DE102008029798B4

DE102008029798B4 - Circuit arrangement for charging a piezoelectric actuator

Info

Publication number: DE102008029798B4
Application number: DE200810029798
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Augesky; Walter Schrod
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: DE102008029798A1; WO2009156240A1

Abstract

Schaltungsanordnung mit einem Piezoaktor (P) eines Einspritzventils, umfassend:
– ein Steuergerät (1) zur Bereitstellung eines Steuerpotentials (Ust), aufweisend
– einen Schaltknoten (K),
– eine in Reihenschaltung mit dem Piezoaktor (P) angeordnete Stromeinstelleinrichtung (CS) zum Bestromen des Piezoaktors (P) beim Laden, wobei der Ladestrom durch den Schaltknoten (K) fließt,
– eine Messschaltung (14) zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung (CS),
– eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Stromeinstelleinrichtung (CS) derart, dass der Strom durch die Stromeinstelleinrichtung (CS) mit Hilfe der Messschaltung geregelt wird
– eine Injektorschaltung (2) mit dem Piezoaktor (P), der einen ersten Anschluss (A1) und einen zweiten Anschluss (A2) aufweist,
– eine erste Leitung (LI) zwischen dem Steuergerät (1) und der Injektorschaltung (2) zum Führen des Steuerpotentials an die Injektorschaltung (2),
– zwischen einem ersten Anschluss (St2) der Injektorschaltung zur Verbindung mit der ersten Leitung (LI) und dem ersten Anschluss (A1)...Circuit arrangement with a piezoelectric actuator (P) of an injection valve, comprising:
- A control device (1) for providing a control potential (Ust), comprising
A switching node (K),
A current setting device (CS) arranged in series with the piezoelectric actuator (P) for energizing the piezoelectric actuator (P) during charging, the charging current flowing through the switching node (K),
A measuring circuit (14) for measuring the current through the current setting device (CS),
- A control device for controlling the Stromeinstelleinrichtung (CS) such that the current through the Stromeinstelleinrichtung (CS) is controlled by means of the measuring circuit
An injector circuit (2) with the piezoactuator (P) having a first terminal (A1) and a second terminal (A2),
A first line (LI) between the control unit (1) and the injector circuit (2) for guiding the control potential to the injector circuit (2),
Between a first port (St2) of the injector circuit for connection to the first line (LI) and the first port (A1) ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Laden eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine.The The present invention relates to a circuit arrangement for charging a piezo actuator for a Fuel injection valve of an internal combustion engine.

Derartige Schaltungsanordnungen und Verfahren sind beispielsweise aus der DE 199 44 733 A1 , der DE 198 14 594 A1 und der DE 199 52 950 A1 bekannt.Such circuits and methods are for example from the DE 199 44 733 A1 , of the DE 198 14 594 A1 and the DE 199 52 950 A1 known.

Insbesondere die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgasnormen für Motoren haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren mit schnell und verzögerungsfrei ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische Elemente (kurz: Piezoaktoren) als vorteilhaft erwiesen.Especially the recently tightened emission standards for engines have in the automotive industry the development of fuel injectors with fast and delay-free responsive actuators or actuators triggered. In the practical realization Such actuators have in particular piezoelectric Elements (short: piezoelectric actuators) proved to be advantageous.

Derartige Piezoelemente sind üblicherweise als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen zu können.such Piezo elements are commonly called a stack of Piezokeramikscheiben composed over a be operated in parallel electrical circuit for a sufficient hub reach necessary electric field strengths to be able to.

Beim Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur Betätigung eines Einspritzventils Verwendung findet, d. h. beim Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststromes, werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik gestellt. Ein mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B. Benzin, Diesel etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr hohe Anforderungen an ein exaktes und reproduzierbares Öffnen und Schließen des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektronik gestellt. So müssen dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig Lastströme zum Laden und Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden. Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleichzeitig sollten während dieser Ladevorgänge und Entladevorgänge der Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrolliert zugeführt werden.At the Driving a capacitive load such as a piezoelectric actuator, the activity an injection valve is used, d. H. when charging and Discharging the capacitive load by means of an electrical load current, Considerable demands are placed on the control electronics. An actuated by a piezoelectric actuator injector is in internal combustion engines for the injection of fuel (eg gasoline, Diesel, etc.) used in a combustion chamber. This will be very high demands on a precise and reproducible opening and Shut down the valve and thus also placed on the control electronics. So have to while voltages in the range of up to several 100 V and for a short time load currents be provided for loading and unloading more than 10A. The control is usually in fractions of milliseconds. At the same time should during these loads and unloading the Power and the voltage to the actuator as controlled as possible to be supplied.

Eine Gemeinsamkeit der oben erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen und Verfahren besteht darin, dass mittels geschalteter Speicherinduktivitäten die Energie portionenweise transportiert wird. Damit sind zwar gute Wirkungsgrade erreichbar, allerdings mit sehr großem Bauelementeaufwand. Es treten auch wesentlich höhere kurzzeitige Ströme auf als der Mittelwert des in den Piezoaktor fließenden Stromes. Dies bedingt entsprechend hoch belastbare Bauelemente, beispielsweise Halbleiter-Schaltelemente, Kondensatoren und Induktivitäten.A Commonality of the above-mentioned known Circuit arrangements and methods is that by means of switched storage inductances the energy is transported in portions. That's good Efficiencies achievable, but with a very large component cost. There are also much higher ones short-term currents as the mean value of the current flowing into the piezoelectric actuator. This requires correspondingly highly resilient components, for example Semiconductor switching elements, capacitors and inductors.

Ein Piezoaktor stellt eine hohe kapazitive Last dar. Bei den Ladevorgängen fallen in dem Steuergerät hohe Spannungen an, die die Verlustleistung im Steuergerät erhöhen. Um die Funktionsfähigkeit des Steuergeräts zu gewährleisten, darf aber seine Temperatur vorbestimmte Werte nicht überschreiten, da es sonst zu Ausfällen kommt.One Piezo actuator represents a high capacitive load. During the charging process fall in the control unit high voltages, which increase the power loss in the control unit. Around the functionality of the ECU to ensure, But its temperature must not exceed predetermined values, since otherwise it would fail comes.

