[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochspannungs-Kondensator-Zündgerät der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten Art.
[0002] Ein solches Zündgerät ist z.B. aus dem Buch "Modern Electronic Circuits Manual" McGraw-Hill
Book Company, 1980, Seite 83 bekannt. Dieses bekannte Zündgerät benutzt einen abschaltbaren,
mit f= 10 kHz schwingenden Sperrwandler, der aus NAND-Gliedern gebildet ist. Mit dem
den Zündkondensator entladenden Thyristor ist die Primärwicklung eines Transformators
in Reihe geschaltet, dessen Sekundärwicklung einen weiteren Thyristor ansteuert, um
einen Impuls zum Abschalten des Spannungswandlers zu erzeugen. Die Dauer dieses Abschaltimpulses
muß so groß sein, daß ein vorzeitiges Wiedereinschalten des Spannungswandlers so lange
verzögert wird, wie der Hauptthyristor leitend bzw. ionisiert ist. Wird der Spannungswandler
zu früh wieder eingeschaltet, führt der Thyristor sofort wieder Strom, ohne daß dieser
an seiner Gate-Elektrode von einem Zündimpuls angesteuert werden müßte. Die Abschaltdauer
für den Spannungswandler muß daher so groß gewählt werden, daß der Thyristor nach
dem Entladen der maximal möglichen Hochspannung am Zündkondensator, also nach dem
Fließen eines maximal möglichen Stromes durch den Thyristor mit Sicherheit wieder
entionisiert, d.h. vollständig gesperrt ist, bevor der Spannungswandler erneut eingeschaltet
werden kann, um den Zündkondensator wieder aufzuladen.
[0003] Dadurch wird aber die maximale Zündfrequenz begrenzt, bis zu der noch eine ausreichende
Hochspannung am Zündkondensator zu erzeugen ist. Zwar wird auch bei dem bekannten
Zündgerät die Dauer des Abschaltimpulses für den Spannungswandler in Abhängigkeit
von der Zündfrequenz geändert, um bei ansteigender Frequenz die Abschaltdauer des
Spannungswandlers zu verringern. Jedoch erfolgt dieses über den im Stromkreis des
Thyristors liegenden Transformator , der, sobald ein Impuls ausgelöst wurde, den zweiten
Thyristor auslöst, worauf dieser einen von einer R-C-Kombination verzögerten Abschaltimpuls
an die NAND-Glieder weitergibt. Die Abschaltdauer wird mit höherer Frequenz zwar kürzer,
kann aber nur einen Näherungswert der tatsächlichen Verhältnisse am Hauptthyristor
darstellen, der mit einigem Sicherheitsabstand immer größer sein muß, als das physikalisch
absolut mögliche zeitliche Minimum. Da der Transformator weiterhin bekanntlich nur
Stromänderungen zu übertragen vermag, ist bei dieser bekannten Schaltung nicht ersichtlich,
wie ein fehlerhaft ausgelöster Thyristor aus seinem Dauer-Leitzustand herauskommen
soll, sofern sein Haltestrom nicht durch Abschalten der Spannungsquelle unterbrochen
wird. Ferner sei anzumerken, daß sich die Entladezeit des Zündkondensators wesentlich
nach der Impedanz der Zündspule richtet. Bei einer, wie.hier veröffentlichten, Schaltung
müßte sich die Abschaltzeit entweder nach der größtmöglichen Impedanz einer evtl.
verwendeten Zündspule richten, oder aber das Gerät muß jedesmal auf die zu verwendende
Zündspule optimiert werden, wobei hier Fertigungs-Toleranzen der Zündspule ebenfalls
eine Rolle spielen. Sollte ferner die Zündfunkenleistung durch Änderung von Gerätekomponenten
verändert werden, muß jedesmal erneut die Abschaltzeitdauer durch R-C-Abstimmung justiert
werden.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zündgerät der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 genannten Art so weiterzubilden, daß die Spannungsquelle immer nur so lange abgeschaltet
wird, wie sich der Thyristor tatsächlich, auch unter sich stets ändernden Arbeitsbedingungen,
in seinem leitenden bzw. noch ionisierten Betriebszustand befindet, wobei dieser so
kurz wie möglich sein soll, und daß Änderungen von leistungsbestimmenden Komponenten
des Gerätes und der äußeren Zündanlage ohne Einfluß auf die optimale Abschaltzeit
der Spannungsquelle sind, da die Abschaltzeit sich jederzeit anpaßt.
