DE3722666A1

DE3722666A1 - Hochspannungsschalter

Info

Publication number: DE3722666A1
Application number: DE19873722666
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Herden; Johann Dipl Phys Dr Konrad; Helmut Dipl Phys Dr Sautter; Wadym Dipl Ing Dr Suchowerskyj
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1987-07-09
Filing date: 1987-07-09
Publication date: 1989-01-19
Also published as: WO1989000645A1; EP0371033A1; JPH02504055A; ES2008552A6; US5109829A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Hochspannungsschalter nach der Gat tung des Anspruchs 1. Es sind Zündverteileranordnungen bekannt, die als sogenannte ruhende Hochspannungsverteiler ausgebildet sind und keine beweglichen Teile besitzen. Diese bekannten Anordnungen ver wenden für jede anzusteuernde Zündkerze Halbleiterelemente, denen jeweils eine Zündspule zugeordnet ist. Diese Schaltungen sind ver hältnismäßig aufwendig und insbesondere wegen der mehrfach benötig ten Zündspulen teuer in der Herstellung.

Ferner ist es bekannt, bei einem Hochspannungsschalter jedes Halb leiterelement durch eine eigene Diode anzusteuern. Dabei ist eine große Anzahl von Bauelementen notwendig, so daß dieser Hochspan nungsverteiler relativ teuer baut.

Vorteile der Erfindung

Ein Hochspannungsschalter der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß le diglich nur eine Zündspule und nur eine Zündungsendstufe für sämt liche Zündkerzen erforderlich ist. Die in Kaskaden angeordneten Halbleiterelemente, die vorzugsweise als Hochspannungsphototransi storen oder -photothyristoren oder Photo-IC′s ausgebildet sind, wer den durch Lichteinstrahlung betätigt, d.h. daß die Halbleiterelemen te bei Bestrahlung mit Licht durchschalten und dadurch die von der Zündspule gelieferten Zündimpulse an die nachgeschaltete Zündkerze anlegen. Sehr gute Ergebnisse konnten mit Kaskadenschaltungen von drei bis fünfzig in Reihe geschalteten Phototransistoren, Photothy ristoren oder Photo-IC′s erzielt werden. Besonders vorteilhaft ist eine Kaskadenschaltung, bei der die optoelektronischen Halbleiter elemente und die zugeordneten lichtemittierenden Elemente jeweils als Hybridschaltung aufgebaut sind. Mit nur einer oder auch zwei lichtemittierenden Elementen kann eine Kaskadenschaltung angesteuert werden. Dadurch ist es möglich, in einfacher und preisgünstiger Weise das Licht eines lichtemittierenden Elements auf mehrere Halb leiterelemente gleichmäßig zu verteilen. Gleichzeitig ist bei Aus fall eines einzelnen lichtemittierenden Elements ein Sicherheitsvor teil gegeben, weil die Kaskade dann sperrt, wenn die LED′s hinter einander geschaltet sind.

In der besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit einem Glasstab ist eine höhere Lichtausbeute möglich. Selbst bei relativ geringem Strom der lichtemittierenden Elemente ist eine hohe Ein satztemperatur möglich. Gleichzeitig sind die lichtemittierenden Elemente und die Halbleiterelemente gut gegeneinander isoliert.

Bei der Verteilung des Lichts mit Hilfe von Einzelfasern eines Lichtleiters ist eine nahezu optimale galvanische Entkopplung zwi schen dem Hochspannungspotential des Zündverteilers und dem An steuerpotential der Halbleiterelemente möglich, insbesondere wenn sich die lichtemittierenden Elemente räumlich getrennt vom Vertei ler in einem Zündschaltgerät befinden. Die Störunempfindlichkeit wird dadurch verbessert. Auch ist die Lichtverteilung im Hochspan nungsoptoschalter vereinfacht.

Die lichtemittierenden Elemente sind vorzugsweise als Niederspan nungselemente ausgebildet, und sind beispielsweise als lichtemit tierende Dioden mit Steuerspannungen von weniger als 5 Volt betreib bar.