Die DE 10 2004 003 838 A1 offenbart einen in Serie mit einem Piezoaktor angeordneten Widerstand, der zwar eine gewisse Verlustleistung erzeugt, dabei handelt es sich jedoch um einen Strommesswiderstand, der üblicherweise im Steuergerät angeordnet ist. Dies ist auch sinnvoll und nötig, da ansonsten weitere Leitungen von der Injektorschaltung zum Steuergerät geführt werden müssten, um die Stromregelung durchzuführen.The DE 10 2004 003 838 A1 discloses a resistor arranged in series with a piezoelectric actuator, which indeed generates a certain power loss, but this is a current measuring resistor, which is usually arranged in the control unit. This is also useful and necessary, since otherwise more lines would have to be routed from the injector to the controller to perform the current control.

Die DE 10 2006 026 642 A1 offenbart die Erzeugung von Verlustleistung in der Injektorschaltung, allerdings sollen dort die Leistungsendstufen aus dem Steuergerät herausgenommen und direkt im oder am piezoelektrischen Aktor angeordnet werden. Des Weiteren wird vorgeschlagen, auch Funktionen, die unmittelbar mit dem piezoelektrischen Aktor zu tun haben, direkt in die Injektorschaltung auszulagern.The DE 10 2006 026 642 A1 discloses the generation of power loss in the injector, but there are the power amplifiers are taken out of the controller and placed directly in or on the piezoelectric actuator. Furthermore, it is also proposed to outsource functions directly related to the piezoelectric actuator directly into the injector circuit.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen eines Piezoaktors aufzuzeigen, mittels welchem mit möglichst geringem schaltungstechnischem Aufwand die Verlustleistung im Steuergerät begrenzt wird.It It is an object of the present invention to provide a circuit arrangement to show for charging and discharging a piezoelectric actuator by means of which with as possible limited circuit complexity, the power loss in the control unit limited becomes.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.These The object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Piezoaktor, der ein Steuergerät sowie eine Injektorschaltung aufweist. Das Steuergerät ist zur Bereitstellung eines Steuerpotentials vorgesehen. Die Injektorschaltung weist einen Piezoaktor auf, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Eine erste Leitung ist zwischen dem Steuergerät und der Injektorschaltung zum Führen des Steuerpotentials an die Injektorschaltung vorgesehen.The The invention relates to a circuit arrangement with a piezoelectric actuator, the one control unit and an injector circuit. The control unit is for Provision of a tax potential provided. The injector circuit has a piezoelectric actuator having a first terminal and a second port has. A first line is between the controller and the Injector circuit for guiding the control potential to the injector provided.

Zwischen einem Anschluss der Injektorschaltung zur Verbindung mit der ersten Leitung und dem ersten Anschluss des Piezoaktors ist eine Hilfsschaltung in der Injektorschaltung zum Erzeugen von Verlustleistung während des Ladens des Piezoaktors vorgesehen. Die Hilfsschaltung sorgt dafür, dass Verlustleistung während des Ladens des Piezoaktors nicht nur in dem Steuergerät, sondern auch in der Injektorschaltung anfällt. Da die Injektorschaltung in der Regel entfernt von dem Steuergerät angebracht ist, wird das Steuergerät weniger erwärmt, was das Risiko von Ausfällen des Steuergeräts verringert.Between a connection of the injector circuit for connection to the first line and the first connection of the piezoelectric actuator, an auxiliary circuit is provided in the injector circuit for generating power loss during the charging of the piezoelectric actuator. The auxiliary circuit ensures that power dissipation during charging of the piezo actuator not only in the control unit, but also in the injector arises. As the injector circuit is typically mounted remotely from the controller, the controller is heated less, reducing the risk of controller failure.

Das Steuergerät weist außerdem einen Schaltknoten auf, wobei eine in Reihenschaltung mit dem Piezoaktor angeordnete Stromeinstelleinrichtung zum Bestromen des Piezoaktors beim Laden vorgesehen ist. Der Ladestrom fließt dabei durch den Schaltknoten. Eine Messschaltung ist zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen und eine Steuereinrichtung dient zur Ansteuerung der Stromeinstelleinrichtung derart, dass der Strom durch die Stromeinstelleinrichtung mit Hilfe der Messschaltung geregelt wird. Anstelle modifizierter Schaltnetz-Topologien wird bei dieser Ausführungsform der Strom in den Piezoaktor mittels einer Stromeinstelleinrichtung geregelt. Dadurch werden Störungen auf den Versorgungsleitungen und im Funkwellenbereich vermieden. Zudem bedarf es im Vergleich zu modifizierten Schaltnetz-Topologien keines hohen schaltungstechnischen Aufwands mit teuren und großen induktiven und kapazitiven Bauteilen. Die Messschaltung kann an mehreren Orten vorgesehen werden, die Messschaltung könnte beispielsweise in Reihe zur Stromstelleinrichtung vorgesehen werden.The control unit also points a switching node, one in series with the piezoelectric actuator arranged Stromeinstelleinrichtung for energizing the piezoelectric actuator when loading is provided. The charging current flows through the switching node. A measuring circuit is for measuring the current through the Stromeinstelleinrichtung provided and a control device is used to control the Stromeinstelleinrichtung such that the current through the Stromeinstelleinrichtung is controlled by means of the measuring circuit. Instead of modified switching network topologies is in this embodiment the current in the piezoelectric actuator by means of a Stromeinstelleinrichtung regulated. This causes disruptions avoided on the supply lines and in the radio wave range. In addition, compared to modified switching network topologies no high circuit complexity with expensive and large inductive and capacitive components. The measuring circuit can be in several places be provided, the measuring circuit could, for example, in series be provided for power adjustment.

