kontakt 29 des im Verteiler 10
untergebrachten Unterbrechers' dessen
Unterbrecherhebel 30 bei jeder Umdrehung der Brennkraftmaschine durch einen
mit der umlaufenden Verteilerelektrode 31 gekuppelten Nocken 32 je
zweimal vom feststehenden Kontakt 29 abgehoben wird. Im Zuge der Leitung
28 zur Plusleitung 17 ist ein Widerstand 34 sowie eine als Energiespeicher
dienende Eisendrossel 35 von etwa 0,5 mH vorgesehen. Parallel zur
Eisendrossel liegen ein Kondensor 36 und eine Zenerdiode 37.
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Das Stromtor 20 schaltet ein und führt dann einen über die Primärspule
23 gehenden Magnetisierungsstrom, sobald der Unterbrecherhebel
30 den feststehenden Kontakt 29 berührt, weil dann über die Drossel
35, den Widerstand 34 sowie den Widerstand 27 ein positiver Steuerstrom
fließen kann. Der über die Eisendrossel 35 fließende und in seiner Höhe durch
den Widerstand 34 begrenzte Magnetisierungsstrom erzeugt in seinem bei
38 angedeuteten Eisenkern ein Magnetfeld, dessen Energie zur Sperrung des
Stromtores 20 verwendet wird, sobald der Unterbrecherhebel 30 seinen Gegenkontakt
29 verläßt und dabei den seither fließenden Magnetisierungsstrom erheblich
schwächt. Dann entsteht infolge der Induktivität der Drossel 35 eine induktive
Spannungsspitze, die zur Folge hat, daß die von Masse abgetrennte Verbindungsleitung
28 sowie der mit ihr verbundene Widerstand 27 und der Gleichrichter
26 an gegen Masse negatives Potential gelangen. Der zur Drossel
35 parallelgeschaltete Kondensator 36 ist so bemessen, daß bei dem
im Unterbrechungsaugenblick einsetzenden Umladevorgang eine Schwingung entsteht,
deren erste negative Halbwelle das Stromtor 20 in seinen Sperrzustand bringt.
Dieser dauert jedoch nur so lange an, wie die negative Halbwelle. Bei dem
an'
schließend einsetzenden, entgegengesetzten Umladevorgang der elektrischen
Energie aus dem Kondensator 36 in die Drossel 35 kehrt das Stromtor
20 selbsttätig in seinen ursprünglichen stromleitenden Zustand zurück.
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Die Zenerdiode 37 begrenzt die an der Drossel 35
entstehende,
infolge des parallelgeschalteten Kondensators 36 durch den Resonanzeffekt
erhöhte Steuerspannung auf einen für die Steuerelektrode 25 des Stromtores
20 ungefährlichen Höchstwert. Durch Verwendung eines bei Batteriezündanlagen üblichen
U-nterbrecherkondensators 39, der hier zur Anoden-Kathoden-Strecke des Stromtores
20 parallel liegt, kann der zeitliche Verlauf der Zündspannung in bekannter Weise
verbessert werden.
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Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 wird durch
Parallelschalten der je einen Energiespeicher bildenden Drossel
35 und des Kondensators 36 eine Resonanzwirkung und demzufolge eine
Erhöhung der im Abschaltzeitpunkt des Unterbrecherhebels 30 entstehenden
Steuerspannung für das Halbleiterstromtor 20 erzielt. Diese Erhöhung erlaubt es,
mit einer verhältnismäßig kleinen Bau-,aröße der Drossel 35 auskommen zu
können. Im Ge-3 C Crensatz zu dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist beim
Ausführungsbeispiel nach F i g. 3, bei welchem gleiche oder gleichwirkende
Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 2 versehen sind, der feststehende
Unterbrecherkontakt 29 mit der Plusleitung 17 verbunden und die Drossel
35 in einem zur Steuerstrecke des Stromtores 20 parallelen Stromkreis angeordnet.
Dies bringt den Vorteil mit sich, daß beim öffnen des Unterbrechers 29, 30
weder
der Drossel 35 noch dem in der Zuleitung zur Steuerelektrode des Stromtores
liegenden Widerstand 27 von der Plusleitung 17 her Strom zufließen
kann und die Drossel im Zündzeitpunkt daher eine hohe induktive Spannungsspitze
erzeugt. Im Ausschaltzeitpunkt
des Stromtores 20 stellt die Diode
26 sicher, daß die induktive Abschaltspannung der Drossel 35
an der
Steuerelektrode voll wirksam wird. Die Höhe der Abschaltspannung wird jedoch hier
ebenso wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 und 2 durch eine Zenerdiode
37 und eine weitere, mit dieser in Reihe geschaltete Diode 40 begrenzt, wobei
die Diode 40 sicherstellt, daß die Zenerdiode 37 nur während der negativen
Halbwellen der Steuerspannung stromleitend werden kann.
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Das dritte Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 weist einen besonders
einfachen Aufbau auf, weil hier als Energiespeicher zum Abschalten des Stromtores
20 lediglich ein Kondensator 42 in der Verbindungsleitung von der Steuerelektrode
25 des Stromtores zum feststehenden Kontakt 29 des Unterbrechers vorgesehen
ist, von welchem ein verhältnismäßig hochohmiger Widerstand 43 zur Plusleitung
17 führt.
