DE2612695B2 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsenordnung, bei der ein Schalttransistor den Auf- und Entladevorgang einer Spule steuert Eine solche Schaltungsanordnung findet beispielsweise als Transistor-Zündschaltung bei Otto-Motoren Anwendung.

Bei den bekannten Transistoren-Zündschaltungen werden hochsperrende' Leistungstransistoren oder Darlington-Transistoren als Schalter zum Steuern der Zündspule eingesetzt Das Schalten der Schalttransistoren erfolgt beispielsweise durch Unterbrecherkontakte, Reedkontakte, Feldplatten, induktive Geber oder durch optoelektronische Anordnungen. Um den Schalttransistor vor hohen Rückschlagspannungen beim öffnen des Unterbrecherkontaktes zu schützen, wird der Anstieg der Primärspannung der Zündspule durch einen Schutzkondensator verzögert der parallel zur Emitter-Kollektorstrecke des Schalttransistors geschaltet ist. Darüber hinaus sind Avalanche-Dioden als Schutzdioden parallel zur Emitter-Kollektorstrecke oder besser parallel zur Basis-Kollektorstrecke des Schalttransistors geschaltet, um zu verhindern, daß der Schalttransistor bei gestörten Betriebsfällen im Avalanchebereich betrieben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung aufzuzeigen, die weniger Bauteile erfordert als die bekannten Transistor-Zündschaltungen und die somit einfacher aufgebaut ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung derart ausgebildet, daß ein Avalanchebetrieb des Schalttransistors möglich ist, und außerdem ist parallel zur Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors ein so hoher Widerstand wirksam, daß der Schalttransistor trotz Avalanchebetrieb nicht überbeansprucht wird.

Während also bei den bekannten Transistor-Zündschaltungen der Avalanchebetrieb tunlichst vermieden wird und besondere Schutzelemente zur Vermeidung des Avalanchebetriebs vorgesehen sind, wird bei der

to Schaltungsanordnung nach der Erfindung bewußt auf den Schutzkondensator und die Schutzdioden verzichtet und der Schalttransistor bewußt in den ohne Schutzelemente im allgemeinen nicht zu vermeidenden Avalanche-Durchbruch gefahren. Um trotz Avalanche-Betrieb den Schalttransistor nicht überzubelasten bzw. zu schädigen, wird die Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors nach der Erfindung so hochohmig abgeschlossen, daß der bei der Abschaltung unvermeidbare Avalanche-Betrieb dem Schalttransistor nichts ausmacht

Den hochohmigen Abschluß und damit den Optimalfall hinsichtlich der Erhöhung der Avalanche-Festigkeit würde natürlich eine offene Basis des Schalttransistors darstellen, wobei die Basis des Schalttransistors weder direkt noch über einen Widerstand mit dem Bezugspotential verbunden ist Der Begriff »offene Basis« ist bei einem solchen Betrieb allerdings nicht ganz angebracht da ja die basis des Schalttransistors in Wirklichkeit zwar nicht mit dem Bezugspotential, aber mit einem Schalter verbunden ist der das zum Durchschalten des Schalttransistors erforderliche Potential an die Basis des Schalttransistors schaltet

In der Praxis wird man jedoch die Basis des Schalttransistors in dem oben genannten Sinn nicht offen lassen, da außer der Bedingung eines hochohmigen Abschlusses der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors noch die Bedingung erfüllt werden muß, daß der Emitter-Kollektor-Sperrstrom des Schalttransistors Iceo auf Icer reduziert wird. Diese Bedingung kann man nur durch einen Widerstand erfüllen, der entgegen der

Bedingung eines möglichst hochohmigen Abschlusses

parallel zur Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors liegt und mit dem Bezugspotential verbunden ist

Legt man die Basis des Schalttransistors über einen

Widerstand an das Bezugspotential, so ist natürlich der hochohmige Abschluß der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors geringer als im Fall der offenen Basis. Der zwischen der Basis des Schalttransistors und dem Bezugspotential gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehene Widerstand ist also nach zwei Gesichtspunkten zu wählen, und zwar muß dieser Widerstand so hochohmig sein, daß der Avalanche-Betrieb dem Schalttransistor nicht schadet andererseits muß dieser Widerstand aber so niederohmig bemessen sein, daß er den Emitter-Kollektor-Sperrstrom des Schalttransistors reduziert