Als Ersatzschaltbild für die Stromeinstelleinrichtung kann ein Widerstand verwendet werden. Wird die über diesem Widerstand abfallende Spannung zu groß, ist auch die Verlustleistung groß. Die Temperatur bzw. die Wärmeabgabe der Piezosteuerung darf nicht zu groß werden, um Ausfälle der Piezosteuerung oder benachbart angeordneter Steuerungen auszuschließen. Deshalb kann durch die Veränderung der Spannung am Schaltknoten der Spannungsabfall über die Stromstelleinrichtung begrenzt werden.When Equivalent circuit diagram for the current setting device, a resistor can be used. Becomes the above Voltage dropping too high for this resistor is also the power loss large. The temperature or the heat output The piezo control must not be too large to failure of the Prevent piezo control or adjacent arranged controls. Therefore can through the change the voltage at the switching node the voltage drop across the Power setting device to be limited.

Gemäß einer Ausführungsform ist in dem Steuergerät zudem eine Spannungseinstellschaltung zum Verändern der Spannung am Schaltknoten während des Ladens der kapazitiven Last vorgesehen. Dadurch kann die Spannung am Schaltknoten beispielsweise stufenförmig der Spannung über dem Piezoaktor folgen, so dass ein geringer Spannungsabfall zwischen dem Schaltknoten und dem ersten Anschluss des Piezoaktors abfällt. Bei gegebenem Aufladestrom verringert sich somit die Verlustleistung in der Stromeinstelleinrichtung und in der Hilfsschaltung.According to one embodiment is in the controller a voltage setting circuit for changing the voltage at the switching node while the charging of the capacitive load provided. This can cause the tension at the switching node, for example, stepped the voltage across the Piezo actuator follow, leaving a small voltage drop between drops the switching node and the first port of the piezoelectric actuator. at given charging current thus reduces the power loss in the current setting device and in the auxiliary circuit.

Unter Laden des Piezoaktors wird sowohl das Aufladen als auch das Entladen verstanden, wobei beim Aufladen die Spannung über dem Piezoaktor erhöht wird, während sie beim Entladen verringert wird.Under Loading the piezo actuator will both charge and discharge understood, wherein during charging the voltage across the piezoelectric actuator is increased, while it is reduced during unloading.

Falls die Injektorschaltung lediglich durch die zwischen dem ersten Anschluss und zweitem Anschluss anliegende Spannung versorgt wird, wird kein zusätzlicher Steueranschluss für die Injektorschaltung benötigt, wodurch sich die Ansteuerung ver einfacht und die Anzahl der Leitungen zwischen Steuergerät und Injektorschaltung reduziert.If the injector only by the between the first port and second terminal applied voltage is supplied, no additional Control connection for the injector circuit is needed whereby the control ver simplifies and the number of lines between control unit and injector circuit reduced.

In einer Ausführungsform weist die Hilfsschaltung eine Aufladehilfsschaltung mit einem Transistor auf, wobei der Aufladestrom durch die Laststrecke des Transistors fließt. Der Widerstand der Laststrecke des Transistors lässt sich über seinen Steuereingang, z. B. Gate oder Basis, mit großer Genauigkeit einstellen, sodass auch die über dem Widerstand abfallende Verlustleistung genau eingestellt werden kann.In an embodiment the auxiliary circuit has a charging auxiliary circuit with a transistor on, wherein the charging current through the load path of the transistor flows. The resistance of the load path of the transistor can be controlled via its control input, z. As gate or base, with large Set accuracy so that the falling above the resistance Power loss can be accurately adjusted.

In einer Ausführungsform ist eine Ansteuerschaltung für den Transistor derart vorgesehen, dass der Transistor erst geöffnet wird, wenn das Potential an dem Anschluss für die erste Leitung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Dadurch wird ein Mindestspannungsabfall über der Injektorschaltung gewährleistet, was die über die Stromeinstelleinrichtung abfallende Spannung verringert.In an embodiment is a drive circuit for the transistor is provided such that the transistor is first opened, when the potential at the terminal for the first line becomes a predetermined one Threshold exceeds. This ensures a minimum voltage drop across the injector circuit, what the over the current setting device decreases falling voltage.

In einer Ausführungsform weist die Injektorschaltung einen ersten Widerstand zwischen dem Anschluss zur Verbindung mit der ersten Leitung und dem Steueranschluss des Transistors auf.In an embodiment For example, the injector circuit has a first resistance between the terminal for connection to the first line and the control terminal of the Transistor on.

Eine erste Diode ist zwischen dem Anschluss zur Verbindung mit der ersten Leitung und dem Steueranschluss des Transistors vorgesehen, wobei die Anode der ersten Diode mit dem Steueranschluss des Transistors verbunden ist.A first diode is between the connection to connect to the first one Provided line and the control terminal of the transistor, wherein the anode of the first diode to the control terminal of the transistor connected is.

Eine Reihenschaltung von einem zweiten Widerstand und einer zweiten Zenerdiode ist derart vorgesehen, dass die Kathode der zweiten Zenerdiode mit dem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist. Mit dieser Anordnung kann sichergestellt werden, dass die Spannung, die über der Reihenschaltung von Laststrecke und Piezoaktor abfällt, über lange Aufladezeiträume nahezu konstant gehalten wird, so dass weniger Spannung in dem Steuergerät abfällt.A Series connection of a second resistor and a second Zener diode is provided such that the cathode of the second Zener diode with is coupled to the control terminal of the transistor. With this arrangement can be ensured that the voltage is above the Series connection of load path and piezo actuator drops over a long time Aufladezeiträume is kept almost constant, so that less voltage drops in the controller.

In einer Ausführungsform weist die Hilfsschaltung eine Entladehilfsschaltung zum Aufteilen des Entladestroms in einen Strom, der in die erste Leitung fließt, und einen Strom, der zu einem Masseanschluss der Injektorschaltung fließt, auf. Mittels dieser Aufteilung wird der Entladestrom in einen Teil, der Verlustleistung in dem Steuergerät generiert, und einen Teil, der Verlustleistung in der Injektorschaltung generiert, aufgeteilt.In an embodiment the auxiliary circuit has an unloading auxiliary circuit for splitting the Discharge current into a current flowing in the first line, and a current flowing to a ground terminal of the injector circuit. By means of this division, the discharge current into a part, the Power loss in the control unit generated, and a part that generates power loss in the injector circuit, divided up.

