Transistor-Schaltungsanordnung zur Speisung eines Verbrauchers mit Arbeitsimpulsen konstanter
Stromstärke
Der Patentanspruch I des Hauptpatentes betrifft eine Transistor-Schaltungsanordnung zur Speisung eines Verbrauchers mit Arbeitsimpulsen konstanter Stromstärke, bei welcher der Verbraucher, die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors und die Primärwicklung eines Rückkoppelgliedes in Reihe an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, ein Steuerimpulserzeuger über eine mit der Basis des Schalttransistors verbundene Steuerwicklung des Rückkoppelgliedes den Schalttransistor für jeden Arbeitsimpuls aufsteuert und Schaltglieder vorhanden sind, durch die der Schalttransistor jedesmal gesperrt wird, wenn der die Reihenschaltung durchfliessende Strom auf eine bestimmte Stärke angestiegen ist,
und die sich gegenüber früher bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art dadurch auszeichnet, dass im Basisstromkreis des Schalttransistors ein Steuer-Thyristor und für diesen eine ein passives Halbleiter-Bauelement als temperaturabhängiger Widerstand enthaltende Zündschaltung angeordnet sind, wobei der Steuer-Thyristor jeweils bei einer durch die Widerstandsparameter der Zündschaltung bestimmten Stärke des Kollektorstromes aufgeschaltet und der Schalttransistor über das Rückkoppelglied gesperrt wird.
Wie im Hauptpatent ferner ausgeführt ist, wird die Transistor-Schaltungsanordnung mit Vorteil zur Steuerung der Kraftstoffverbrennung bei einem Verbrennungsmotor mit durch einen Steuergeber gesteuerter Zündung verwendet, wobei zur Erzeugung von Auftast-Steuerimpulsen für den Schalttransistor das Rückkoppelglied mit einem durch den Steuergeber gesteuerten Steuer-Impulserzeuger verbunden und die die Kollektor-Emitter-Strecke und den Verbraucher enthaltende Reihenschaltung über einen Zündschalter an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.
Bei der Steuerung der Kraftstoffverbrennung ist die Erzeugung von Zündfunken wesentlich, wozu meist ein Speicherkondensator bei einer ersten Stellung des Steuergebers über einen Ladegleichrichter durch die Sekundärwicklung eines Ladetransformators aufgeladen und in einer zweiten Stellung des Steuergebers mittels eines Zünd-Thyristors durch die Primärwicklung eines Zündtransformators entladen wird.
Um mit der Transistor-Schaltungsanordnung die Erzeugung der Zündfunken zu steuern, kann die Primärwicklung des Ladetransformators als induktiver Verbraucher in die die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors und die Hauptwicklung des Rückkoppelgliedes enthaltende Reihenschaltung geschaltet und der Steuerimpulserzeuger mit dem Rückkoppelglied und mit dem Zünd-Thyristor verbunden werden, um immer dann einen Auftast-Steuerimpuls für den Schalttransistor und einen Zündimpuls für den Zünd-Thyristor zu erhalten, wenn der Steuergeber in seine zweite Stellung gelangt.
Es hat sich gezeigt, dass beim Betrieb der im Hauptpatent dargelegten Transistor-Schaltungsanordnung in ungünstig gelagerten Fällen Schwierigkeiten auftreten, z. B. wenn der Verbraucherstromkreis temperaturempfindliche Schaltglieder enthält und die Schaltungsanordnung erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Wurde die Transistor-Schaltungsanordnung zur Steuerung der Zündfunkenerzeugung bei einem Verbrennungsmotor verwendet, so ergab sich demzufolge eine unbefriedigende Anpassung der Zündfunkenenergie, sobald der Motor bei tiefen Aussentemperaturen gestartet werden sollte.