Bei einer Transistor-Zündschaltung ist wie bereits erwähnt vor dem Schalttransistor für die Zündspule ein Schalter vorgesehen, der das zum Durchschalten des Schalttransistors erforderliche Potential an die Basis des Schalttransistors schaltet. Dieser Schalter ist vorzugsweise ein Schalttransistor, der auch als Treibertransistor bezeichnet wird. Wird ein Trreibertransistor als Schalter verwendet so ist darauf zu achten, daß dieser Transistor beim Durchschalten des Schalttransistors für die Zündspule nicht zu heiß wird. Dies kann man dadurch verhindern, daß zwischen dem Kollektor des Treibertransistors und der Basis des Schalttransistors

ein Widerstand vorgesehen ist, der so bemessen ist, daß der Treibertransistor beim Durchschalten des Schalttransistors in der Sättigung betrieben wird.

Um auch dieser Bedingung zu genüger, sind parallel zur Basis-Emitterstrecke des der Zündspule vorgeschalteten Schalttransistors vorzugsweise zwei zueinander in Reihe liegende Widerstände vorgesehen, von denen der mit der Basis des der Zündspule vorgeschalteten Schalttransistors verbundene Widerstand so bemessen ist, daß der Treibertransistor beim Durchschalten des Schalttransistors für die Zündspule in der Sättigung betrieben wird, während der mit dem Bezugspotential verbundene Widerstand zwei gegenläufige Bedingungen erfüllen muE, nämlich einerseits eine Reduzierung des der Zündspule vorgeschalteten Schalttransistors und andererseits eine möglichst hochohmige Belastung der Emitter-Basisstrecke des Schalttransistors für die Zündspule. Den erforderlichen hochohmigen Abschluß für die Emitter-Basisstrecke des Sch^Ittransistors bewirkt hauptsächlich der mit dem Bezugspotential verbundene Widerstand, da der zwischen dem Kollektor des Treibertransistors und der Basis des Schalttransistors für die Zündspule angeordnete Widerstand relativ niederohmig gemacht werden muß, um bei gesättigtem Treibertransistor den Basisstrom des Schalttransistors zu liefern. Die Bedingung des hochohmigen Abschlusses der Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors fällt also praktisch ausschließlich nur dem mit dem Bezugspotential verbundenen Widerstand zu.

Der ohmsche Widerstand des mit dem Bezugspotential verbundenen Widerstandes liegt beispielsweise im Bereich von 2 kOhm. Der mit der Basis des Schalttransistors verbundene Widerstand hat beispielsweise einen ohmschen Widerstand, der zwischen 20 Ohm und 100 Ohm liegt.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung spart nicht nur Bauteile ein, sondern hat bei Verwendung als Transistor-Zündschaltung auch noch den Vorteil, daß die primärseitige Rückschlagspannung der Zündspule und damit die Zündspannung an der Zündkerze steil ansteigt. Dadurch wird die Zündspannung sehr schnell erreicht und außerdem sind die Nebenschlußverluste der Zündkerze vor Erreichen der Zündspannung sehr gering. Dies hat zur Folge, daß die gesamte Energie nach Erreichen der Brennspannung für eine lange Brennstromdauer zur Verfügung steht. Eine nach der Erfindung ausgebildete Transistor-Spulenzündung mit Avalanche-Betriiib des Schalttransistors weist sowohl die Vorteile einer Kondensatorzündung (hohe Ansteiggeschwindigkeit der Zündspannung) als auch die Vorteile einer Transistor-Spulenzündung (lange Funkenbrenndauer und somit gute Verbrennung des Benzin-Luftgemisches) auf.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die F i g. 1 zeigt eine Transistor-Zündschaltung nach der Erfindung. Die Batteriespannung, die zwischen 6 V und 16,5 V betragen kann, steht erst dann zur Verfügung, wenn das Zündschloß eingeschaltet ist und dadurch der Schalter Si geschlossen ist. Wird bei geschlossenem Schalter Si auch der Unterbrecherkontakt S₂ geschlossen, so fließt der Kontaktstrom Ik über die Widerstände R, und R₂. Der Widerstand R\ hat im Ausführungsbeispiel einen ohmschen Widerstand von 18 Ohm und der Widerstand R₂ einen ohmschen Widerstand von 82 Ohm. Der durch die Widerstände R_{ und R₂ fließende Strom Ik hat eine maximale Stromstärke von 165 mA.

