Zündspule - Grundlagen Induktion

Wie funktioniert eine Zündspule?
Also, die meisten wissen, daß da irgendwo ein Kabel vom Unterbrecher drangeht und daß ein dickes Kabel mit viel Spannung weiter zur Zündkerze führt...und das da irgendwo ein Unterbrecher und Kondensator sein muss. Nur, was passiert denn da wirklich?
So einfach zu erkären ist das nicht, es hat jedenfalls etwas mit Induktion zu tun. Hier erst einmal etwas Theorie.
Induktion:

Wird ein Leiter in einem Magnetfeld senkrecht zum Magnetfeld bewegt, so wird in ihm während der Bewegung eine Spannung induziert. (Induktion der Bewegung)

Die Grösse der Spannung nimmt in gleichen Verhältnis zu, wie die magnetische Flussdichte B, die Bewegungsgeschwindigkeit v, und die wirksame Leiterlänge l (Leiterlänge im Magnetfeld). Die Formel lautet:

Uq = B · l · v

Uq
induzierte Spannung in Volt
B
magnetische Flussdichte in Tesla
v
Geschwindigkeit in m/s
l
wirksame Leiterlänge in m

Es ist jetzt aber egal, ob der Leiter im Magnetfeld oder ob das Manetfeld um den Leiter bewegt wird, der Effekt ist der gleiche. Hauptsache ist, es kommt zu einer relativen Bewegung beider Objekte zueinander. Noch ein Schritt weiter könnte man ebenso das Magnetfeld, sprich Flussdichte, verändern. Und so kommen wir zur Induktion der Ruhe (Transformatorprinzip).

In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich in dieser der magnetische Fluß ändert.

Die induzierte Spannung Uq ist um so größer, je größer die Flussänderung, je kürzer die Zeit der Flussänderung und je größer die Windungszahl, auf die die Flussänderung einwirkt.
Und so kommt man zum allgemeinen Induktionsgesetz:

Uq = -N ·
ΔΦ
Δt

Uq
induzierte Spannung in Volt
ΔΦ
magnetische Flussänderung in Weber
Δt
Zeitänderung in s
N
Windungszahl

Wie aus der Formel zu erkennen ist, erfolgt auf ein sehr schnelle Fluss- bzw. Magnetfeldänderung eine sehr hohe Spannung. Die schnelle Änderung ist dann gegeben, wenn der Strom durch die Spule abgeschaltet wird und das Feld zusammenbricht (was einen weichmagnetischen Kernwerkstoff vorraussetzt). Die daraus resultierende Spannung heisst Selbstinduktionsspannung.

Auf-Entladebeispiel einer 1,2Ω Spule an 12V
Die Selbstinduktionsspannung ist beim Einschalten der Spule so gerichtet, daß sie der anliegenden Spannung entgegenwirkt und somit dem Magnetfeldaufbau verzögert. Der volle Strom kann erst dann fliessen, wenn das Feld vollständig aufgebaut ist. Ab dem Zeitpunkt ist die Spule gesättigt und es fließt der volle Wirkstrom.
Ein optimaler Schliesswinkel wäre also genau so lang, wie der Feldaufbau dauert.
Die Höhe der Selbstinduktionsspannung Uq ist um so grösser, je größer die Stromänderung, je kürzer die Zeit der Stromänderung und je besser die Konstruktion der Spule (Induktivität L) ist.
Induktionsspannung:
Uq = -L·
ΔI
Δt
L
Induktivität in H (Vs/A)
ΔI
Stromänderung in A
Δt
Zeitänderung in s
Uq
Selbstinduktionsspannung in V

Alle jetzigen Betrachtungen beziehen sich auf eine einzelne Spule, eine Zündspule besteht jedoch aus zwei Wicklungen, einer niederohmigen Primärwicklung mit wenigen Windungen, die für den Feldaufbau sorgt, und einer hochohmigen Sekundärwicklung mit sehr vielen Windungen für die Hochspannungserzeugung.