[0005] Bei einem Zündgerät der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
[0006] Bei dem erfindungsgemäßen Zündgerät wird mit Hilfe mindestens eines Komparators die
an der Gate-Elektrode des Thyristors auftretende Spannung unmittelbar überwacht und
mit einer Bezugsspannung verglichen.
[0007] Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, daß die an der Gate-Elektrode auftretende
Spannung jederzeit Aufschluß über den augenblicklichen Betriebszustand des Thyristors
gibt. So erreicht nämlich die an der Gate-Elektrode auftretende Spannung immer erst
dann ihre konstante Ruhespannung von ca. <1 mV, wenn der Thyristor entionisiert, d.h.
vollständig gesperrt ist. In diesem Zustand des Thyristors kann dieser nur dann wieder
leitend geschaltet werden, wenn er einen ausreichend großen Impuls an seiner Gate-Elektrode
erhält. Mit Hilfe des mindestens einen Komparators kann daher ein die Spannungsquelle
abschaltendes Ausgangssignal nur so lange aber auch immer so lange erzeugt werden,
wie der Thyristor leitend bzw. ionisiert ist. Damit ist aber die Spannungsquelle immer
nur so lange abgeschaltet, wie dieses aus physikalischen Gründen unbedingt erforderlich
ist. Diese kürzestmöglichen Abschaltzeiten der Spannungsquelle verlängern aber die
nutzbaren Aufladezeiten für den Zündkondensator, so daß höhere Zündfrequenzen, bzw.
im oberen Drehzahlbereich eine höhere Zündspannung UC erreichbar sind. Ferner paßt
sich die Abschaltzeit Komponenten-Änderungen optimal an, z.B. nach Änderung der Zündspulen-Impedanz,
und der damit verbundenen Änderung der Funkenbrenndauer.
[0008] Außerdem ist das erfindungsgemäße Zündgerät auch gegenüber Störungen sehr unanfällig,
da durch die unmittelbare Überwachung der Gate-Elektrode ein leitender oder ionisierter
Zustand des Thyristors selbst dann festgestellt wird, wenn dieser Zustand fehlerhaft
eingeleitet sein sollte, d.h. nicht aufgrund eines an die Gate-Elektrode gegebenen
Zündimpulses. Ein fehlerhaft dauerleitender und damit die Spannungsquelle kurzschließender
Thyristor weist an seiner Gate-Elektrode eine Spannung von ca. 600 Millivolt auf.
Auch bei einem solchen Zustand schaltet das Ausgangssignal des mindestens einen Komparators
die Spannungsquelle ab, wodurch der Haltestrom für den Thyristor unterbrochen und
dieser daher gesperrt wird.
[0009] Durch eine gemäß einer im Patentanspruch 2 angegebenen Weiterbildung die Primärwicklung
der Zündspule überbrückende Reihenschaltung, die aus einer Diode und einer Parallelschaltung
aus einem Widerstand sowie einer Drosselspule gebildet ist, kann der Thyristor beschleunigt
abgeschaltet werden. Dieses erfolgt im einzelnen dadurch, daß aus dem von der Zündspule
erzeugten positiv polarisierten Rückimpuls ein kleiner Impuls abgeleitet wird, der
seinerseits wiederum, umgekehrt polarisiert den Zündkondensator auflädt. Nach Abklingen
dieses kleinen Impulses liegt der Zündkondensator mit umgekehrter Polarität an der
Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors an. Dieses bewirkt die beschleunigte Entionisierung
bzw. das Sperren des Thyristors. Der Hauptanteil des Rückimpulses wird dagegen über
die Diode und den sehr niederohmigen Gleichstrom-Widerstand der Drosselspule sowie
den ihr parallel geschalteten Widerstand an die Zündspule zurückgeführt. Trotz Entnahme
einer Teilenergie aus dem Rückimpuls kann daher der Zündfunke ohne Unterbrechung als
Gleichstrom-Zündfunke weiterbrennen.