Zweck der Erfindung ist, die Transistor-Schaltungsanordnung nach dem Hauptpatent so zu verbessern, dass diese Mängel nicht mehr auftreten und ein störungsfreier Dauerbetrieb auch bei grösseren Temperaturschwankungen gewährleistet ist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Zündschaltung des Steuer-Thyristors an dessen Anode und Steuerelektrode und/oder an dessen Kathode und Steuerelektrode angeschlossene ohm'sche Widerstände enthält, von welchen mindestens einer auf unterschiedliche Widerstandswerte einstellbar ist, und dass die Wicklungen des Rückkoppelgliedes auf einem Eisenkern angeordnet sind, wobei das Rückkoppelglied so dimensioniert ist, um seinen Eisenkern bei der maximalen Stärke des seine Hauptwicklung durchfliessenden Stromes nicht zu sättigen.
Der auf den unterschiedlichen Widerstandswert einstellbare Einstellwiderstand kann Teil eines Messwertgebers für eine zusätzliche Einflussgrösse sein, um die jeweilige Stromstärke der Arbeitsimpulse in Abhängigkeit von dieser zusätzlichen Einflussgrösse einzustellen.
Bei einer solchen Ausbildung der Zündschaltung für den Steuer-Thyristor kann die Transistor-Schaltungsanordnung auch zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung mittels eines elektromagnetisch betätigbaren Reglers verwendet werden, wobei eine Erregerwicklung des elektromagnetisch betätigbaren Reglers vorzugsweise in den den Zünd-Thyristor enthaltenden Entladestromkreis des Speicherkondensators geschaltet wird und die Zündschaltung des Steuer-Thyristors ausser dem temperaturabhängigen Widerstand einen druckabhängigen Widerstand und/oder einen feuchtigkeitsabhängigen Widerstand enthalten kann, die beide durch ein Druckmessgerät bzw. ein Feuchtigkeits-Messgerät veränderliche Widerstände sein können.
Wird die Transistor-Schaltungsanordnung zur Steuerung der Zündfunkenerzeugung verwendet, so enthält die Zündschaltung des Steuer-Thyristors vorzugsweise einen von Hand einstellbaren Arbeitswiderstand, durch den die Widerstandswerte der Zündschaltung so eingestellt werden können, dass die über eine Regulierung des in der Primärwicklung des Ladetransformators fliessenden Stromes eine Aufladung des Speicherkondensators auf 480 Volt bei -20 oC, auf 380 Volt bei + 20 oC und auf 360 Volt bei + 1100 gewährleistet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles für eine sowohl zur Steuerung der Zündfunkenerzeugung als auch zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor verwendbare Transistor-Schaltungsanordnung ausführlich erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch ein Schaltbild dieser beispielsweisen Schaltungsanordnung, wobei im linken Teil der Zeichnung ebenfalls schematisch unter I eine Einrichtung zur Zündfunkenerzeugung und unter II ein elektromagnetisch betätigbares Regelglied einer Einspritzeinrichtung dargestellt sind, die wahlweise an die Transistor-Schaltungsanordnung angeschlossen werden können.
Die in der Zeichnung gezeigte Schaltungsanordnung weist drei Schaltungsteile auf: einen ersten Schaltungsteil SA, der als Zwischenverbraucher bezeichnet werden kann, einen zweiten Schaltungsteil SB, der als Transistor-Schaltungsanordnung nach der Erfindung den ersten Schaltungsteil SA mit Stromimpulsen konstanter Stärke versorgen soll, und einen dritten Schaltungsteil SC, den Steuer-Impulserzeuger, welcher an die beiden Schaltungsteile SA und SB Steuer-Impulse liefert.
Der erste Schaltungsteil SA enthält einen Ladetransformator 1, dessen Eisenkern eine Primärwicklung la und eine Sekundärwicklung 1b trägt und der als induktiver Speicher verwendet wird. Das eine Ende der Sekundärwicklung des Ladetransformators 1 ist an einen Erdungsleiter 9 angeschlossen, der an Masse liegt. Das andere Ende der Sekundärwicklung Ib ist über eine Ladediode D5 mit dem einen Anschluss eines Speicherkondensators C verbunden. Statt eines einzigen Speicherkondensators können auch zwei parallel geschaltete Kondensatoren verwendet werden, wie es in der Zeichnung gezeigt ist.