Falls die Entladehilfsschaltung einen Stromspiegel mit zwei Transistoren aufweist, kann die Aufteilung des Stroms durch Steuern an dem Anschluss zur Verbindung mit der ersten Leitung erfolgen, ohne dass es einer zweiten Ansteuerleitung bedarf.If the discharge auxiliary circuit is a power Having mirror with two transistors, the division of the current can be done by controlling the connection for connection to the first line, without the need for a second drive line.

Dabei koppelt die Laststrecke des ersten Transistors den Anschluss zur Verbindung mit der ersten Leitung mit einem ersten Anschluss des Piezoaktors und die Laststrecke des zweiten Transistors die Masse mit dem ersten Anschluss des Piezoaktors, wobei der zweite Anschluss des Piezoaktors mit der Masse verbunden ist. Der Stromspiegel sorgt dafür, dass der Strom möglichst in einem festen Verhältnis auf die Hilfsschaltung und die Steuerschaltung aufgeteilt wird, auch wenn sich der Ladezustand des Piezoaktors ändert.there The load path of the first transistor couples the connection to Connection with the first line with a first connection of the Piezoaktors and the load path of the second transistor, the ground with the first connector of the piezoelectric actuator, with the second connector of the piezoelectric actuator is connected to the ground. The current mirror provides for this, that the electricity as possible in a fixed relationship is divided into the auxiliary circuit and the control circuit, even if the state of charge of the piezoelectric actuator changes.

Falls ein Messwiderstand in der Verbindung zwischen dem ersten Anschluss des Piezoaktors und der Masse vorgesehen ist, kann der Strom durch die Stromeinstelleinrichtung mit Hilfe der über dem Messwiderstand abfallenden Spannung geregelt werden. Vorzugsweise ist der Messwiderstand in dem Steuergerät untergebracht, damit keine zusätzlichen Leitungen zwi schen der Injektorschaltung und dem Steuergerät vorgesehen werden müssen.If a measuring resistor in the connection between the first connection the piezoelectric actuator and the mass is provided, the current can through the Stromeinstelleinrichtung using the falling over the measuring resistor Voltage are regulated. Preferably, the measuring resistor is in the control unit housed so no extra Lines between tween the injector and the control unit provided Need to become.

Wenn die Hilfsschaltung mindestens eine integrierte Schaltung aufweist, können die in der Hilfsschaltung abfallenden Spannungen bzw. anfallenden Ströme genauer geregelt werden, da in der integrierten Schaltung eine Vielzahl von Kompensationsschaltungen für Temperaturschwankungen, Spannungsänderungen und ähnliches bereitgestellt werden kann.If the auxiliary circuit has at least one integrated circuit, can the falling in the auxiliary circuit voltages or resulting currents more accurate be regulated because in the integrated circuit a variety of compensation circuits for Temperature fluctuations, voltage changes and the like can be provided.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine Balance der Verlustleistung zwischen Steuergerät und Injektorschaltung ermöglicht wird. Dabei ist die Schnittstelle zwischen den beiden Komponenten einfach ausgestaltet und die Anforderungen an die im Injektor zu integrierenden Teile sind gering.In summary let yourself find that a balance of power dissipation between the controller and injector circuit allows becomes. Here is the interface between the two components Simply designed and the requirements for the injector too Integrating parts are small.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher veranschaulicht. Dabei zeigenThe The invention is illustrated in the drawings with reference to several embodiments illustrated in more detail. Show

1 eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors mit einem Steuergerät und einer Injektorschaltung, 1 a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator with a control unit and an injector circuit,

2 eine erste Ausführungsform der Injektorschaltung, 2 A first embodiment of the injector circuit,

3 eine zweite Ausführungsform einer Injektorschaltung, 3 A second embodiment of an injector circuit,

4 eine dritte Ausführungsform einer Injektorschaltung, 4 A third embodiment of an injector circuit,

5 eine Aufladehilfeschaltung der dritten Ausführungsform der Injektorschaltung, 5 a charging auxiliary circuit of the third embodiment of the injector circuit,

6 eine Entladehilfsschaltung der dritten Ausführungsform der Injektorschaltung, 6 an unloading auxiliary circuit of the third embodiment of the injector circuit,

7 den zeitlichen Verlauf der Spannungen in der Schaltungsanordnung zum Ansteuern des Piezoaktors. 7 the time course of the voltages in the circuit arrangement for driving the piezoelectric actuator.

1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors P. Die Schaltungsanordnung weist ein Steuergerät 1 zur Bereitstellung einer Spannung Ust sowie eine Injektorschaltung 2 auf. Das Steuergerät 1 enthält eine Schaltungsanordnung 10, die auch als Endstufe des Piezoaktors bezeichnet wird, zur Ansteuerung eines Piezoaktors P eines Kraftstoff-Einspritzventils eines Kraftfahrzeugs. 1 shows a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator P. The circuit arrangement has a control unit 1 for providing a voltage Ust and an injector circuit 2 on. The control unit 1 contains a circuit arrangement 10 , which is also referred to as the final stage of the piezoelectric actuator, for controlling a piezoelectric actuator P of a fuel injection valve of a motor vehicle.

Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P, der in der Injektorschaltung 2 untergebracht ist. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen ersten Spannung Ub und eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse GND bezogenen zweiten Spannung Uh, die kleiner als die erste Spannung Ub ist.The control takes place by charging and discharging the a capacitive load performing piezoelectric actuator P, which in the injector 2 is housed. The circuit arrangement 10 comprises a first voltage source for providing a reference to an electrical ground GND first voltage Ub and a second voltage source for providing a reference to the electrical ground GND second voltage Uh, which is smaller than the first voltage Ub.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt Ub z. B. 180 V und Uh 90 V. Ein Schaltungsknoten K ist über einen ersten Schalter S1 mit der ersten Spannung Ub und über einen zweiten Schalter S3, S4 mit der Spannung Uh und über einen dritten Schalter S2 mit der Masse GND verbindbar. Die Schaltvorgänge im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden unten noch detailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür Steuersignale s1 für den Schalter S1, s2 für den Schalter S2, s3 und s4 für die Schalter S3 und S4 erzeugt und ausgibt.In the illustrated embodiment Ub is z. B. 180 V and Uh 90 V. A circuit node K is connected via a first switch S1 to the first voltage Ub and a second switch S3, S4 with the voltage Uh and a third switch S2 to the ground GND. The switching operations during operation of the circuit arrangement 10 will be described in more detail below and are effected by a control device SE, which for this purpose generates and outputs control signals s1 for the switch S1, s2 for the switch S2, s3 and s4 for the switches S3 and S4.

Wenngleich dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, so sind die Schalter S1, S2, S3, S4 bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalttransistoren, z. B. als MOSFETs gebildet. Die Schalter S1 und S2 sind jeweils von einem Transistor gebildet, dessen Steueranschluss, Gate bzw. Basis, mit dem Ansteuersignal s1 bzw. s2 versorgt wird. Der Schalter S3, S4 ist in der Figur als Reihenschaltung als Schalter S3 und S4 eingezeichnet. Dieser Schalter ist tatsächlich aus einer Reihenschaltung von zwei MOSFETs gebildet, um einen Strom in beiden entgegen gesetzten Richtungen schalten zu können. Wird S3 eingeschaltet, so kann ein Strom über S3 und die intrinsische Source-Drain Diode des Transistors S4 in eine Richtung fließen, wobei in 4 diese Richtung von rechts nach links zeigt. Der umgekehrte Stromfluss von links nach rechts lässt sich dementsprechend durch Einschalten von S4 freigeben. Die zum Schalten der Einzelschalter S3 und S4 erforderlichen und von der Steuereinrichtung SE gelieferten Ansteuersignale sind mit s3 und s4 bezeichnet.Although this is not shown in the figure for the sake of simplicity, the switches S1, S2, S3, S4 are in this embodiment by switching transistors, for. B. formed as MOSFETs. The switches S1 and S2 are each formed by a transistor whose control terminal, gate or base, with the drive signal s1 and s2 is supplied. The switch S3, S4 is shown in the figure as a series circuit as a switch S3 and S4. This switch is actually formed of a series connection of two MOSFETs in order to switch a current in both opposite directions. When S3 is turned on, current may flow through S3 and the intrinsic source-drain diode of transistor S4 in one direction, in FIG 4 this direction from right to left shows. The reverse current flow from left to right can be demented enable it by switching on S4. The control signals required for switching the individual switches S3 and S4 and supplied by the control device SE are denoted by s3 and s4.

Die Stromquelle CS ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Transistor ausgebildet, dessen Steueranschluss mit dem Ansteuersignal sip beaufschlagt wird, welches ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale s1 bis s4 wird mit dem Ansteuersignal sip kein Einschalten oder Ausschalten des betreffenden Transistors bewirkt, sondern ein bestimmter Laststrom Ip wird beim Aufladen oder Entladen eingestellt. Dabei wird der Transistor im linearen Bereich der Kennlinie betrieben, wodurch der Widerstand der Stromquelle CS genau eingestellt werden kann. Die Stromquelle CS ist zwischen dem Schaltknoten K und dem Anschluss St des Steuergeräts 1 vorgesehen. An diesem Anschluss St ist die Leitung LI angeschlossen, die zu dem Anschluss ST2 der Injektorschaltung 2 führt.The current source CS is also formed in the illustrated embodiment as a transistor whose control terminal is acted upon by the drive signal sip, which is also generated by the control device SE. Unlike the drive signals s1 to s4, no turn-on or turn-off of the relevant transistor is effected with the drive signal sip, but a specific load current Ip is set during charging or discharging. In this case, the transistor is operated in the linear region of the characteristic, whereby the resistance of the current source CS can be accurately adjusted. The current source CS is between the switching node K and the terminal St of the controller 1 intended. At this connection St, the line LI is connected to the connection ST2 of the injector circuit 2 leads.

Die Injektorschaltung 2 enthält eine Hilfsschaltung 20 sowie den Piezoaktor P. Die Hilfsschaltung 20 weist drei Anschlüsse auf, deren erster Anschluss mit dem Anschluss St2 der Injektorschaltung 2 verbunden ist. Ihr zweiter Anschluss ist mit einem Masseanschluss GP der Injektorschaltung 2 verbunden, während ein dritter Anschluss mit einem ersten Anschluss A1 des Piezoaktors P verbunden ist. Der zweite Anschluss A2 des Piezoaktors P ist mit dem Masseanschluss GP der Injektorschaltung 2 verbunden.The injector circuit 2 contains an auxiliary circuit 20 and the piezoelectric actuator P. The auxiliary circuit 20 has three ports whose first port is connected to port St2 of the injector circuit 2 connected is. Its second connection is with a ground connection GP of the injector circuit 2 while a third terminal is connected to a first terminal A1 of the piezoelectric actuator P. The second terminal A2 of the piezoelectric actuator P is connected to the ground terminal GP of the injector circuit 2 connected.

Das Steuergerät 1 weist auch einen zweiten Anschluss Gt auf, der über eine Leitung LG mit dem Masseanschluss Gp der Injektorschaltung 2 verbunden ist. Die Leitungen LI und LG sind jeweils etwa 1 m lang, da die Injektorschaltung 2 unmittelbar am Motor angebracht ist, während das Steuergerät davon entfernt angebracht ist. Das Steuergerät 1 weist auch einen Masseanschluss 0 auf, der mit der Masse GND verbunden ist. Zwischen dem Anschluss GT und dem Masseanschluss GND ist im Steuergerät 1 der Messwiderstand Rs vorgesehen. Der Strom in den Piezoaktor P fließt vollständig durch diesen Messwiderstand Rs, weswegen er zum Ansteuern des durch die Stromquelle CS fließenden Stroms Ip verwendet wird.The control unit 1 also has a second port Gt connected via a line LG to the ground terminal Gp of the injector circuit 2 connected is. The lines LI and LG are each about 1 m long, as the injector circuit 2 is attached directly to the engine while the controller is mounted away from it. The control unit 1 also has a ground terminal 0 connected to ground GND. Between the connection GT and the ground connection GND is in the control unit 1 the measuring resistor Rs provided. The current in the piezoelectric actuator P flows completely through this measuring resistor Rs, which is why it is used to drive the current Ip flowing through the current source CS.