[0010] Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0011] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen
zeigt:
Fig. 1 den Stromlaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Zündgerätes,
Fig. 2 ein Oszillogramm der am Zündkondensator auftretenden Spannungen,
Fig. 3 Oszillogramme der an der Zündspule und der Drosselspule auftretenden Spannungen,
Fig. 4 ein Oszillogramm der an der Gate-Elektrode auftretenden Spannung und
Fig. 5 ein Oszillogramm der am Thyristor zwischen Anode und Kathode auftretenden Spannung.
[0012] Wie aus dem in Fig. 1 gezeigten Stromlaufplan zu erkennen ist, weist die Spannungsquelle
einen Tonfrequenz-Gegentakt-Sperrwandler, f=10 kHz, mit zwei Leistungstransistoren
TR1 und TR4 sowie zwei Treibertransistoren TR2 und TR3 auf. Diese sind in üblicher
Weise mit Widerständen R3, R7, R21 und Dioden D5 und D6 beschaltet und mit den Primärwicklungen
eines Transformators T1 verbunden, dessen Sekundärseite auf eine Gleichrichter-Brücke
D1 bis D4 arbeitet. Der Sperrwandler wird von einem Impulsweiten-Modulator PWM in
Form einer handelsüblichen integrierten Schaltung angesteuert. Der Modulator gibt
an seinem Anschluß 16 eine Bezugsgleichspannung von 5 Volt ab, die mit Hilfe eines
aus Widerständen R1 und R2 gebildeten Spannungsteilers auf 2,5 Volt unterteilt, am
Komparator-Anschluß 2 als dessen Bezug liegen. Am anderen Komparator-Anschluß 1 liegt
eine durch einen weiteren und aus Widerständen R8, R9 und R4 gebildeten Spannungsteiler
aus der von der Gleichrichter- Brücke abgegebenen Hochspannung UC unterteilte Spannung.
Dem als Thermistor bzw. NTC-Widerstand ausgebildete Widerstand R9 ist eine Zenerdiode
Z1 parallel geschaltet. Kondensatoren C1, C2 und C3 vervollständigen in der gezeigten
Weise die Schaltung der Spannungsquelle.
[0013] Die von der Gleichrichterbrücke abgegebene Hochspannung UC liegt an einem Zündkondensator
C4, der mit einer Zündspule SP in Reihe liegt und über eine als dünn gezeichneter
Leitungszug dargestellte Verbindung zu seiner Aufladung mit Masse bzw. dem Minuspol
einer Bordnetzbatterie verbunden ist. Der andere Anschluß des Zündkondensators C4
ist über einen Thyristor THY mit der Zündspule SP verbunden. Der Zündspule SP ist
eine Reihenschaltung aus der Diode D9 mit einer Parallelschaltung einer Dosselspule
DR und einem Widerstand R16 parallel geschaltet. Zur Diode D9 liegt ein Widerstand
R17 parallel. Die Diode D9 ist gegen die Entladerichtung des Zündkondensators C4 geschaltet.
[0014] Ein mit einem üblichen Unterbrecher oder einem anderen Zündimpulsgenerator verbindbarer
Anschluß ist über eine Diode D10 und einem Widerstand R19 mit den Eingängen zweier
Komparatoren CP3 und CP4 verbunden, wobei die jeweils anderen Eingänge dieser beiden
Komparatoren die vorstehend genannte Bezugsgleichspannung von 5 Volt erhalten. Die
beiden anderen Anschlüsse des Widerstandes R19 sind jeweils mit einem Kondensator
C6 und einer Zenerdiode Z2 verbunden, die wiederum mit Masse bzw. dem Minuspol der
Batterie verbunden sind. Ein Widerstand R20 versorgt einen Unterbrecher-Kontakt mit
Arbeitsstrom. Die Zenerdiode Z2 begrenzt die eingehenden Zündsignale auf gleichbleibende
Amplitude. Die miteinander verbundenen Ausgänge der Komparatoren CP3 und CDM sind
über einen Kondensator C5 und eine Diode D8 mit der Gate-Elektrode des Thyristors
THY verbunden. Widerstände R13 und R14 legen die beiden Anschlüsse des Kondensators
C5 gleichspannungsmäßig fest. über den Widerstand R18 wird von der vorstehend erwähnten
Bezugsgleichspannung ein Teil an die Gate-Elektrode des Thyristors THY gegeben, um
dessen Ruhepotential gleichspannungsmäßig geringfügig, z.B. auf 150 mV, anzuheben.