Der Verbindungspunkt zwischen Ladediode D5 und Speicherkondensator C3 ist an zwei Anschlussklemmen b und h angeschlossen und auch der Verbindungspunkt zwischen Lade diode D5 und Sekundärwicklung 1b ist mit einer Anschlussklemme c verbunden. Der andere Anschluss des Speicherkondensators C3 ist über eine Diode D4 mit dem Erdungsleiter 9 verbunden und der Verbindungspunkt zwischen Speicherkondensator und Diode D4 ist an eine Anschlussklemme a angeschlossen. Desweiteren enthält der erste Schaltungsteil SA einen Zünd-Thyristor 6, dessen Anode Ao an eine Anschlussklemme g angeschlossen ist und dessen Kathode K5 mit dem Erdungsleiter 9 verbunden ist. Die Steuerelektrode G6 des Zünd-Thyristors 6 ist durch einen Leiter 10 mit einer Ausgangsklemme 11 des Steuer-Impulserzeugers SC verbunden.
Wird die Schaltungsanordnung zur Steuerung der Zündfunkenerzeugung verwendet, so wird an die Anschlussklemme a das nichtgeerdete Ende der Primärwicklung 7a des Zündtransformators 7 angeschlossen und die beiden Anschlussklemmen g und h werden miteinander verbunden, so dass die Anode As des Zünd-Thyristors 6 direkt mit dem Verbindungspunkt zwischen Ladediode D5 und Speicherkondensator C3 verbunden ist. Wie üblich, führt das eine Ende der Sekundärwicklung 7b des Zündtransformators 7 über den, in der Zeichnung nicht dargestellten Verteiler zu den Zündkerzen, von welchen nur eine als Funkenstrecke F in der Zeichnung gezeigt ist. Das andere Ende der Sekundärwicklung 7b liegt an Masse. An Masse einerseits und an die Anschlussklemme c andererseits kann ein hochohmiger Drehzahlmesser 12 angeschlossen werden.
Der Zündtransformator 7 mit dem anschluss a', die Kurzschlussverbindung g', h' und der hochohmige Drehzahlmesser 12 mit dem Anschluss c' sind in der Zeichnung als Zündfunkenerzeuger I zusammengefasst, der durch eine Einrichtung II ersetzt werden kann, wenn die Schaltungsanordnung SA, SB, SC zur Regelung der Kraft stoffeinspritzung mittels eines elektromagnetisch betätigbaren Reglers verwendet werden soll. Rein zur Erläuterung ist in der Zeichnung ein Regelglied 13 gezeigt, bei dem ein Kolben 15 unter Wirkung einer Schraubenfeder 17 eine Kraftstoffleitung 14 abschliesst. Der Kolben 15 trägt einen in eine Magnetspule 7c eintauchenden Schaft 16, so dass bei Stromfluss durch die Magnetspule 7c der Kolbenschaft 16 in die Magnetspule 7c hineingezogen wird und der Kolben 15 die Kraftstoffleitung 14 freigibt.
Die beiden Enden g", h" der Magnetspule 7c werden dann an die beiden Anschlüsse g und h des Schaltungsteiles SA angeschlossen, so dass die Anode As des Zünd Thyristors 6 über die Magnetspule 7c mit dem Verbindungspunkt zwischen Speicherkondensator C3 und Ladediode D verbunden ist.
Die Anschlussklemme b des Schaltungsteiles SA wird lediglich bei der Kontrolle der Schaltungsanordnung benutzt und dient zum Anschliessen von Prüfgeräten.
