(19)
(11) EP 0 218 029 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
15.04.1987  Patentblatt  1987/16

(21) Anmeldenummer: 86110629.2

(22) Anmeldetag:  31.07.1986
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)4F02P 3/08, F02P 15/12
(84) Benannte Vertragsstaaten:
DE FR GB IT

(30) Priorität: 03.10.1985 DE 3535365

(71) Anmelder: Niggemeyer, Gert Günther
D-2110 Buchholz i.d.N. (DE)

(72) Erfinder:
  • Niggemeyer, Gert Günther
    D-2110 Buchholz i.d.N. (DE)

(74) Vertreter: Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser Anwaltssozietät 
Maximilianstrasse 58
80538 München
80538 München (DE)


(56) Entgegenhaltungen: : 
   
       


    (54) Hochspannungs-Kondensator-Zündgerät für Brennkraftmaschinen


    (57) Hochspannungs-Kondensator-Zündgerät für Brennkraftmaschinen mit einer im Rhythmus der Zündimpulse abschaltbaren Spannungsquelle, die als Tonfrequenz-Gegentakt-Sperrwandler ausgebildet ist, der von einem lmpulsweiten-Modulator angesteuert 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. Mindestens ein Komparator (CP1, CP2) erhält die an der Gate-Elektrode auftretende Spannung als Parameter des Betriebszustandes des Thyristors (THY) unmittelbar, vergleicht sie mit einer Bezugsspannung und erzeugt ein die Spannungsquelle abschaltendes Ausgangssignal nur so lange, wie sich der Thyristor (THY) in seinem leitenden Zustand befindet. Die Primärwicklung der Zündspule (SP) ist mit einer Reihenschaltung überbrückt, die ihrerseits aus einer Diode (D9) und der Parallelschaltung aus einer Drosselspule (DR) und einem Widerstand (R16) gebildet ist.




    Beschreibung


    [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 UG sowie der über der Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors gemessenen Spannung UA, 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.


    Ansprüche

    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.
     




    Zeichnung













    Recherchenbericht