Dabei ist zu betonen, daß dieses Anheben der bei gesperrtem Thyristor an seiner Gate-Elektrode
auftretenden Ruhespannung, die sonst im wesentlichen nur < mV ist, auf vorzugsweise
150 mV, das Betriebsverhalten des Thyristors nicht beeinflußt.
[0015] über einen Widerstand R14 ist die Gate-Elektrode mit Eingängen von Komparatoren CP1
und CP2 verbunden, um die jeweils an der Gate-Elektrode des Thyristors THY auftretende
Spannung an diese Vergleicher zu geben. Die anderen Eingänge dieser Vergleicher erhalten
eine Bezugsspannung von jeweils 50 mV und 380 mV. Diese Bezugsspannungen werden mit
Hilfe eines aus den Widerständen R10, R11 und R12 gebildeten Spannungsteilers aus
der genannten Bezugs-Gleichspannung abgeleitet. Eine mit den Eingängen der Komparatoren
verbundene Diode D7 schützt diese vor zu großen Eingangsspannungen. Die miteinander
verbundenen Ausgänge der Komparatoren CP1 und CP2 sind mit dem Kompensationsanschluß
9 des Impulsweiten-Modulators PWM verbunden, der in dieser Anwendung zum Abschalten
des Modulators vorzüglich zu benutzen ist.
[0016] Das in Fig. 1 dargestellte Zündgerät arbeitet wie folgt:
[0017] Wenn der Thyristor THY gesperrt und die Spannungsquelle eingeschaltet ist, wird am
Ausgang der Gleichrichter-Brücke D1 bis D4 eine Hochspannung von maximal 450 Volt
erzeugt, auf die der Zündkondensator C4 aufgeladen wird, wobei der Ladestrom vom positiven
Ausgang der Gleichrichterbrücke durch den Kondensator C4, die Zündspule SP und, parallel
zu diesem Weg, durch die Diode D9 und die Drosselspule DR zum negativen Ausgang der
Gleichrichterbrücke fließt. Die Hochspannung UC wird mit Hilfe des Spannungsteilers
R8, R9 und R4 auf einen Wert in der Größenordnung von 2,5 Volt heruntergeteilt, wobei
dieser Wert mit der am Komparator-Anschluß 2 des Impulsweiten-Modulators PWM anliegenden
Bezugsgleichspannung von 2,5 Volt verglichen wird. Der Impulsweiten-Modulator ist
dabei bestrebt, den Sperrwandler so zu steuern, daß auch der am Komparator-Anschluß
1 liegende Wert auf 2,5 Volt gebracht wird. Da der Widerstand R9 als Thermistor ausgebildet
und damit temperaturempfindlich ist, wird die Hochspannung UC nach Maßgabe der an
dem Thermistor R9 herrschenden Temperatur gesteuert. Wie dieses in Fig. 2 zu erkennen
ist, ändert sich die Hochspannung umgekehrt proportional zur Temperatur T. Je niedriger
also die Temperatur ist, umso höher wird die Hochspannung UC. Vorzugsweise wird der
Thermistor R9 der Temperatur des Zündgerätes selbst ausgesetzt, die durch die Verlustwärme
des Zündgerätes, aber auch durch die Umgebung desselben bestimmt ist. Bei kaltem Zündgerät
und damit auch kalter Brennkraftmaschine wird daher eine maximale Hochspannung UC
erzeugt, die durch die Zenerdiode Z1 begrenzt, einer Art "Kaltstart-Automatik" vergleichbar,
die Brennkraftmaschine mit Zündfunken größerem Energieinhalts versorgt. Das Zündgerät
ist dabei vorzugsweise so ausgelegt und angeordnet, daß es sich in etwa gleicher Weise
wie die warmlaufende Brennkraftmaschine erwärmt. Dadurch werden der Brennkraftmaschine
in ihrem kalten Zustand Zündfunken mit erhöhter Energie und Dauer zugeführt, um auch
zündunwillige Gemische sicher zu zünden. Erreicht die Brennkraftmaschine und damit
auch das Zündgerät ihre Betriebstemperaturen, so wird die Hochspannung UC entsprechend
vermindert, da dann Zündfunken geringerer Energie und Dauer ausreichen und das Zündgerät
nur mit der erforderlichen Leistung betrieben wird.
