Hochspannungskondensatorzündanlage eines RO-80

Auf dieser Seite werden die Erfahrungen bei der Fehlersuche in einem Zündgerät des NSU Ro80 dokumentiert. Dabei werden sowohl Hinweise zur praktischen Reparatur als auch zu dem Wahrheitsgehalt einiger "technischer Mythen" gegeben.

Allgemeines

Die Zündanlage der Bauart BOSCH 0 227 20000612 V wurde im Ro80 in der Serie ab ca. 1970 eingebaut. Diese damals noch relativ innovative Schaltung galt als eine der fortschrittlichsten Zündanlagen. Allerdings zeigen sich irgendwann selbst bei der relativ solide verarbeiteten Technik auch Defekte. Auch das Zündgerät meines Ro80 fiel aus, es erzeugte einfach keinen Zündfunken mehr. Mit einer Kopie des Wartungsdatenblattes und in den letzen Schritten eines elektrotechnischen Studiums wurde mit einem Studienkollegen eine Diagnose des Geräts durchgeführt.

Arbeiten an Zündgeräten sind wegen der hohen Spannungen in diesem immer gefährlich und dürfen nur von fachkundigem Personal ausgeführt werden!

An dieser Stelle noch einmal vielen Dank an Falko für die große Hilfe bei den Arbeiten an diesem Gerät!

Es zeigte sich, dass ein Tausch des Ladekondensators (C8 im Schaltplan) durch zwei neuere MKS4-Kondensatoren der Firma WIMA nach der einer Anleitung aus dem Intnernet (welche leider nicht mehr abrufbar ist) bei einem der Geräte Abhilfe schaffte. Der Orignalkondensator war wahrscheinlich über die Jahre durch die großen Stoßbelastungen verschlissen worden. Bei einem anderen war die Z-Diode im Eingangszweig defekt auch hierbei lief das Gerät nach dem Tausch wieder einwandfrei.

Schaltpläne

Zwar stand am Anfang breits ein Schaltplan aus dem Bosch-Wartungsdatenblatt zur Verfügung, leider enthält dieser keine Bauteilwerte und keinen Bestückungsplan. Daraufhin haben mein Studienkollege und ich uns auf den mühevollen Weg gemacht, die Schaltung zurückzubauen. Die Bauteilbezeichnungen orientieren sich an den Bezeichungen aus dem Datenblatt von Bosch. Dieses wird hier aus Urheberrechtsgründen nicht veröffentlicht, stattdessen haben wir die Schaltung in LTSpice aufgebaut und diese steht im Downloadbereich dieser Seite zur Verfügung. Leider fehlten uns Spice-Modellbeschreibungen für die Thyristoren und einige Dioden, daher ist die Simulation noch nicht perfekt.

Interessant ist, dass sich in älteren Versionen des Geräts neben einer Schaltung für einen Drehzahlwarnsummer auch eine Ansteuerung für ein Magnetventil befindet, welches im Falle einer Überdrehzahl die Kraftstoffzufuhr unterbrechen soll. Wie es scheint wurde dieser Mechanismus, vermutlich wenden der damit verbundenen Latenzzeit, nie im Ro80 in Serie ausgeliefert. In neueren Versionen des Zündgeräts ist der Schaltungsteil nicht bestückt.

Funktion

Funktionsbeschreibung

Das Datenblatt gibt eine relativ vollständige Übersicht über die Funktion des Geräts in Textform. Im Folgenden wird die Funktion des Geräts sowohl texutell als auch in Form von Oszillogrammen dargestellt um bei der Fehlersuche als Referenz zu dienen. Alle Spannungsmessungen beziehen sich, sofern nicht anders angegeben, auf die Gerätemasse.

Impulsformung

Der Widerstand R1 dient als Eingangs-Pull-Up-Widerstand, er sorgt dafür, dass die Diode D1 bei geöffnetem Unterbrecher sperrt. An der Kathode der ZD2, die über R2 vorgespannt wird, stellt sich im statischen Fall (Unterbrecher dauernd offen, kommt in der Praxis selten vor) eine Spannung von 5,6V ein. Ebenso kommt die Anode der D3 und auch deren Kathode sowie die Basis der Transistors Q2 bei 0V zum Liegen.