In einer Messschaltung 14 wird der Spannungsabfall Um über den Messwiderstand Rs gemessen. Dieser Spannungsabfall ist proportional zum durch diesen Messwiderstand Rs fließenden Strom, der wiederum gleich dem Strom Ip durch die Stromeinstelleinrichtung CS ist.In a measuring circuit 14 the voltage drop Um is measured across the measuring resistor Rs. This voltage drop is proportional to the current flowing through this measuring resistor Rs, which in turn is equal to the current Ip through the current setting device CS.

Durch die Regelung des Strom Ip kann der Ladestrom für den Piezoaktor P besser gesteuert werden, so dass Störungen auf den Versorgungsleitungen und im Funkwellenbereich vermieden werden. Die Impedanzen der Leitungen LI und LG haben große induktive und kapazitive Anteile, deren Einfluss mit Hilfe der Stromeinstelleinrichtung CS ausgeglichen werden kann.By the regulation of the current Ip, the charging current for the piezoelectric actuator P can be better controlled, so that disturbances avoided on the supply lines and in the radio wave range become. The impedances of the lines LI and LG have large inductive and capacitive components whose influence with the help of Stromeinstelleinrichtung CS can be compensated.

Allerdings treten dabei in der Stromeinstelleinrichtung CS, auch Stromquelle genannt, Verlustleistungen auf, da diese als gesteuerter Widerstand betrieben wird. Eine Maßnahme dagegen ist die Verwendung von einem gestuften Spannungsverlauf am Knoten K. Während einer ersten Aufladephase wird der Schalter S3, S4 geschlossen, so dass der Aufladestrom aus der Spannung Uh gespeist wird. Hat die Piezospannung Up einen Schwellwert überschritten, so beginnt die zweite Aufladephase. Der Schalter S3, S4 wird geöffnet und der Schalter S1 wird geschlossen. Damit steigt die Spannung Uk auf die Spannung Ub an und der Piezoaktor P wird über die Stromquelle CS aus der ersten Spannungsversorgung, die die Spannung Ub bereitstellt, versorgt.Indeed occur in the current setting CS, also power source called, power losses, as these operated as controlled resistance becomes. A measure however, the use of a stepped voltage curve at node K. During a first charging phase, the switch S3, S4 is closed, so that the charging current is supplied from the voltage Uh. Has If the piezo voltage Up has exceeded a threshold value, then the second charging phase. The switch S3, S4 is opened and the switch S1 is closed. Thus, the voltage Uk rises to the voltage Ub and the piezoelectric actuator P is over the current source CS from the first power supply, which is the voltage Ub provides, supplies.

Beim Entladen wird ebenfalls zunächst der Schalter S3, S4 geschlossen, wodurch der Entladestrom in die zweite Spannungsquelle, die die Spannung Uh bereitstellt, fließt. Hat die Spannung Up einen vorbestimmten Schwellwert unterschritten, wird der Schalter S3, S4 wieder geöffnet und der Schalter S2 geschlossen. Somit fließt der Entladestrom durch den Schalter S2 zur Masse GND.At the Unloading is also first the switch S3, S4 closed, whereby the discharge current in the second voltage source providing the voltage Uh flows. Has the voltage Up falls below a predetermined threshold, the switch S3, S4 is opened again and the switch S2 is closed. Thus flows the discharge current through the switch S2 to ground GND.

Durch die Verwendung der Zwischenspannung Uh wird gewährleistet, dass die über der Spannungsquelle CS abfallende Spannung begrenzt wird. Damit verringert sich die von der Spannungsquelle CS erzeugte Verlustleistung. Das Steuergerät 1 ist in der Nähe des Motorsteuergeräts angebracht oder ist Teil des Motorsteuergeräts. Ein Motorsteuergerät kann in einem üblichen Kraftfahrzeug etwa 40 W an Verlustleistung abführen, ohne dass eine spezielle Kühlung notwendig ist. Wird mehr Verlustleistung erzeugt, müsste das Motorsteuergerät zusätzlich gekühlt werden, was es zu vermeiden gilt. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die in der Spannungsquelle CS erzeugte Verlustleistung begrenzt wird.The use of the intermediate voltage Uh ensures that the voltage drop across the voltage source CS is limited. This reduces the power loss generated by the voltage source CS. The control unit 1 is located near the engine control unit or is part of the engine control unit. An engine control unit can dissipate about 40 W of power loss in a conventional motor vehicle, without the need for special cooling. If more power loss is generated, the engine control unit would have to be additionally cooled, which should be avoided. For this reason, it is important that the power loss generated in the voltage source CS is limited.

In der Injektorschaltung 2 ist deshalb die Hilfsschaltung 20 vorgesehen, die dafür sorgt, dass ein Teil der Verlustleistung in der Injektorschaltung 2 und nicht im Steuergerät 1 erzeugt wird. Da die Injektorschaltung 2 von dem Steuergerät 1 beabstandet ist, erhöht die in der Injektorschaltung 2 erzeugte Verlustleistung nicht bzw. nur unwesentlich die Temperatur des Motorsteuergeräts 1.In the injector circuit 2 is therefore the auxiliary circuit 20 provided, which ensures that part of the power loss in the injector circuit 2 and not in the control unit 1 is produced. Because the injector circuit 2 from the controller 1 spaced increases in the injector circuit 2 generated power loss not or only slightly the temperature of the engine control unit 1 ,

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Injektorschaltung 2. Die Injektorschaltung 2 weist eine Hilfsschaltung 20 und den Piezoaktor P auf. Im Unterschied zu der 1 enthält die Hilfsschaltung 20 keinen Anschluss für die Masse GND. 2 shows a first embodiment of the injector circuit 2 , The injector circuit 2 has an auxiliary circuit 20 and the piezoelectric actuator P on. Unlike the 1 contains the auxiliary circuit 20 no connection for the ground GND.