[0018] Der Thermistor R9 dient dabei gleichzeitig auch als überlastschutz für das Zündgerät,
da dieses sich bei hoher Leistungsaufnahme infolge der Verlustwärme stärker erhitzt,
wodurch die Hochspannung UC zurückgenommen und auch die Leistungsaufnahme durch das
Zündgerät begrenzt wird.
[0019] Wenn von dem mit dem Zündimpulsgenerator verbundenen Anschluß ein Zündimpuls an die
Komparatoren CP3 und CP4 gegeben wird, erscheint an den Ausgängen dieser Komparatoren
immer dann ein Impuls, wenn der Zündimpuls die BezugsGleichspannung von 5 Volt überschreitet.
Keinen echten Zündimpuls darstellende Zündimpulse, die z.B. durch Kontaktprellen eines
Unterbrecherkontaktes erzeugt sein können, werden durch die Schaltung Z2, R19 und
C6 unterdrückt. Ein echter Zündimpuls gelangt über den Kondensator C5 und die Diode
D8 an die Gate-Elektrode des Thyristors THY, um diesen leitend zu schalten. Bei leitendem
Thyristor wird der Zündkondensator C4 über die Zündspule SP entladen, wobei der in
Fig. 3 dargestellte negativ polarisierte Spannungsimpuls USP auftritt.
[0020] Über die aus der Diode D9, der Drosselspule DR und dem Widerstand R16 gebildete Schaltung
wird ein kleiner Teil des sehr kräftigen (bis 65 A!), von der Zündspule SP reflektierten
positiv polarisierten Rückimpulses, der dem negativ polarisierten Initialimpuls folgt,
abgeleitet, in seiner Amplitude von dem Widerstand R16 auf maximal etwa 40 Volt und
in seiner zeitlichen Länge von der Drosselspule DR auf ca. 40 us begrenzt. Bei der
Verwendung einer extrem niederohmigen Hochleistungs-Zündspule sollten die Drosselspule
DR einen Wert von vorzugsweise 20 pH, bei einem Gleichstromwiderstand von maximal
100 mOhm, und der Widerstand (R16) einen Wert von 600 mOhm haben.
[0021] Der vorstehend angegebene, aus dem Rückimpuls abgeleitete kleine Impuls UDR (vgl.
Fig. 3), stellt für seine Zeitdauer eine Spannungsquelle dar, die jetzt ihrerseits,
vom Zündspulenanschluß SP+ aus, kurzzeitig einen Aufladestromstoß durch den Kondensator
C4 und durch den Thyristor THY schickt. Beim Abklingen dieses kleinen Impulses liegt
der Zündkondensator C4 mit umgekehrt polarisierter, reduzierter Spannung an den Hauptelektroden
des Thyristors THY und bringt diesen beschleunigt aus seinem noch leitenden Zustand,
während der Hauptteil des Rückimpulses über die Diode D9 und den sehr niederohmigen
Gleichstom-Widerstand der Drosselspule DR in die Zündspule SP zurückgeführt wird und
hier den Zündfunken ohne Unterbrechung weiterbrennen läßt.
[0022] Beim Leitendwerden des Thyristors THY ändert sich auch die an seiner Gate-Elektrode
auftretende Spannung UG (vgl. Fig. 4), die an die Eingänge der Komparatoren CP1 und
CP2 gegeben wird. In Fig. 4 sind dabei mit gestrichelten Linien auch die beiden Bezugsspannungen
der beiden Komparatoren CP1 und CP2 angegeben, wobei die Bezugsspannung des ersten
Komparators CP2 oberhalb der in Fig. 4 ganz rechts dargestellten, bereits auf 150
mV angehobenen, Gate-Ruhespannung liegt, die bei gesperrtem bzw. nicht mehr ionisiertem
Thyristor auftritt. Die Bezugsspannung am zweiten Komparator CP1 liegt dagegen unterhalb
dieser Ruhespannung. Wie dieses aus Fig. 4 zu erkennen ist, geben die Komparatoren
CP1 und CP2 an ihren Ausgängen Signale ab, solange die an der Gate-Elektrode auftretende
Spannung die Bezugsspannungen über- oder unterschreitet. Dabei ist zu beachten, daß
der Thyristor THY auch dann noch leitend bzw. ionisiert ist, wenn der unterhalb der
zweiten Bezugsspannung liegende Impuls auftritt. Das heißt, auch in diesem Fall wird
der Thyristor sofort wieder voll Strom führen, wenn die Spannungsquelle eingeschaltet
würde.