Eine Kaskadenschaltung mit drei bis fünfzig Hochspannungstransisto ren, -thyristoren oder IC′s kann zum Durchschalten von hohen Span nungen verwendet werden, wie sie beispielsweise als Zündspannungen in der Kraftfahrzeugtechnik auftreten.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch einen in Hybridtechnik aufgebauten Hoch spannungsschalter, Fig. 2a ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 2b einen Schnitt durch Fig. 2a in Richtung II, Fig. 2c eine Ab wandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2b, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsbeispiele in ausschnittsweiser Darstellung und Fig. 6 eine Zündanlage mit Hoch spannungsschalter.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 ein Hochspannungsschalter bezeichnet, der eine in Hybridtechnik aufgebaute Kaskadenschaltung mit z.B. mehreren op toelektrischen Halbleiterelementen 11 aufweist. Die Halbleiterele mente 11 sind als Photothyristoren ausgebildet. Im geringen Abstand ist jeweils sechs Halbleiterelementen 11 eine lichtemittierende Dio de 12, eine sogenannte LED, zugeordnet. Vorteilhafterweise liegt die Strahlung der lichtemittierenden Diode 12 (LED) im infraroten Be reich. Zwischen den Dioden 12 und den Halbleiterelementen 11 sind im Querschnitt trapezförmige Schächte 13 mit innenseitig weißen Wänden 14 ausgebildet. Die Schächte 13 haben ungefähr die Breite der Halb leiterelemente 11. Die Wände der Schächte 13 sind innen weiß, um eine diffuse Reflexion des von den Dioden 12 ausgestrahlten Lichts und dadurch eine gleichmäßige Verteilung auf alle vom Schacht 13 er faßten Halbleiterelemente 11 zu ermöglichen. Die Schächte 13 können zur Isolation mit lichtdurchlässigen Materialien wie Glas gefüllt sein. Die Halbleiterelemente 11 sind über Leiterbahnen 17 und Wider standsnetzwerke verbunden und über einem Trägersubstrat 18 aus Al₂O₃ angeordnet. Die Leiterbahnen 17 sind elektrisch leitend mit Hochspannungsanschlußfahnen 19, 20 verbunden. Die Hochspannungs anschlußfahne 19 dient als Hochspannungsanschluß HV zur Zündspule und die andere Hochspannungsanschlußfahne 20 als zu einer Zündkerze führender Anschluß. Am Anschluß 19 sind entsprechend der Anzahl der Zylinder d.h. Zündkerzen weitere derartige Hochspannungsschalter 10 parallel angeschlossen.

Der Steueranschluß S 1 führt die lichtemittierenden Dioden 12 oben aus dem Gehäuse 23 des Hochspannungsschalters 10 heraus. Das Gehäuse 23 besteht aus Kunststoff und ist unten von einem Aluminiumdeckel 24 verschlossen. Das Innere des Gehäuses 23 ist mit einer Vergußmasse 25 ausgegossen, wodurch eine optimale Isolation erreicht wird.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind gleiche Bauteile mit den gleichen Ziffern bezeichnet. Statt der Schächte 13 ist zwischen den Dioden 12 und den Halbleiterelementen 11 ein Glasstab 30, z.B. aus durchsichtigem Kunststoff in einer Halterung 31 angeordnet, der wie eine Zylinderlinse wirkt. Das von den Dioden 12 ausgestrahlte Licht wird vom Glasstab 30 auf die in einer Linie angeordneten Halbleiter elemente 11 fokussiert. Wieder können vom Licht einer einzigen Diode 12 mehrere Halbleiterelemente 11 angesteuert werden. Die Lichtaus beute ist höher als bei der Ausbildung nach Fig. 1 mit den Schäch ten 13. Dadurch ist es auch möglich, die Dioden 12 mit einem relativ geringen Strom anzusteuern, oder es ist ein Einsatz bei einer rela tiv höheren Temperatur möglich. In Fig. 2b wird der Strahlengang des von der Diode 12 abgegebenen Lichts dargestellt.

