Zündspulen Treiber


	Mit dieser einfachen, aber sehr leistungsfähigen Treiberschaltung kann eine KFZ-Zündspule angesteuert werden, um damit kräftige Funkenüberschläge zu erzeugen.

Aufbau
Sie Schaltung arbeitet im Prinzip wie ein Schaltnetzteil, nur wird der Energiegehalt der Steuerimpulse nicht über eine Spannungsrückführung mit Regler bestimmt, sondern Periodendauer und Impulsdauer des Steuerimpulses sind in weiten Grenzen fest, aber unabhängig voneinander einstellbar.

Ein wesentlicher Punkt dieser Schaltung ist die richtige Ausführung der Leistungsstufe.


	Beim Aufreißen des Primärstromkreises entsteht durch die Streuinduktivität der Zündspule eine sehr hohe Rückspannung auf den Schalttransistor. Der Transistor und seine Schutzbeschaltung müssen eine möglichst hohe Rückspannung erlauben, und somit auch aushalten.

Funktion
Der Stecker X2 dient zur Einspeisung der Steuer-Spannung von 19 V ... 35 V. Über den linearen Spannungsregler U1 wird eine stabile Versorgungsspannung von 15 V erzeugt, mit der die Treiberstufe (IC1, IC2) optimal arbeitet.

Mit zwei CMOS-Schmitttriggern eines HEF40106 wird das Ansteuersignal für den Treiber erzeugt. Die erste Stufe (IC1A) ist ein astabiler Multivibrator und erzeugt ein periodisches Rechtecksignal mit einer einstellbaren Periodendauer (T) von etwa 6 ms ... 46 ms.

Die zweite Stufe (IC1B) ist ein monostabiler Multivibrator und erzeugt einen einstellbaren Impuls (t) von etwa 120 µs ... 4 ms Dauer.
Wesentlich hierbei ist, dass wenn man die Periodendauer ändert, die Impulsdauer nicht beeiflußt wird und somit gleich bleibt.
(Bei den üblichen Timmer-555 Schaltungen bleibt das Verhältnis zwischen Impulsdauer und Pausendauer konstant, wenn man die Frequenz ändert, was hier nicht erwünscht ist).

Dieses Rechtecksignal steuert einen MOSFET-Treiber vom Typ IR2111 von International Rectifier (IC2), dessen Aufgabe es ist, ein sauberes Ansteuersignal für den Leistungstransistor SPG07N120 von Infineon (T1) zur Verfügung zu stellen.

Der Leistungstransistror (T1) steuert die Zündspule an, die über den Stecker X1 mit der Power-Spannung von 9 V ... 24 V (+UB) versorgt wird.

Am Ausgang der Zündspule wird die Zündspannung erzeugt, die gegen GND gerichtet ist.

Leistungsstufe
Mit der richtigen Wahl des Leistungstransistors steht und fällt die Leistung der Schaltung. Hier wird ein IGBT in einem TO-220 Gehäuse verwendet. Das ist ein Schaltelement, das sich am Ausgang (Kollektor-Emitter-Strecke) verhält wie ein bipolarer Transistor und am Eingang (Gate-Emitter-Strecke) wie ein MOSFET. Er ist schnell (Auschaltdauer ca. 500 ns), strombelastbar (16 A Dauerstrom bei 25 °C, 27 A max.) und spannungsfest (1200 V), denn genau auf diese Eigenschaften kommt es hier an. Außerdem besitzt er eine niedrige Sättigungsspannung (ca. 2 V bei 2 A), was bei einer recht kleinen Power-Spannung ganz nützlich ist und zudem die Verlustleistung in Grenzen hält.

Obwohl der das Gate des IGBT keinen statischen Steuerstrom aufnimmt, hat es doch eine nennenswerte Kapazität, die bei jedem Steuerimpuls geladen und entladen werden muss. Da besonders der Entladevorgang (Ausschalten des Leistungstransistors) sehr schnell gehen muss, wird der IGBT mit einem passenden MOSFET-Treiber IR2111 angesteuert. Dieser MOSFET-Treiber stellt den hohen Steuerstrom für den IGBT zur Verfügung..

Funktion der Leistungsstufe: Der Steuerimpuls des MOSFET-Treibers (IC2) schaltet den Leistungstransistor (T1) über den Schutzwiderstand (R5) ein. Jetzt beginnt der Primärstrom der Zündspule zu fließen. Dieser Strom ist über den Widerstand R6 mit einem Oszilloskop messbar (100 mV entsprechen 1 A). Er steigt wegen der Spuleninduktivität anfangs etwa linear mit der Zeit an. Mit steigendem Primärstrom speichert die Spule immer mehr Energie. Wenn der Strom eine ausreichende Höhe erreicht hat, wird der Leistungstransistor möglichst schnell ausgeschaltet. Während des Ausschaltvorgangs muss die gespeicherte Energie irgendwie aus der Spule heraus.

Daher bildet die Spule an ihrem Hochspannungsausgang eine sehr hohe Spannung, um auch Isolierstrecken überwinden zu können. Die Spule bildet aber nicht nur an ihrem Hochspannungsausgang diese hohe Spannung, sondern auch, allerdings in kleinerem Maße, an ihrem Eingang und damit an T1. Je schlechter die Spule ihre Energie über den Hochspannungsausgang loswird (lange Funkenstrecke), umso mehr bekommt T1 davon zu spüren. Deshalb muß T1 sehr spannungsfest sein. Eine Spannungsfestigkeit von 1200 V ist ein guter Wert. Falls am IGBT Spannungsspitzen auftreten, die größer sind als 800 V ... 1100 V, wird der Varistor VAR1 leitend und schützt den IGBT. Also: je höher die Spannungsfestigeit von T1, desto längere Funken sind möglich.

Inbetriebnahme

Ich weise ausdrücklich darauf hin, dass Experimentie dieser Art lebensgefährlich sein können, wenn die grundsätzlichen Sicherheitsvorschriften nicht beachtet werden.

Es wird dringend davon abgeraten, dass Nichtfachleute diese Schaltung in Betrieb nehmen!

Wenn die Schaltung so aufgebaut ist, dass die hochspannungführenden Leitungen einen ausreichenden Abstand zu berührbaren Oberflächen haben, kann die Inbetriebnahme folgendermaßen vorgenommen werden:

— Steuer-Spannung = 20 V einschalten
— Periodendauer T = max einstellen
— Impulsdauer t = min einstellen
— Spannung an R6 oszillographieren
— Elektrodenabstand ca. 5 mm
— Power-Spannung = 12 V einschalten (Labornetzteil: Strombegrenzung = 2 A)
— Impulsdauer t langsam vergrößern und Strom beobachten
— ab einer Impulsdauer von etwa 200 µs sollte ein Funken überspringen

Nun kann die Power-Spannung, die Periodendauer und die Impulsdauer variiert werden, um mit diesen Parametern einige Erfahrung zu sammeln.

Aber immer alles schön vorsichtig verstellen!

Vorsicht:

Dieser Treiber ist so stark, dass die innere Isolation der Zündspule durchschlagen wird, wenn man die Impulsenergie zu hoch dreht. Funken bis zu 30 mm Länge sind (abhängig von der Zündspule) erreichbar, was etwas einer Spannung von 30.000 Volt entspricht..


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