Wird nun der Unterbrecher geschlossen, wird durch diesen die Kathode der Diode D1 nach Masse gezogen, damit sinkt die Spannung an der Kathode der ZD2 eine Spannung auf ca. 0,6V ab. Dabei wird der Kondensator C1 über den Widerstand R3 und den Widerstand R4 entladen. D3 sperrt während dieser Umladung da die Spannung an der Anode kleiner als 0V ist (Ladungspumpe). Dies kann an Testpunkt 1 (TP1) nachgemessen werden

Wird der Unterbrecher geöffnet, so wird die Anode von D1 durch R1 sofort nach Vdd gezogen und damit gesperrt. Somit stellen sich wieder 5,6V an der Kathode der ZD2 ein. Der während der geschlossenen Unterbrecherphase entladene Kondensator C1 liegt nun auf der Seite von D2/R3 an einer positiven Spannung, auf der Seite von D3/R4 nahe der Masse. Somit leitet dieser Kondensator bis zu einer Aufladung einen Strom, welcher hauptsächlich von D2 gespeist wird. Dieser Strom teilt sich in R4 und D3 auf, wobei der zunächst entladene C2 im ersten Moment das niderohmigste Bauteil Richtung Masse darstellt und damit der Strompfad über D3 dominiert. Ist dieser C2 auf ca. 0,7V Flussspannung der B-E-Diode des Transistors Q2 aufgeladen, trägt diese B-E-Strecke den Strom. Der Verhalten der Basisspannung von Q3 ist am Testpunkt 4 (TP4) zu erkennen. Damit wird Q2 leitend und zieht seinen Kollektor nahe an die Masse. Dies kann an Testpunkt 2 (TP2) nachvollzogen werden.

Somit entsteht im Zweig Q2/R7 ein kurzer Stromimpuls welcher die Basis des Transistors Q3 gegen Masse zieht und dabei gleichzeitig den Kondensator C3 auf die Flusspannung der EB-Strecke des Transistors Q3 auflädt. Damit wird Q3 leitend und initiiert nun sowohl die eigentliche Zündschaltung als auch die Ladeschaltung. Der Spannungsverlauf an Testpunkt 3 (TP3) zeigt mehr als das intuitiv erwartete Verhalten. Bei einer Messung wird auch die Rückwirkung der Ladeschaltung durch einen deutlichen Unterschwinger sichtbar. Der Transistor muss eine hohe Sperrspannung vertragen können!

Die Ladeschaltung oder auch Quelle der Glaubenskriege

Die Ladeschaltung wird durch einen Stromimpuls von Tr3 aus über die Diode D6 und den Widerstand R9 gestartet. Der Leistungstransistor Tr1 wird von diesem Impuls "angeschossen". Sobald Tr1 leitend wird, steigt der Strom durch T1W1 und T2W1. Dies induziert in der T1W2 einen Strom, welcher den Transistor Q1 weiter aufsteuert. Damit ist eine Art Selbsthaltung realisiert. Steigt die Spannung am Gate von Thy1, so schließt dieser T1W2 kurz und beendet somit den weiteren Stromfluß. Im Originaldatenblatt zum HKZ findet sich die Bemerkung, dass der Abschaltstrom 12A beträgt. Am Testpunkt 5 (TP5) kann der Spannungsverlauf an der Wicklung 1 des Trafos T1 beobachtet werden. Hier sieht man schön den Stromanstieg und das Entladen der magnetischen Energie aus Tr1 über den Thyristor Thy2.
An dieser Stelle beginnt normalerweise der klassische Glaubenskrieg der Ro80-Fahrer. Die einen empfehlen den Ladekondensator auf 2,2μF zu erhöhen, die anderen halten es für Humbug. Die Behauptung, ein größerer Kondensator verlängere die Funken-Brenndauer könnte über die Verdopplung Zeitkonstante der Entladung erklärt werden. Jedoch ist zu beachten, dass die Aufladung des Kondensators mit einem definierten Stromimpuls aus der Sperrwandlerdrossel T2 geschieht. Diese wird auf ihrer Sekundärseite auf 12A geladen und entlädt sich über die Dioden D9 und D10 in den Ladekondensator C8. Nach jeder Zündung wird die Ladeschaltung gestartet und erzeugt einen einzigen Ladeimpuls, siehe vorheriger Abschnitt. Grob kann man aus der Sicht der Leistungselektronik so modellieren (Physiker bitte mal kurz wegsehen, Ingenieure am Werk!):

Zunächst ein stark vereinfachtes Bild dessen was beim Laden des Kondensators passiert:

Zunächst werden beide Schalter umgeschaltet, der Strom il aus der Batterie (Ue) durch die Primärwicklung (Lp) steigt an. \( u=\frac{1}{L} \cdot \frac{d i}{d t} \) Sobald der Strom (il) 12A erreicht (faszinierenderweise der einzige elektrische Kennwert, der im Original des Reparaturdatenblatts zu finden ist) wird die Spannung abgeschaltet und die Sekundärseite zugeschaltet. Das Magnetfeld in dem gemeinsamen Eisenkern induziert eine positive Spannung in Ls und diese lädt dann über die Diode geleitet.
Nur: Wieviel Spannung kommt dabei 'rum?