Die Transistor-Schaltungsanordnung SB enthält einen npn Schalttransistor T, dessen Kollektor über die Primärwicklung la des Ladetransformators 1, eine Anschlussklemme d und dem Zündschalter Z mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle Bt, d. h. der Fahrzeugbatterie verbunden ist. Der Emitter E des Schalttransistors T ist über die Hauptwicklung 2a eines Rückkoppelgliedes 2 und die Leitung 9 mit dem Minuspol der Gleichstromquelle verbunden. Das Rückkoppelglied 2 besitzt zwei Steuerwicklungen 2b, 2c. Das eine Ende der ersten Steuerwicklung 2b ist an den Emitter E des Schalttransistors angeschlossen und durch einen Widerstand R, mit der Basis B desselben verbunden. Das andere Ende der ersten Steuerwicklung 2b ist an die Basis B angeschlossen. Die zweite Steuerwicklung 2c ist an den dritten Schaltungsteil SC angeschlossen.
Wie im Hauptpatent ausführlicher beschrieben, dient der dritte Schaltungsteil SC, der Steuer-Impulserzeuger, dazu, jedesmal wenn sich die Kontakte 3a, 3b des Unterbrechers U öffnen, an die zweite Steuerwicklung 2c des Rückkoppelgliedes 2 einen verhältnismässig schwachen Auftast-Steuerimpuls und an den Zünd-Thyristor 6 einen ausreichend starken Zünd-Impuls abzugeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Auftast-Steuerimpuls durch Entladen eines Steuerkondensators C, durch die zweite Steuerwicklung 2c erzeugt. Das Aufladen des Steuerkondensators C, erfolgt durch die Primärwicklung la des Ladetransformators 1. Das Laden und Entladen des Steuerkondensators C, wird durch einen elektronischen Schalter SC' gesteuert, der seinerseits durch den Unterbrecher U gesteuert ist.
Beim Entladen des Steuerkondensators C, durch die zweite Steuerwicklung 2c wird in der zweiten Steuerwicklung 2b eine Spannung induziert, durch die der Schalttransistor T etwas aufgesteuert wird, so dass durch die Hauptwicklung 2a des Rückkoppelgliedes 2 Strom zu fliessen beginnt. Durch die dann einsetzende Rückkopplung wird der Schalttransistor T in kürzester Zeit völlig aufgeschaltet. Es hat sich gezeigt, dass die Ausbildung des Rückkoppelgliedes für einen einwandfreien Betrieb der Transistor-Schaltungsanordnung von besonderer Bedeutung ist, wobei die Windungszahlen der einzelnen Wicklungen 2a, 2b, 2c mitentscheidend für ein befriedigendes Arbeiten der Schaltungsanordnung sind.
Sehr gute Ergebnisse wurden erreicht, wenn sich die Windungszahlen der Hauptwicklung 2a, der ersten Steuerwicklung 2b und der zweiten Steuerwicklung 2c wie 1:3,5:1,5 verhielten. Um eine geringe Grösse des Rückkoppelgliedes 2 zu erhalten, werden die Wicklungen zweckmässig auf einem Eisenkern 2d angeordnet. Die Wicklungen und der Eisenkern 2d müssen hierbei jedoch so dimensioniert werden, dass bei den in den Wicklungen fliessenden Strömen der Eisenkern nicht gesättigt wird. Bewährt hat sich ein Rückkoppelglied, bei dem die Hauptwicklung 2a 20 Windungen, und dem verlangten Windungszahlenverhältnis entsprechend die erste Steuerwicklung 70 Windungen und die zweite Steuerwicklung 2c 30 Windungen hat und bei dem der Eisenquerschnitt ungefähr 0,5 cm2beträgt.
Hat der die aus der Primärwicklung la des Ladetransformators 1, der Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors T und der Hauptwicklung 2a des Rückkoppelgliedes 2 bestehende Reihenschaltung durchfliessende Strom eine bestimmte Stärke erreicht, so soll der Schalttransistor sperren. Das Sperren des Schalttransistors T erfolgt, wie im Hauptpatent dargelegt, durch einen Steuer-Thyristor 4, der zwischen Basis B des Schalttransistors T und Masse geschaltet ist, so dass durch Zünden des Steuer-Thyristors 4 das Basispotential zunächst verringert wird und damit der die Hauptwicklung 2a durchfliessende Strom abnimmt. Das völlige Sperren des Schalttransistors besorgt dann das Rückkoppelglied 2.