[0023] Bei leitendem Thyristor THY gelangen die Ausgangssignale der Komparatoren CP1 und
CP2 an den Anschluß 9 des Impulsweiten-Modulators PWM, hier als Abschaltmöglichkeit
genutzt, der damit sofort gesperrt wird, wodurch wiederum sofort die Spannungsquelle
abgeschaltet wird, d.h. keine Hochspannung UC mehr erzeugt wird. Wie dieses aus den
Fig.1 und 4 zu erkennen ist, wird die normalerweise etwasweniger als 1 mV über Nullpotential
liegende Ruhespannung an der Gate-Elektrode des gesperrten Thyristors THY z.B. auf
150 mV angehoben, um auch den zweiten Komparator CP1 mit einer positiven Bezugsspannung
von z.B. 50 mV arbeiten lassen zu können. Diese Maßnahme ist nötig, weil der Komparator
CP1 von einer lediglich positiven Spannung gespeist wird und dadurch nicht in der
Lage ist, Spannungen, die nahe des Nullpotentials, oder gar negativ sind, zu vergleichen.
Das geringfügige Anheben der Ruhespannung an der Gate-Elektrode beeinflußt das Betriebsverhalten
des Thyristors THY in keiner Weise.
[0024] Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, stellt der zweite Komparator CP1 nach etwa 105 us
das Überschreiten der zweiten Bezugsspannung fest, ohne daß die erste Bezugsspannung
des ersten Komparators CP2 ebenfalls überschritten würde. Dieses bedeutet aber, daß
der Thyristor nicht länger ionisiert ist. Nach Wiedereinschaltung der Spannungsquelle
kann der Thyristor daher nur wieder leitend geschaltet werden, wenn er an seiner Gate-Elektrode
mit einem ausreichend großen Ansteuerimpuls, d.h. einem echten Zündimpuls, angesteuert
wird.
[0025] Unmittelbar nach der Entionisierung des Thyristors THY verschwindet daher das Ausgangssignal
am Kompensationsanschluß 9 des Impulsweiten-Modulators PWM, wodurch die Spannungsquelle
erneut eingeschaltet wird und damit der Zündkondensator C4 wieder aufgeladen werden
kann. Die vorstehend angegebene, kürzestmögliche Abschaltzeit von nur etwa 105 us
ist auch in Fig. 2 eingetragen und bezieht sich auf die Maximalspannung von UC. Mit
geringerer Spannung UC verkürzt sich die Abschaltzeit der Spannungsquelle um etwa
5 ps auf etwa 100 µs bei der Minimalspannung von UC. Bei steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine
steigt selbstverständlich auch die Zündfrequenz an, wodurch die Aufladezeiten für
den Zündkondensator C4 immer kürzer werden. Dieser Sachverhalt ist ebenfalls in Fig.
2 angegeben, so daß sich dann die am Zündkondensator C4 auftretende Hochspannung UC
umgekehrt proportional zur Zündfrequenz verringert. Andererseits ist aber auch eine
derart kleiner werdende Ladespannung am Zündkondensator C4 für eine sichere Zündung
des Gemisches der Brennkraftmaschine immer noch groß genug, da bei hohen und höchsten
Drehzahlen der Brennkraftmaschine und damit stark verkürzter Verweildauer der Kolben
im oberen Totpunktbereich, auch ein entsprechend energieärmerer und wiederum damit
kürzerer Zündfunke zur Zündung des Gemisches immer noch ausreicht. Da andererseits
aber die Abschaltzeit der Spannungsquelle durch die unmittelbare Überwachung der an
der Gate-Elektrode auftretenden Spannung und das beschleunigte Entionisieren bzw.
Sperren des Thyristors so kurz wie möglich ist, ist selbst bei höchsten Drehzahlen
die für die Aufladung des Zündkondensators C4 zur Verfügung stehende Ladezeit immer
noch maximal.