Um darauf eine Antwort zu finden sollte man das Ganze noch weiter vereinfachen. Dazu geht man von einer geladenen Spule und einem ungeladenen Kondensator aus, so kann über den Energieerhaltungssatz argumentiert werden: Die Summe der Energie im System bleibt konstant. Unter der Annahme, die Dioden seien ideal und es gäbe keine parasitären Verluste in den beteiligten Energiespeichern (Kupfer- und Eisenverluste in den Drosseln, Verlustwinkel am Kondensator) kann man dann für die Energiebilanz folgende Ersatzschaltung aufzeichnen:

Diese Betrachtung zeigt:

1. Die Zündenergie welche aus der Speicherdrossel in den Kondensator kommt ist konstant und wird nur durch die Primärinduktivität der Sperrdrossel und dem Ladeendstrom bestimmt.
2. Die verfügbare Zündspannung sinkt sogar bei Verdopplung des Kondensators, mit dem Faktor \( \frac{U(C)}{U(2\cdot C)}=1/\sqrt{2}=0,707 \). Damit bleiben nur ca. 70,7% der Spannung auf dem Kondensator bei doppelter Kapazität stehen!
3. Die Plausibilität der Berechnung lässt sich leicht zeigen: Durch einen Schwingversuch wurde die Induktivität L1 der Primärwicklung zu 1.1mH bestimmt. Daraus ergibt sich bei einem 2,2μF Kondensator und einem angenommenen Ladeendstrom von 12A eine Kondensatorspannung von Uc=268V. Gemessen wurde an meinem HKZ 250V, damit ist das theoretische Ergebnis zumindest nahe an dem Messwert.

Vergleich des Zündspannungsverlaufs eines Züdgeräts mit verschiedenen Ladekondensatoren

In der obigen Abbildung wurden die Spannungsverläufe am Ausgang eines Zündgeräts bei zwei verschiedenen Ladekondesator-Werten verglichen. Das Ergebnis bestätigt die mathematische Theorie: Die Kapazitäten stehen im Verhältnis von 1 zu 2.2 zu einander. Damit ergibt sich ein Faktor zwischen den Spannungs-Scheitelwerten von 0,674 , bei 1uF werden -319V am Ausgang gemessen dies ergibt rechnerisch -215V was nahe an den gemessenen -225V liegt. Die oft proklamierte Verlängerung der Brenndauer ist deutlich erkennbar, jedoch wird dies mit dem hohen Preis einer niedrigeren Züdspannung erkauft.

Da der Ro80 routinemäß Öl dem Kraftstoff-Luftgemisch kleine Mengen Öl zusetzt, kann sich auf den Zündkerzen Ruß und Öl absetzen. Diese Schmutzschicht muss vom Funken durchbrochen werden, wozu eine möglichst hohe Spannung nötig ist. Das heißt: Im ungünstigsten Fall "säuft" der Motor nach der Modifikation schneller ab!

Es ist denkbar, die Ladeenergie des Kondensators zu erhöhen, in dem man den Ladeendstrom erhöht, dazu will ich auf keinen Fall raten da dies die Bauteile u.U. überlastet. So könnten dabei die Drosseln T1 bzw. T2 in die magnetischen Sättigung geraten oder der Leistungstransitor Tr3 einen übermäßigen Strom ausgesetzt werden.

Warum berichten nun einige Kollegen über eine Verbesserung des Zündverhaltens? Zum einen kann es sein, dass der Originalkondensator über die Jahre gealtert ist. Gerade die Impulsbeanspruchung und das Laden mittels eines festen, relativ hohen, Stromstoß können so einen Kondensator schon arg belasten. Zum Anderen kann auch der ESR (Equivalent Series Resistance) durch die Parallelschaltung der Kondensatoren vermindert werden. Hierbei ist zu beachten, dass die WIMA MKS-Kondensatoren nicht das absolute Optimum darstellen, gerade die MKP-Serie wartet mit einem noch niedrigeren ESR und besseren Impulseigenschaften auf. Daher würde sich ein Umbau auf 2*680nF MKP 630V evtl. auch lohnen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Entstörwiderstände hinter dem Zündtrafo selbst nach der Transformation noch wesentlich größer sind als der zu erwartende ESR.