Zum Zünden des Steuer-Thyristors 4 enthält die Schaltungsanordnung SB eine Zündschaltung ZS. Bei dem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in der Zündschaltung ZS die Steuerelektrode G4 des Steuer-Thyristors 4 durch einen Arbeitswiderstand Rh mit der Anode und durch einen temperaturabhängigen Widerstand 8, vorzugsweise einen Heissleiter, mit der Kathode des Steuer-Thyristors verbunden, so dass sich ein Spannungsteiler ergibt, durch dessen Widerstandswerte der Zündeinsatz des Steuer-Thyristors und damit die jeweilige Stromstärke des die Primärwicklung la des Ladetransformators 1 durchfliessenden Stromes bestimmt ist.
Bei gegebenem Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes 8 kann die maximale Stärke des die Primärwicklung la durchfliessenden Stromes, d. h. die Stromstärke der Arbeitsimpulse, durch Wahl eines entsprechenden Widerstandswertes für ohm's.chen Arbeitswiderstand R5 eingestellt werden. Es ist zweckmässig als Arbeitswiderstand R5 zwei parallel geschaltete und von Hand einstellbare Widerstände zu verwenden, so dass die Schaltungsanordnung nach Anschliessen eines Prüfgerätes an die Anschlussklemme b schnell und genau den jeweiligen Erfordernissen entsprechend eingestellt werden kann.
Die Kompensation der durch Temperaturschwankungen bedingten Fehler erfolgt durch den temperaturabhängigen Widerstand 8. Enthält der Verbraucherkreis ein temperaturempfindliches Schaltglied, beispielsweise, wie im vorliegenden Falle einen Kondensator (Speicherkondensator ·), dessen Kapazität sich mit der Temperatur ändert, so können die durch dieses Glied bedingten Fehler leicht durch Wahl eines eine entsprechende Charakteristik aufweisenden temperaturabhängigen Widerstandes beseitigt werden.
Um bei einem Verbrennungsmotor ein sicheres Starten und ruhiges Laufen zu gewährleisten soll die Zündleistung bei kaltem Motor gross sein und mit steigender Temperatur abnehmen. Werden die Zündfunken durch Kondensatorentladungen erzeugt, so ist für die Zündleistung jeweils die im Speicherkondensator C3 gespeicherte Energie massgebend.
bleiche Kondensatoren weisen im allgemeinen einen positiven Temperaturkoeffizienten für die Kapazität auf, so dass der Speicherkondensator C3 bei kaltem Motor auf eine höhere Spannung aufgeladen werden muss als bei warmem Motor, um die gewünschte Zündleistungscharakteristik zu erhalten. Die Ladespannung des Speicherkondensators C3 ist über den Ladetransformator 1 durch die maximale Stromstärke des die Primärwicklung la durchfliessenden Stromimpulses bestimmt, die durch den temperaturabhängigen Widerstand 8 geregelt wird.
Zur Einstellung einer gewünschten Regelcharakteristik wird zweckmässig dem temperaturabhängigen Widerstand 8 ein ohm'scher Widerstand R9 parallel geschaltet, und bei Verwendung der Schaltungsanordnung zur Steuerung der Zündfunkenerzeugung bei einem Verbrennungsmotor, werden die Widerstandswerte der in der Zündschaltung ZS für den Steuer-Thyristor so gewählt, dass der Speicherkondensator C3 bei -20 oC auf 480 Volt, bei + 20 oC auf 380 Volt und bei + 110o auf 360 Volt aufgeladen wird.