Die Hilfsschaltung 20 enthält eine Parallelschaltung eines Widerstands Rv und einer Diode D1, die zwischen den Anschluss St2 der Injektorschaltung 2 und den ersten Anschluss A1 des Piezoaktors P geschaltet ist. Dabei ist die Anode der Diode D1 mit dem Anschluss St2 und die Kathode mit dem ersten Anschluss A1 des Piezoaktors P verbunden. Über den Piezoaktor P fällt die Spannung Up ab. Während des Aufladevorgangs fällt an der Didode D1 nur deren Durchlassspannung ab, sodass der Vorwiderstand Rv praktisch unwirksam ist. Der Aufladevorgang ist daher nahezu unverändert.The auxiliary circuit 20 includes a parallel connection of a resistor Rv and a diode D1 connected between the terminal St2 of the injector circuit 2 and the first terminal A1 of the piezoelectric actuator P is connected. In this case, the anode of the diode D1 is connected to the terminal St2 and the cathode to the first terminal A1 of the piezoelectric actuator P. Via the piezoelectric actuator P, the voltage Up drops. During the charging process, only the forward voltage drops at the Didode D1, so that the series resistor Rv is practically ineffective. The charging process is therefore almost unchanged.

Wird bei aufgeladenem Piezoaktor P die Spannung am Steueranschluss unter jene des Piezoaktors P verringert, sperrt die Diode D1 und der Vorwiderstand Rv wird wirksam. Somit erzeugt Rv die notwendige Verlustleistung während des Entladevorgangs.Becomes with charged piezo actuator P, the voltage at the control connection below reduces that of the piezoelectric actuator P, blocks the diode D1 and the series resistor Rv becomes effective. Thus, Rv generates the necessary power loss while the unloading process.

Wird D1 als Zenerdiode ausgeführt, bleibt die Aufladung weiterhin unbetroffen, bei Entladung sind allerdings auch höhere Ströme als sie der Vorwiderstand Rv zulassen würde möglich.Becomes D1 executed as a Zener diode, the charge remains unaffected, however, during discharge are also higher streams as they allow the resistor Rv possible.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Injektorschaltung 2. Wie in 2 enthält die Hilfsschaltung 20 keinen Anschluss für die Masse. Allerdings ist einen weiterer Anschluss St1 vorhanden, der auch Ausgangsanschluss für die Injektorschaltung 2 ist. Dieser Anschluss wird auch über eine Leitung mit einem weiteren Ausgang der Steuerschaltung 1 verbunden. In der Steuerschaltung 1 wird das Eingangssignal am Anschluss St1 ebenfalls angesteuert, so dass das Aufladen des Piezoaktors P wahlweise über den Vorwiderstand Rv und alternativ ohne Vorwiderstand über den Anschluss St1 erfolgt. 3 shows a second embodiment of an injector circuit 2 , As in 2 contains the auxiliary circuit 20 no connection for the mass. However, another connection St1 is present, which also has output connection for the injector circuit 2 is. This connection is also via a line with another output of the control circuit 1 connected. In the control circuit 1 the input signal at the terminal St1 is also driven, so that the charging of the piezoelectric actuator P takes place optionally via the series resistor Rv and alternatively without series resistor via the terminal St1.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Injektorschaltung zeigt 4. Dabei enthält die Injektorschaltung 20 eine Aufladehilfsschaltung 21 und eine Entladehilfsschaltung 22. Die Aufladehilfsschaltung 21 und die Entladehilfsschaltung 22 weisen jeweils drei Anschlüsse auf, die mit dem Anschluss St2, mit dem ersten Anschluss A1 des Piezoaktors P und mit dem Masseanschluss GP verbunden sind.A third embodiment of the injector circuit shows 4 , The injector circuit contains this 20 a charging auxiliary circuit 21 and an unloading auxiliary circuit 22 , The charging auxiliary circuit 21 and the unloading auxiliary circuit 22 each have three terminals which are connected to the terminal St2, to the first terminal A1 of the piezoelectric actuator P and to the ground terminal GP.

Die Hilfsschaltung 20 lässt eine direkte Steuerung der Aufladevorgänge über Stromquellen zu, ohne eine zusätzliche Versorgungsspannung zu benötigen. Dies ist eine sehr robuste Methode und benötigt auch keine zusätzlichen Anschlüsse. Während einer ersten Aufladephase erzeugt die Aufladehilfsschaltung 21 einen Spannungsabfall zwischen dem Anschluss St2 und dem ersten Anschluss A1 des Piezoaktors P. Damit sieht die Spannungsquelle CS des Steuergeräts 1 eine konstante Spannung Ust unabhängig von der Piezospannung Up. Die über der Stromquelle CS abfallende Spannung wird als Ucs bezeichnet, so dass folgende Bedingung gilt: Ust ≤ Uk – Ucs.The auxiliary circuit 20 allows direct control of charging via power sources without the need for additional supply voltage. This is a very robust method and does not require any additional connections. During a first charging phase, the charging auxiliary circuit generates 21 a voltage drop between the terminal St2 and the first terminal A1 of the piezoelectric actuator P. Thus sees the voltage source CS of the controller 1 a constant voltage Ust independent of the piezo voltage Up. The voltage drop across the current source CS is referred to as Ucs, so that the following condition applies: Ust ≦ Uk-Ucs.