[0026] Durch die Gate-überwachung durch Komparatoren, sowie durch den aus dem Rückimpuls
abgeleiteten kleinen positiven Impuls UDR, der bei seinem Abklingen die Spannung UA,
THY (vgl. Fig. 5) an der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors umpolt und diesen
dadurch beschleunigt entionisiert bzw. abschaltet, kann eine maximale Zündfrequenz
bis über 1 kHz erreicht werden. Wobei zu erwähnen sei, daß 800 Hz bei einem Viertakt-Otto-Motor
mit acht Zylindern einer Drehzahl von 12.000 Umin
-1 entspricht. Ferner sei erwähnt, daß in Verbindung mit einer modernen, handelsüblichen
Hochleistungs-Zündspule als Zündtransformator bei Maximalspannung UC eine Zündfunkenbrenndauer
von effektiv 300 us erreicht werden. Mit anderen handelsüblichen höherohmigen Zündspulen
werden bei verminderter Anstiegssteilheit der Spannung USP (vgl. Fig. 3), 600 bis
700 us effektiver Funkenbrenndauer erreicht.
[0027] Aus den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Oszillogrammen der an der Gate-Elektrode des
Thyristors liegenden Spannung U
G sowie der über der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors gemessenen Spannung U
A, THY ist besonders deutlich der zeitliche und amplitudenmäßige Zusammenhang zwischen
diesen beiden Spannungen zu erkennen. Figur 5 zeigt dabei als ein "lupenartiger Ausschnitt"
einen Teil des sehr steilen Spannungsabfalls bei leitend werdendem Thyristor. Gleichzeitig
fällt auch die an der Gate-Elektrode auftretende Spannung steil bis auf unter Nullpotential
ab. Da zu diesem Zeitpunkt der Thyristor aber den aus dem Rückimpuls abgeleiteten
kleinen Impuls dann erhält, steigt die Spannung an der Anoden-Kathoden-Strecke des
Thyristors nochmals geringfügig und kurzfristig an, wonach sie dann in ihrer Polarität
sich umkehrt und zur beschleunigten Entionisierung bzw. zum beschleunigten Sperren
des Thyristors führt. Gleichzeitig sinkt auch die an der Gate-Elektrode auftretende
Spannung unter Nullpotential ab. Diese Spannung klingt dann in der in Fig. 4 gezeigten
Weise auf die dort ganz rechts gezeigte Gate-Ruhespannung ab. Wie angegeben, wird
diese Ruhespannung nach einer Zeitdauer von etwa 110 µs erreicht. Wie bereits vorstehend
erläutert wurde, verschwinden dann die Ausgangssignale an den Ausgängen der Komparatoren
CP1 und CP2, wodurch wiederum der Impulsweiten-Modulator PWM und damit auch die Spannungsquelle
erneut eingeschaltet werden.
[0028] Aus den vorstehend näher erläuterten Oszillogrammen der Fig. 4 und 5 ist damit sehr
deutlich zu erkennen, daß die an der Gate-Elektrode des Thyristors jeweils auftretende
Spannung ein exaktes Abbild des jeweiligen Betriebszustandes des Thyristors ist.
[0029] Obwohl bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Zündgerätes jeweils zwei
Komparatoren CP3, CP4 für die Ansteuerung des Thyristors THY vorgesehen sind, kann
auch nur ein einziger zur Ansteuerung benutzt werden. Die Verwendung von zwei parallel
geschalteten Komparatoren erhöht die Stärke des Ansteuerimpulses bzw. entlastet den
einzelnen Komparator-Ausgangstransistor und bietet sich ferner an, da ohnehin eine
vielverbreitete Form als Vierfach-Komparator handelsüblich ist, der beim gezeigten
Ausführungsbeispiel die Komparatoren CP1 bis CP4 enthält.
1. Hochspannungs-Kondensator-Zündgerät für Brennkraftmaschinen mit einer im Rhythmus
der Zündimpulse abschaltbaren Spannungsquelle, die als Tonfrequenz-Gegentakt-Sperrwandler
ausgebildet ist, der von einem Impulsweiten-Modulator gesteuert ist und eine einen
Zündkondensator aufladende Hochspannung aus einer Bordnetz-Niederspannung erzeugt,
und mit einem den Zündkondensator über eine Zündspule entladenden Thyristor, der an
seiner Gate-Elektrode von den Zündimpulsen angesteuert und durch Abschaltung der Spannungsquelle
gesperrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Komparator (CP1, CP2) die
an der Gate-Elektrode auftretende Spannung als Parameter des Betriebs-Zustandes des
Thyristors (THY) unmittelbar überwacht und ein die Spannungsquelle abschaltendes Ausgangssignal
nur so lange erzeugt, wie sich der Thyristor (THY) in seinem leitenden Zustand befindet,
und daß der Primärwicklung der Zündspule (SP) eine Schaltung (D9, R16, DR) zugeordnet
ist, mit der aus dem Rückimpuls der Zündspule (SP) ein den Thyristor (THY) beschleunigt
sperrender Impuls ableitbar ist.