Bei einem Speicherkondensator von ungefähr 1 U F Kapazität und einem Ladetransformator 1, dessen Primärwicklung la 40 Windungen und dessen Sekundärwicklung 1b 500 Windungen hat und bei dem der Eisenquerschnitt ungefähr 3,6 cm2 beträgt, wird einem Heissleiter mit 1,5 Kiloohm bei + 25 oC ein ohm'scher Widerstand von höchstens 100 Ohm parallel geschaltet und als Arbeitswiderstand R6 werden zwei parallel geschaltete Widerstände von 2,2 Kiloohm und 330 Ohm gewählt. Bei einer solchen Dimensionierung ist die Schaltungsanordnung für die meisten Personenkraftwagen gut geeignet und kann durch geringfügige Änderungen in den Widerstandswerten jeweils leicht optimal eingestellt werden.
In der Zeichnung ist der Widerstand R9 durch eine strichlierte Linie umrahmt und mit I bezeichnet, um anzudeuten, dass dieser Widerstand R5 dem temperaturabhängigen Widerstand 8 parallel geschaltet wird, wenn an die Schaltungsanordnung die ebenfalls mit I bezeichnete und den Zündtransformator 7 enthaltende Schaltung angeschlossen wird, wie es bereits vorstehend beschrieben worden ist.
Zur Erzielung eines stets optimalen Wirkungsgrades wird einem Verbrennungsmotor der Kraftstoff durch eine Einspritzvorrichtung zugeführt. Die eingespritzte Kraftstoffmenge muss hierbei der angesaugten Luftmenge möglichst genau angepasst werden, wobei Lufttemperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit mit zu berücksichtigen sind. Diese zusätzlichen Einflussgrössen müssen dem Regelvorgang der Kraftstoffeinspritzung überlagert werden, wenn eine tatsächlich optimale Kraftstoffzufuhr erreicht werden soll.
Die vorstehend beschriebene Transistor-Schaltungsanordnung ist hierzu verwendbar. An die Anschlussklemmen g, h wird dann, wie bereits dargelegt, das elektromagnetisch betätigbare Regelglied 13 für die Kraftstoffzufuhr angeschlossen, so dass sich beim Zünden des Zünd-Thyristors 6 der Speicherkondensator C3 durch die Wicklung 7c entlädt und je nach der im Speicherkondensator gespeicherten Energie der Durchfluss durch die Kraftstoffleitung mehr oder weniger freigegeben wird. Um die Kraftstoffzufuhr auch luftdruck- und feuchtigkeitsabhängig zu machen, erhält die Zündschaltung ZS für den Steuer-Thyristor 4 ausser dem temperaturabhängigen Widerstand 8 noch einen druckabhängigen und einen feuchtigkeitsabhängigen Widerstand 20 bzw. 21, die anstelle oder zusätzlich zum Widerstand R9 dem temperaturabhängigen Widerstand 8 parallel geschaltet werden.
Je nach Verwendung der
Schaltungsanordnung wird demnach an die Anschlüsse 18, 19 der Zündschaltung ZS entweder der Widerstand R2 (Block I) oder die Widerstandsanordnung 20, 21 (Block II) angeschlossen.
Als druckabhängiger Widerstand kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen oder ein elastischer Widerstand benutzt werden, der mechanisch mit einem Druckmesser, z. B.
einer Druck-Messdose verbunden ist. Als feuchtigkeitsabhängiger Widerstand kann eine ähnliche Anordnung verwendet werden, die an Stelle eines Druckmessers ein feuchtigkeitsempfindliches Organ enthält. Es ist ersichtlich, dass die Transistor-Schaltungsanordnung ohne wesentliche Änderungen je nach Bedarf zur Steuerung der Zündfunkenerzeugung oder zur Regelung der Kraftstoffeinspritzung verwendet werden kann. Die Einrichtungen können daher wirtschaftlich und preisgünstig hergestellt werden, so dass ein Kraftfahrzeug mit beiden ausgerüstet werden kann, wodurch dann ein in jeder Hinsicht optimal geregelter Verbrennungsablauf sichergestellt ist.