In der Ausbildung nach Fig. 2c ist eine Abwandlung dargestellt, bei der zwischen den Dioden 12 und den Halbleiterelementen 11 mehrere Glasstäbe 30 a untereinander angeordnet sind.

Die Ausbildung nach Fig. 3 zeigt eine Anordnung der Dioden 12 und der Halbleiterelemente 11 in zwei getrennten Gehäusen 35, 36 und ei ne Übertragung der Strahlung mit Hilfe eines faseroptischen Licht leiters 37. Die Lichtleiter 37 bestehen bekanntlich aus einzelnen Fasern 38. Die Strahlung einer Diode 12 wird in einen Lichtleiter 37 eingespeist und dessen Fasern 38 jeweils einem Halbleiterelement 11 zugeführt. Für jeden Zylinder ist ein Lichtleiter 37 und eine Diode 12 vorgesehen. Auch ist es denkbar, die Lichtleiter 37 zu einem Ge samtkabel zusammenzufassen. Durch die Verwendung eines Lichtleiters 37 ist eine sichere, elektrische Entkopplung zwischen dem Hochspan nungspotential und dem Ansteuerpotential möglich. Die Störempfind lichkeit wird verbessert und die Lichtverteilung auf die einzelnen Halbleiterelemente 11 vereinfacht. Der Lichtleiter 37 kann mit Hilfe einer steckbaren Lichtleiterverbindung 39 in das Gehäuse 36 des Schaltgeräts im Bereich der Diode 12 eingesteckt werden. Die Diode 12 ist mit einer in Hybridtechnik ausgebildeten Schaltung 40 für die Transistor-Spulen-Zündung verbunden.

Die Ausbildungen nach Fig. 4 und 5 zeigen ebenfalls eine Anordnung der lichtemittierenden Dioden (LED′s) 12 und der Halbleiterbauele mente 11 in getrennten Gehäusen, dabei sind vorteilhaft die Dioden 12 (LED′s) im Gehäuse 36 des Schaltgeräts einer Zündanlage angeord net. Das Licht der Dioden 12 wird mit den Lichtleitern 37 entweder, wie in Fig. 4 dargestellt, mit Glasstäben 30 als Zylinderlinsen auf die Photohalbleiterbauelemente 11 fokussiert oder wie in Fig. 5 dar gestellt mit Hilfe des Lichtschachtes 13 auf die Photohalbleiterbau elemente 11 gelenkt.

In Fig. 6 ist eine Schaltungsanordnung zur Verteilung der Zündspan nung angegeben, wobei hier die Kaskadenschaltungen 41 bis 44 jeweils durch ein Transistorelement vereinfacht dargestellt sind. Bei den Kaskadenschaltungen handelt es sich um die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Halbleiterelemente 11.

Eine Batteriespannung UP liegt an der Primärwicklung der Zündspule ZS, wobei der Zündtransistor TR zwischengeschaltet ist. Der Zünd transistor TR wird von einer Steuerung S über seinen Basisanschluß 40 zur Erzeugung einer sekundärseitigen Hochspannung an der Zünd spule ZS pulsförmig betätigt. Die Sekundärwicklung der Zündspule ZS liegt einerseits an Masse und ist andererseits mit den Kaskaden schaltungen verbunden.