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Wenn der mit Masse verbundene Unterbrecherhebel 30 seinen Gegenkontakt
29 verläßt, wird der Kondensator 42 über den Widerstand 43 aufgeladen, wobei
von der Steuerelektrode 25 zur Kathode 24 ein positiver Stromimpuls fließt,
der das Stromtor 20 einschaltet. Dieses bleibt dann so lange stromleitend, bis im
Schließungszeitpunkt des Unterbrecherhebels 30 die positiv geladene Elektrode
des Kondensators 42 mit Masse unmittelbar in Verbindung gelangt, so daß die auf
der mit der Steuerelektrode 25 verbundenen Kondensatorelektrode sitzende
Ladung über die Steuerelektrode abfließen und dadurch das Stromtor 20 sperren kann.
Der besondere Vorteil gegenüber den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht
hier darin, daß das Stromtor bei jedem öffnungsvorgang des Unterbrechers stromleitend
gemacht und erst bei dem darauffolgenden Schließungsvorgang des Unterbrecherhebels
30 in seinen Sperrzustand gebracht wird.
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Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 wirkt der Kondensator
42 wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel. Er ist jedoch zwischen dem
Unterbrecherhebel 30 und dem Verbindungspunkt des Widerstandes
26 und der Diode 27 angeordnet. Der feststehende Kontakt
29 liegt an der Plusleitung 17.
Vom Unterbrecherhebel 30 zu
der mit Masse verbundenen Minusleitung 44 führt ein Widerstand 45. Beim Schließen
des Unterbrecherhebels 30 wird der Kondensator 42 aufgeladen. Sein über den
Widerstand 26 und die Steuerelektrode 25 fließender Ladestrom bringt
das Stromtor 20 in stromleitenden Zustand. In dem den Zündzeitpunkt ergebenden öffnungsaugenblick
des Unterbrecherhebels 30 wird der Kondensator 42 über den Widerstand 45
einseitig mit der Kathode des Stromtores verbunden. Der Kondensator 42 kann sich
dann über die Steuerelektrode 25
und die Diode 27 entladen, wobei der
Entladestrom das Stromtor 20 sperrt.
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Bei den in den F i g. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen,
welche nur einen einzigen Steuerkondensator 42 enthalten, können Schwierigkeiten
beim Einschalten und beim Ausschalten des Stromtotes 20 entstehen, wenn die als
Betriebsstromquelle verwendete Batterie eine Spannung von weniger als
6 Volt aufweist. Bei dem in F i g. 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel
ist daher eine Kombination des Steuerkondensators 42 mit einem Parallelschwingkreis
vorgesehen, der eine Drossel 35
und einen parallel 'geschalteten Kondensator
36 der in F i g. 2 und 3 angegebenen Art enthält. Die Induktivität
der Drossel 35 kann bei der Anordnung nach F i g. 6 kleiner als bei
derjenigen nach den F i g. 2 und 3 gewählt werden.
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Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht
die Anordnung des Stromtores 20 des in seinem Steuerkreis angeordneten Widerstandes
27 mit parallelgeschaltetem Gleichrichter 26 sowie der Drossel
35 und des dieser parallelgeschalteten Kondensators 36 dem Ausführungsbeispiel
nach F i g. 3. Abweichend hiervon ist an ' Stelle eines nockenbetätigten
Unterbrechers 29, 30 eine kontaktlos arbeitende Schaltvorrichtung vorgesehen,
welche zwei Transistoren 50 und 51 enthält. Der Transistor
51 ist zwischen der Minusleitung 17 in Reihe mit dem Emitterwiderstand
52 so angeordnet, daß er in stromleitendem Zustand einen die Drossel
35 durchfließenden Magnetisierungsstrom und einen positiven, das Stromtor
20 in stromleitenden Zustand bringenden Steuerstrom zu führen vermag. Er gelangt
in seinen Sperrzustand und löst dabei den Zündvorgang aus, wenn die auf einer umlaufenden,
mit strichpunktierten Linien angedeuteten Scheibe 54 angeordneten beiden Dauerinagneten
55 und 56 an einem Halbleiterwiderstand 57 vorbeilaufen, dessen
Durchlaßwiderstand sich unter dem Einfluß des mit Pfeilen angedeuteten Magnetfeldes
auf einen 10- bis 15mal größeren Wert erhöht, wenn die Magneten die in F
ig. 7 dargestellte Zündstellung erreichen. Der Halbleiterwiderstand
57 ist im Basiskreis des mit seinem Emitter unmittelbar an die Plusleitung
17
angeschlossenen Transistors 50 angeordnet und liegt in Reihe mit
einem an Masse angeschlossenen Widerstand 58, der so hoch gewählt ist, daß
der Transistor 50 so lange gesperrt bleibt, bis die Magneten ihre dargestellte
Lage erreichen. In diesem Zeitpunkt wird der Transistor 50 stromleitend und
sperrt dabei den Transistor 51, der dann den Magnetisierungsstrom in der
Drossel 35 unterbricht und, wie oben zu F i g. 3 erläutert, das Stromtor
20 sperrt.
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Die Steuerscheibe 54 sowie ihre Magneten 55 und 56 können
gegebenenfalls ebenso wie die beiden Schalttransistoren 50 und
51 in einem üblichen Verteilergehäuse 10 untergebracht werden.