2. Hochspannungs-Kondensator-Zündgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltung eine aus einer Diode (D9) und einer Parallelschaltung aus einem Widerstand
(R16) und einer Drosselspule (DR) gebildete Reihenschaltung ist, die der Primärwicklung
der Zündspule (SP) parallel geschaltet ist.
3. Zündgerät nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Bezugsspannung
des einen Komparators (CP2) größer als die an der Gate-Elektrode bei gesperrtem Thyristor
(THY) auftretende Ruhespannung ist und daß dieser Komparator (CP2) das die Spannungsquelle
abschaltende Signal immer dann erzeugt, wenn die an der Gate-Elektrode auftretende
Spannung größer als die Bezugsspannung ist.
4. Zündgerät nach einem derAnsprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Bezugsspannung
eines zweiten Komparators (CP1) kleiner als die an der Gate-Elektrode bei gesperrtem
Thyristor (THY) auftretende Ruhespannung ist und daß dieser zweite Komparator (CP1)
das die Spannungsquelle abschaltende Ausgangssignal immer dann erzeugt, wenn die an
der Gate-Elektrode auftretende Spannung kleiner als die Bezugsspannung ist.
5. Zündgerät nach Anspruch 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Gate-Elektrode des
Thyristors (THY) über einen Widerstand (R18) an einer Bezugsspannung (5 V) liegt,
um die Ruhespannung geringfügig über das Nullpotential, vorzugsweise 150 mV, anzuheben,
damit der, von einer lediglich positiven Spannung gespeiste, zweite Komparator ein
Unterschreiten dieser Gate-Ruhespannung feststellen kann.
6. Zündgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode
des Thyristors (THY) über mindestens einen weiteren Komparator (CP3, CP4) angesteuert
wird, der an seinem anderen Eingang eine Bezugsgleichspannung (5V) erhält.
7. Zündgerät nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, daß der mindestens eine weitere
Komparator (CP3, CP4) über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (R19) und einer
Diode (D10) von Zündimpulsen angesteuert ist, wobei der eine Anschluß des Widerstandes
(R19) über einen Kondensator (C6) und der andere Anschluß des Widerstandes (R19) über
eine Zenerdiode (Z2) mit Masse verbunden ist, wodurch ein ungewolltes Zünden, z.B.
durch Kontaktprellen eines Unterbrechers, unterbunden wird.
8. Zündgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsweiten-Modulator
(PWM) die an den Zündkondensator (C4) von der Spannungsquelle abgegebene Hochspannung
(UC) auf einen der Temperatur entsprechenden Wert begrenzt und konstant hält.
9. Zündgerät nach Anspruch 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß an Komparator-Anschlüssen
(1, 2) des Impulsweiten-Modulators (PWM) ein Thermistor (R9 NTC)' derart angeschlossen
ist, daß die von der Spannungsquelle abgegebene Hochspannung (UC) umgekehrt proportional
zur Temperatur des Thermistors gesteuert wird.
10. Zündgerät nach Anspruch 9, dadurch gekenn- zeichnet, daß die vom Thermistor (R9
NTC) gemessene Temperatur den Betriebsdaten einer Brennkraftmaschine angepaßt ist,
indem die Erwärmung des Zündgerätes, z.B. infolge seiner Verlustwärme, als Bezugsgröße
dient.
11. Zündgerät nach Anspruch 10, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Thermistor (R9 NTC)
einen thermischen überlastschutz für das Zündgerät bildet.
12. Zündgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß dem
Thermistor (R9 NTC) eine Zenerdiode (Z1) parallel geschaltet ist, die die Hochspannung
(UC) auf einen Maximalwert begrenzt.