Die Selbstinduktion greift bei einer Zünspule nur auf die Primärwicklung (durch die Sekundärwicklung fliesst kein Strom) und ist eigentlich ein unerwünschter Nebeneffekt, denn sie verzögert die Aufladung der Spule und beim Ausschalten entsteht am Unterbrecher ein Funken, der die Kontaktflächen sehr schnell verbrennen würde. Bei Hochleistungszündspulen ist die Windungszahl der Primärwicklung auf ein Minimum reduziert, um die Selbstinduktion möglichst klein zu halten und schnell den maximalen Stromfluss zu erreichen. Das erfordert aber andere Ansteuertechniken (elektronische Schaltsysteme), Kontakte wären mit dem Stromfluss völlig überfordert.
Ist die Spule, besser gesagt der Kern, magnetisch gesättigt (max. magnetischer Fluss phi erreicht) und der Strom durch die Primärspule wird abgeschaltet (Zündzeitpunkt), dann wird in der Sekundärwicklung durch das zusammenfallende Magetfeld und die hohe Windungsanzahl eine sehr hohe Spannung induziert (Induktionsgesetz, siehe oben), die dann für den Funken sorgt.
Wie schon erwähnt, entsteht auch an der Primärwicklung eine hohe Spannung, die zu einem Lichtbogen am Kontakt führt. Würde man die Primärspule in diesem Zeitpunkt kurzschliessen, dann würde der durch die Induktionsspannung hervorgerufene Strom wiederum ein Feld erzeugen, dass dem eigentlichen abfallenden Feld entgegenwirkt.
Mit anderen Worten: das Feld würde langsam in sich zusammenfallen = kein Zündfunken. Auch ein Lichtbogen am Kontakt ist nichts anderes als ein Kurzschluss und hat den gleichen Effekt. Daher ist der Kondensator als 'Funkenstreckenunterdrücker' so wichtig!


Schauen wir uns mal einen Zündungsvorgang genauer an. Die Oszillogramme stammen von einer Digitalzündung kombiniert mit einer normalen Bosch-Zündspule. Die Oszillogramme von einer Kontaktzündung sehen ähnlich aus.

Am Punkt x beginnt der Schliesswinkel, die Spannung an der Zündspule geht gegen 0, der Strom in der Primärwicklung steigt infolge der Selbstinduktion langsam an. Im Zeitpunkt -1ms sind alle Molekularmagnete im Kern ausgerichtet, der max. magn. Fluss ist erreicht, die Spule ist jetzt fast nur noch ein reiner ohmscher Widerstand (in diesem Fall 1,2 OHM).


blau = Primärspannung (Kontakt),
rot = Sekundärspannung (Zündkerze)
Im Zeitpunkt 0ms wird der Strom abgeschaltet (=öffnet der Kontakt), die Molekularmagnete fallen in ihre ursprüngliche Lage zurück und erzeugen die Selbstinduktionsspannung (s.o.) an der Primärwicklung, die hier durch interne Schutzschaltungen in der Zündung auf 200V begrenzt wird. Optimal wäre es, diese Spannung, die ohne Beschaltung auf mehrere tausend Volt ansteigen kann, zu ignorieren, nur leider halten das die Endstufentransistoren nicht aus (am Kontakt ensteht ein zweiter 'Zündfunken').
In der Sekundärwicklung wird durch die Induktion (Induktionsgesetz, s.o.) die Zündspannung erzeugt. Der Lichtbogen des Zündfunkens lässt dann die Spannung auf ca. 2-3kV zusammenbrechen. Im Zeitpunkt x2 ist die Energie der Spule verbraucht und der Züdfunke erlöscht. Was dann folgt, ist ein Auspendeln der Resternergie (Schwingkreisvorgänge mit internen und externen Kapazitäten und der Spuleninduktivität). An der Anzahl der Schwingungen kann man die Qualität der Spule erkennen, weniger als 3 Schwingungen sollten es nicht sein.