Die Steuerung S ermittelt den jeweils optimalen Zündzeitpunkt für die Zylinder des Kraftfahrzeugs bzw. Zündkerzen ZK 1 bis ZK 4 in Ab hängigkeit von der Motordrehzahl n und weiteren den jeweiligen Be triebszustand des Motors der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Parametern. Soll aufgrund dieser Zündzeitpunktberechnung beispiels weise die Zündkerze ZK 1 zünden, so veranlaßt die Steuerung S, daß einerseits der Zündtransistor TR abgeschaltet wird und damit ein Hochspannungsimpuls auf der Sekundärseite der Zündspule ZS erzeugt wird und andererseits daß in ihrer Steuerleitung SL 1 ein die licht emittierende Diode 12 aktivierendes Steuersignal abgegeben wird. Die lichtemittierende Diode 12 schaltet dadurch die Kaskadenschaltung 41 durch, so daß die Zündspannung zur Zündkerze ZK 1 gelangt. In ent sprechender Weise werden die übrigen Zündkerzen ZK 2 bis ZK 4 von den ZK 1 berechneten Zündzeitpunkten mit der Zündspannung beaufschlagt.

Die Anwendungsmöglichkeiten der in mehreren Ausführungsbeispielen beschriebenen Hochspannungsschalter sind nicht auf die Anwendung in Zündsystemen von Verbrennungsmotoren beschränkt. Überall dort wo ei ne galvanische Trennung zwischen dem Stromkreis und dem Hochspan nungskreis gewünscht oder erforderlich ist, kann die Anwendung eines optoelektrisch gekoppelten Hochspannungsschalters vorteilhaft sein.

Claims

1. Hochspannungsschalter (10), insbesondere als Zündspannungsvertei ler zum Anlegen der Zündspannung an Zündkerzen eines Verbrennungsmo tors, mit mehreren an eine Hochspannung angeschlossenen optoelektro nischen Halbleiterelementen (11) und wenigstens einem lichtemittie renden Element (12) pro Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, daß jedes lichtemittierende Element (12) mit mehreren Halbleiterelementen (11) in Wirkverbindung steht.

2. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem lichtemittierenden Element (12) ein Schacht (13) zuge ordnet ist, in dessen einer Öffnung das lichtemittierende Element (12) und in dessen anderer Öffnung mehrere Halbleiterelemente (11) angeordnet sind, und daß der Schacht (13) eine gut lichtreflektie rende Innenwand (14) aufweist.

3. Hochspannungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht (13) eine weiße Innenwand (14) aufweist.

4. Hochspannungsschalter nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schacht (13) im Querschnitt trapezförmig ausgebil det ist.

5. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schacht (13) wenigstens die Breite der photoempfindlichen Schicht der Halbleiterelemente (11) aufweist.

6. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elementen (12) und den Halbleiterelementen (11) mindestens eine bikonvexe Zylinderlinse (30) angeordnet ist.

7. Hochspannungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (30) ein Glasstab ist.

8. Hochspannungsschalter nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Linse (30) aus strahlungsdurchlässigem Kunststoff besteht.

9. Hochspannungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung eines Elements (12) über Lichtleitfasern (38) an mehrere Halbleiterelemente (11) herangeführt wird.

10. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Element (12) im vom Hochspannungsschal ter getrennt angeordneten Schaltgerät der Transistorzündung befindet und daß die Strahlung des Elements (12) mit Hilfe eines Lichtleiters (37) übertragen wird.

11. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente als Hochspannungsphoto transistoren, und/oder Photothyristoren und/oder Photo-IC′s ausge bildet sind.

12. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente (12) lichtemit tierende Dioden (LED′s) sind.

13. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der lichtemittierenden Elemente (12) im infraroten Bereich liegt.

14. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaskadenschaltungen der optoelektrischen Halbleiterelemente (11) und die zugeordneten lichtemittierenden Ele mente (12) als Hybridschaltung aufgebaut sind, bei der zwischen den optoelektrischen Halbleiterelementen (11) und den benachbarten lichtemittierenden Elementen (12) ein lichtdurchlässiger Isolator (15) angeordnet ist.

15. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierenden Elemente (12) mit Nieder spannung arbeiten.

16. Hochspannungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zündkerze (ZK 1 bis ZK 4) eines Verbren nungsmotors eine Kaskadenschaltung (41 bis 44) mit zugehörigen lichtemittierenden Elementen (12) zugeordnet ist.