Die Widerstände R\ und R₃ bestimmen den Basis- und den Kollektorstrom des Niedervolttreibertransistors Ti. Der Kollektorstrom dieses Treibertransistors, der das zum Durchschalten des Schalttransistors T₂ erforderliehe Potential an die Basis des Transistors T₂ liefert, fließt vorwiegend über den Widerstand Ra in die Basis des Schalttransistors T₂ und steuert diesen durch. Der Widerstand Ra sorgt dafür, daß der Transistor Ti gesättigt und damit mit geringer Verlustleistung

ίο betrieben wird. Der Kollektorstrom des Schalttransistors T₂ steigt beim Durchschalten exponentiell mit der Zeitkonstante L/R der Primärspule der Zündspule Z an und wird durch den Innenwiderstand der Pnmärspule begrenzt Während der Einschaltzeit Ihn des Transistors T₂ wird die Energie £"«'/2LI² in der Zündspule magnetisch gespeichert

öffnet der Unterbrecherkontakt S₂, so schaltet der Treibertransistor Ti ab. Dadurch wird auch der Schalttransistor T₂ abgeschaltet Der wirksame Basis-Emitterwiderstand, der parallel zur Basis-Emitterstrekke des Schalttransistors T₂ liegt ergibt sich aus der Summe der Widerstände von Ra und Rs. Der relativ hohe Widerstand Äs, der zwischen dem Kollektor des Transistors Ti und dem Bezugspotential liegt sorgt dafür, daß der Schalttransistor T₂ die erforderliche Avalanche-Festigkeit erhält Andererseits darf der Widerstand Rs aber auch nicht zu hochohmig gemacht werden (für die Avalanche-Festigkeit des Transistors T₂ wäre allerdings ein Verzicht auf den Widerstand R$ und dadurch offene Basis am optimalsten), da der Widerstand Rs außerdem dafür sorgen muß, daß der Emitter-Kollektorsperrstrom des Transistors T₂ nicht zu groß wird. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 wurde für den ohmschen Widerstand Rs ein Kompromißwert von 2kOhm gewählt Der ohmsche Widerstand Ra hat lediglich die Aufgabe, dafür zu sorgen, daß der Transistor Ti beim Durchschalten des Transistors T₂ in der Sättigung arbeitet

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 hat der Wider-

stand Ra einen ohmschen Widerstand von 56 Ohm. Der wirksame Abschlußwiderstand von der Basis des abgeschalteten Schalttransistors T₂ zum Bezugspotential beträgt damit im Ausführungsbeispiel 2,056 kOhm und wird also hauptsächlich durch Rs bestimmt.

Die Rückschlagspannung steigt am Schalttransistor 7*2 sehr schnell an und treibt ihn so lange in den Avalanche-Betrieb, bis die durch Nebenschlüsse verzögerte Zündspannung erreicht ist. Von diesem Zeitpunkt an kann die gesamte, in der Zündspule gespeicherte

so magnetische Energie über die Zündkerzenstrecke abgebaut werden.

Als Treibertransistor Ti wurde im Ausführungsbeispiel ein Niedervolt-Transistor und als Transistor T₂ ein Schalttransistor verwendet Der Widerstand R₃ hat im Ausführungsbeispiel einen ohmschen Widerstand von 11 Ohm. Durch den Widerstand A3 fließt ein Strom von ungefähr 0,2 A. Der Zündspulenstrom beträgt ungefähr 5 A. Die Sekundärspule der Zündspule Z ist außer mit dem Schalter Si mit dem Zündverteiler verbunden.

Die Dioden D\ und D₂ verhindern, daß der Schalttransistor T₂ bei gestörten Betriebsfällen negatives Basis-Emitterpotential und damit schlechte Avalanchefestigkeii erhält. Dies gilt für den im Ausführungsbeispiel gewählten npn-Transistor T₂; für einen pnp-Transistor gilt das Umgekehrte.

Die F i g. 2 zeigt den Kollektorstrom des Schalttransistors T₂ über einen Zyklus in Abhängigkeit von der Zeit Wie die F i g. 2 zeigt steigt der Kollektorstrom zunächst

exponentiell entsprechend der Zeitkonstante L/R der Primärwicklung der Zündspule an und fällt beim Abschalten des Schalttransistors T₂ abrupt ab.