Was könnte man hier "verbessern"?
Die Dioden D9 und D10 stellen den Sekundärzweig des Sperrwandlers dar, diese sind vom bewährten Typ 1N4005. Dieser kann relativ viel Strom und relativ hohe Sperrspannungen ab. Hier könnte man diese durch eine einzige moderne Schottky-Diode ersetzen und vielleicht etwas Schnelligkeit gewinnen.

Die Zündschaltung

Die Zündschaltung wird vom Transistor Q3 aus über die Diode D4 angesteuert. Im Ruhezustand ist C4 entladen und liegt auf beiden Seiten auf Massepotential. Auch C7 ist entladen und das Gate des Thyristors U1 wird gegen Masse gezogen, der Thyristor kann nicht zünden (dies kann am Testpunkt 6 (TP6) gemessen werden). Die Zündenergie ist bereits in Form einer Spannung in C8 gespeichert. Dieser weißt auf der Seite der Anode des Thyristors U1 bei einem Ladekondensator von 2,2μF eine Spannung von ca. 250V gegenüber der Masse auf. Dies kann am Testpunkt 7 gemessen werden)

Wird der Zündimpuls von Q3 durch die Diode D4 geleitet, so wird C4 aufgeladen, dies erzeugt einen positiven Stromimpuls über den Widerstand R33 in Richtung des Gates des Thyristors U1. Dies zündet den Thyristor und dessen Kathode befindet sich bei ca. 0,7V bezogen auf die Masse. Auf der anderen Seite des Kondensators stellt sich eine Spannung von -250V bezogen auf Masse ein (Vgl. Prinzip der Ladungspumpe), die Diode D11 ist damit gesperrt. Nun für der Strompfad über den Zündtrafo und den Zündverteiler and die Zündkerze. Diese Seite des Kondensators kann am Testpunkt 8 bewundert werden.
ACHTUNG: Wenn sich der Kondensator C8 nicht zum Zünden entladen kann, wird lädt sich dieser so lange auf, bis entweder der Thyristor U1 oder die Dioden D9, D10 durchbrechen und dabei wahrscheinlich zerstört werden! Also NIEMALS ohne Zündtrafo und Zündkerze betreiben!

Hinweis: Zur Erinnerung: Ein Thyristor ist im Ausgangszustand sperrend und wird nach einem Stromimpuls auf das Gate leitend, solange ein positiver Strom durch die Anoden-Kathodenstrecke fließt. Damit der Thyristor nach dem "Zündimpuls" auch "einrastet", muss durch die Anoden-Kathodenstrecke ein Mindeststrom fließen welcher größer ist als der Haltestrom.
Zum Testen des Thyristors kann dieser von der Schaltung getrennt werden und in Reihe mit einer 12V-Glühlampe geschaltet an ein Labornetzteil angeschlossen werden. Nun kann er mittels antippen des Gate-Anschlusses mit einem Vorwiderstands von ca. 1kOhm gegen +12V gezündet werden. Jetzt sollte die Glühlampe kontinuierlich leuchten, bis die Spannungsversorgung abgeschaltet wird. Nach erneutem Anlegen der Spannung sollte die Lampe bis zum "zünden" des Thyristors nicht leuchten.
Es kann sein, dass dieser Thyristor defekt ist. Ein Thyristor ist im Versagensfall meist dauernd und in beide Richtungen (Anoden nach Kathode und umgekehrt) leitend, d.H. es findet keine Abschaltung statt. Dieser Thyristor kann durch einen Standardtypen wie dem BTA12-600 ersetzt werden.

Versuchsaufbauten

Ist das Zündgerät in Auto eingebaut, gestaltet sich die Messungen an der Schaltung schwierig. Besser ist es, das Gerät auf dem Labortisch zu zerlegen und dort die Autoelektrik nachzuempfinden. Hierzu werden benötigt:

• Ein Oszilloskop mit einer Bandbreite von mindestens 10 MHz. Ein (digitales) Speicheroszilloskop ist von Vorteil da man dann eine Kurve länger bewundern kann. Ferner vereinfacht ein Zweikanal-Oszi die Messung, da man dort auch mal die zeitliche Lage von Impulsen aus zwei Ecken der Schaltung zueinander messen kann.
• Hochspannungstastköpfe, bevorzugt 2,5kV 1:100. Gerade mit den Ausgangsspannungen des HKZ kann man sich leicht den A/D-Wandler des Oszis zerstören.
• Ein Multimeter mit Widerstands-, Spannung- und am Besten auch Kapazitätsmessbereich. Ferner sollte es über den obligatorischen Durchgangsprüfer und einen Diodentest-Modus verfügen.
• Ein Labornetzteil, welches 5..13,8V bei max. 1,5A Dauerstrom liefern kann. Ein einstellbarer Strombegrenzer schadet auch nicht.
• Ein Pufferkondensator für die Versorgungsspannnung (Elko, >10000 μF; 65V)
• Einen original Zündtrafo wie er im Ro80 verbaut wurde, die zugehörigen Zündkabel und einen Zündkerze (hier kann es auch eine ausrangierte sein, Hauptsache es ist noch etwas von dem Steg da.
• Optional, aber sehr hilfreich: Ein einfacher Funktionsgenerator zur Ansteuerung eines Transistors der den Zündunterbrecher simuliert.

Die folgende Skizze zeigt den Aufbau des Prüfplatzes:

So sieht es in meiner Werkstatt aus:

Dabei werden folgende Einstellungen vorgenommen:

• Versorgungsspannung: 13,8V. Es sollte sich ein Ruhestrom von ca. 80mA durch das Zündgerät einstellen
• Frequenz der Züdimpulssimulation: Zuerst ohne Züdimpulse die Arbeitspunkte von TP1 bis TP6 testen, TP7 und TP8 haben vor dem 1. Zündimpuls noch keinen definierten Zustand! Sind die vorigen Tests ok, dann kann das Gerät mit Zündfrequenzen von 0,1Hz bis ca. 350Hz angesteuert werden
• Strombegrenzung auf 1,5A. Dieser Strommittelwert wird bei 300 Zündungen pro Sekunde erreicht. Achtung: Es muss ein Abblockkondensator zur Verfügung stehen, siehe unten.
• Oszilloskop nach Bedarf, die benutzten Parameter werden für jeden Testpunkt individuell auf den entsprechenden Unterseiten beschrieben.

Abblock-Kondenstatoren

Beim Betrieb des Prüfplatzes fiel auf, dass die Spannung des Labornetzteils beim Aufladen der Speicherdrossel stark einbricht und die Spannungsreglung wild schwingt. Sowohl die Spannungsreglung als auch der Strombegrenzer des Netzteils werden durch den Stromansteig von 12A in etwa 1,2ms stark irritiert. Das ist eine Stromsteilheit von 10,000,000 A/s, da darf auch mal ein Labornetzteil aus dem Tritt geraten! Um die unerwünschten Effekte im Labornetzteil zu vermindern wird parallel zu diesem ein Kondesator relativ hoher Kapazität geschaltet. Davon abgesehen ist natürlich auch im Auto ein Zusammenbrechen der HKZ-Versorgung denkbar. Sollten beispielsweise die Kontakte im Zündschloss korrodiert sein kann dies zusammen mit den Kabelwegen durchaus einige Hundert Milliohm ausmachen. Bei 1 Ohm Leitungswiderstand währe bei 12V minimaler Batteriespannung und 12A Ladeendstrom dieser garnicht mehr zu erreichen! Daher ist es denkbar, dass wenn Zündgerät mit Zündtrafo und -kerzen auf dem Labortisch einwandfrei funktionieren einfach der Innenwiderstand der sonstigen Elektrik das Problem darstellt. Als Workaround zum Ausbau von Zündschloss und Kabelbaum reicht eventuell der Einbau eines oben beschriebenen Abblockkondensators, der sollte dann aber möglichst nahe am ZG eingebaut werden und auf jeden Fall temperaturfest (>100°C) sein!

Referenzdaten

Tabelle der Bauteilwerte

Alle Widerstände haben, sofern nicht anders angegeben, eine Toleranz von 5%.

Gehäuse

Bestückungspläne

Die folgenden Abbildungen zeigen die Platinen in einer Art Röntgen-Ansicht in der sowohl die Bestückungsseite als auch die Bauteile mit deren Referenzen ersichtlich sind. Im Download-Abschnitt stehen auch die Rohdaten im Gimp-Format zur Verfügung.

Der Leistungsteil

Die Drehzahlüberwachung

Download

• HKZ_Platine1.xcf: Bestückungsplan der Drehzahlbegrenzerplatine.
• HKZ_Platine1.xcf: Bestückungsplan des Leistungsteils.
• Anschluesse_Gehaeuse.xcf: Bauelemente und Testpunkte im Gehäuse.
• Anschluesse_Gehaeuse_Einbau.xcf: Zusätzliche Testpunkte des Leistungsteils im Geäuse.
• sim_hkz.zip: LTSpice-Simulation des Leistungsteils