Die F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Brennstromes der Zündkerze im gleichen Zyklus. Aus dieser Figur erkennt man deutlich die lange Funkenbrenndauer als wesentlichen Vorteil der Erfindung.

Die Fig.4 zeigt das Spannungsverhalten an der Funkenstrecke der Zündkerze während des gleichen Zyklus. Man erkennt die hohe Zündspannungsspitze an der Zündkerze und die darauf folgende niedrige Brennspannung.

Die Fi g. 5 entspricht der F i g. 2 und zeigt speziell das Abschaltverhalten des Kollektorstromes des Schalttransistors Ti in einem vergrößertem Maßstab. Das Abschalten wird dadurch verzögert, daß beim Abschalten die Zündspannung der Zündkerze noch nicht erreicht ist und während der Abfallzeit des Kollektorstromes die Zündspule Energie an den im Avalanche-Durchbruch befindlichen Schalttransistor abgibt

Die Fig.6 zeigt die Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter des Schalttransistors T₂ in Abhängigkeit von der Zeit Wie diese Figur zeigt, geht die Spannung beim Abschalten des Schalttransistors steil in die Höhe und wird auf die Avalanche-Spannung des Schalttransistors begrenzt Die Spannung fällt jedoch abrupt ab, wenn sich an der Zündkerze die

niedrige Brennspannung einstellt.

Die Fig. 7 entspricht der Fig.4, zeigt jedoch nur einen Ausschnitt der F i g. 4 im vergrößerten Maßstab. Wie die F i g. 7 erkennen läßt, erfolgt ein verzögerter Spannungsanstieg an der Zündkerze und ein abruptes Abfallen der Zündspannung auf die Brennspannung der Zündkerze.

Die F i g. 8 entspricht der F i g. 3, zeigt jedoch ebenfalls nur einen Ausschnitt der Fig.3 in vergrößertem Maßstab. Die Fig.8 zeigt den zeitlichen Verlauf des Brennstromes der Zündkerze nach Erreichen der Brennspannung der Zündkerze. Mit Erreichen der Brennspannung und dem Anstieg des Brennstromes wird keine Energie mehr an den Schalttransistor abgegeben. Damit ist der Avalanche-Betrieb des Schalttransistors in Übereinstimmung mit den F i g. 5 und 6 beendet.

Die Fig. 9 bis 12 zeigen die entsprechenden bekannten Verhältnisse bei einem Schalttransistor mit Schutzkondensator und Schutzdioden ohne Avalanche-Betrieb. Die Fig.9 entspricht der Fig.5, die Fig. 10 entspricht der F i g. 6, die F i g. 11 entspricht der F i g. 7 und die F i g. 12 entspricht der F i g. 8. Nach den F i g. 9 bis 12 besteht der Nachteil der bekannten Schaltung darin, daß ein langsamerer Anstieg der Spannung an der Zündkerze sowie ein verzögerter Einsatz der Brennspannung bzw. des Brennstromes zu verzeichnen sind.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung, bei der ein Schalttransistor den Auf- und Entladevorgang einer Spule steuert, dadurch gekennzeichnet, daß sie derart ausgebildet ist, daß ein Avalanchebetrieb des Schalttransistors möglich ist, und daß parallel zur Basis-Emitterstrecke des Schalttransistors (T₂) ein so hoher Widerstand (Ri, Ä») wirksam ist, daß der Schalttransistor (T₂) trotz Avalanchebetrieb nicht überbeansprucht wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Schalttransistors (T₂) weder direkt noch über einen Widerstand mit dem Bezugspotential verbunden ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter, der das zum Durchschalten des Schalttransistors (T₂) erforderliche Potential an die Basis des Schalttransistors (T₂) schaltet, ein Treibertransistor (T)) vorgesehen ist, daß zwischen dem Kollektor des Treibertransistors (Ti) und der Basis des Schalttransistors (T₂) ein Widerstand (Ra) vorhanden ist, der so bemessen ist, daß der Treibertransistor (Ti) beim Durchschalten des Schalttransistors (T₂) in der Sättigung betrieben wird, und daß zwischen dem Kollektor des Treibertransistors (Tt) und dem Bezugspotential ein Widerstand (R₃) zur Reduzierung des Emitter-Kollektor-Sperrstromes des Schalttransistors (T₂) vorgesehen ist

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Koliektor des Treibertransistors (T\) eine in Flußrichtung geschaltete Diode (D₂) vorgeschaltet ist