Da mittels der Hilfsspannung 20 während des Aufladens die Spannung Ust auf einen hinreichend großen Wert gebracht werden kann, ist die Spannung Ucs relativ gering und die Verluste entstehen vorwiegend in der Hilfsschaltung 20.Because of the auxiliary voltage 20 During charging, the voltage Ust can be brought to a sufficiently large value, the voltage Ucs is relatively low and the losses occur mainly in the auxiliary circuit 20 ,

Soll auf höhere Spannung Up aufgeladen werden, muss die Speisespannung der Ladestromquelle auf ein höheres Niveau gehoben werden, beispielsweise durch Umschalten auf die Spannung Ub als Speisespannung für den Knoten K. In dieser Phase reicht es aus, wenn die Spannung Ust der zunehmenden Piezospannung Up folgt. In dieser Phase wird die überwiegende Verlustleistung in der Steuerstromquelle CS entstehen.Should on higher Voltage Up must be charged, the supply voltage of the charging current source to a higher one Level can be lifted, for example by switching to the voltage Ub as supply voltage for node K. In this phase it is sufficient if the voltage Ust the increasing piezo voltage Up follows. At this stage, the predominant Power loss in the control power source CS arise.

Bei der Entladung bietet sich dagegen die Aufteilung des Entladestroms IE über einen festen Faktor an, da die Piezospannung Up alle Werte zwischen Null und der maximalen Spannung annehmen kann. Die Aufladehilfsschaltung 21 und die Entladehilfsschaltung 22 sind getrennt voneinander realisierbar und können auch einzeln eingesetzt werden.On the other hand, during the discharge, the division of the discharge current IE via a fixed factor offers itself, since the piezo voltage Up can assume all values between zero and the maximum voltage. The charging auxiliary circuit 21 and the unloading auxiliary circuit 22 can be realized separately from each other and can also be used individually.

Es ist auch möglich, die vorgeschlagene Hilfsschaltung auch für Steuergeräte zu verwenden, die als Endstufen abgewandelte Schaltnetzteil-Topologien anstelle der Stromquelle CS verwenden.It is possible, too, to use the proposed auxiliary circuit for control devices that as power amplifiers modified switching power supply topologies instead of the power source Use CS.

5 zeigt die Details der Aufladehilfsschaltung 21 einer Injektorschaltung 2 nach 4. Die Aufladehilfsschaltung 21 enthält einen ersten Widerstand RG, einen zweiten Widerstand Rz, eine erste Diode Dg, eine zweite Diode Dz und einen Transistor T. Der Transistor ist ein Leistung-MOS-Feldeffekttransistor, der auch eine intrinsische Diode Di aufweist. 5 shows the details of the charging auxiliary circuit 21 an injector circuit 2 to 4 , The charging auxiliary circuit 21 includes a first resistor RG, a second resistor Rz, a first diode Dg, a second diode Dz and a transistor T. The transistor is a power MOS field effect transistor which also has an intrinsic diode Di.

Die Aufladehilfsschaltung 21 empfängt ihre Spannungsversorgung von dem Anschluss St2, der das Potential Ust bereitstellt, und von dem Masseanschluss Gt der das Massepotential bereitstellt. Mit dem Anschluss St2 sind ein erster Anschluss des ersten Widerstands RG und die Kathode der ersten Diode Dg angeschlossen. Der zweite Anschluss des ersten Widerstands RG und die Anode der ersten Diode Dg sind mit dem Zwischenknoten ZK verbunden, der auch mit dem Gate des Feldeffekttransistors T verbunden ist. An dem Zwischenknoten ZK ist auch die Kathode der zweiten Diode Dz angeschlossen. Die Anode der zweiten Diode Dz ist mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands Rz angeschlossen, dessen zweiter Anschluss mit dem Masseanschluss Gp verbunden ist.The charging auxiliary circuit 21 receives its power supply from the terminal St2, which provides the potential Ust, and from the ground terminal Gt which provides the ground potential. To the terminal St2, a first terminal of the first resistor RG and the cathode of the first diode Dg are connected. The second terminal of the first resistor RG and the anode of the first diode Dg are connected to the intermediate node ZK, which is also connected to the gate of the field effect transistor T. At the intermediate node ZK and the cathode of the second diode Dz is connected. The anode of the second diode Dz is connected to a first terminal of the second resistor Rz whose second terminal is connected to the ground terminal Gp.

Der als p-MOSFET ausgebildete Transistor T ist mit seiner Source an den Anschluss St2 angeschlossen, während seine Drain mit dem ersten Anschluss A1 des Piezoaktors P verbunden und sein Gate mit dem Knoten ZK verbunden ist.The trained as p-MOSFET transistor T is connected with its source to the terminal St2, while its drain is connected to the first terminal A1 of the piezoelectric actuator P and its gate is connected to the node ZK.

Der zweite Anschluss A2 des Piezoaktors P ist mit dem Masseanschluss Gp verbunden. Am Anfang des Aufladevorgangs ist die Spannung Up nahe 0 V. Solange die Eingangsspannung zwischen den Anschlüssen St2 und Gt die Zehnerspannung UDz nicht übersteigt, sperrt der Transitor T. Somit kann kein Strom durch die Laststrecke des Transistors T fließen. Die Spannung Ust steigt rasch an, da die Stromquelle CS einen Strom einprägt und an dem Anschluss St2 wenig Kapazität angeschlossen ist. Die Spannung Uzk steigt somit auf den Wert der Zenerspannung UDz der ersten Diode Dz an. Diese Zenerspannung UDz beträgt beispielsweise 80 V.Of the second terminal A2 of the piezoelectric actuator P is connected to the ground terminal Gp connected. At the beginning of the charging process, the voltage is Up near 0 V. As long as the input voltage between the terminals St2 and Gt does not exceed the Zener voltage UDz, the Transitor locks T. Thus, no current can flow through the load path of the transistor T. The Voltage Ust rises rapidly because the current source CS is a current impresses and at the port St2 little capacity is connected. The voltage Uzk thus increases to the value of the zener voltage UDz of the first diode Dz on. This zener voltage UDz is for example 80 V.

Die Stromquelle CS prägt einen vorbestimmten Strom ein. Dadurch fließt durch den Widerstand RG ein Strom, der bewirkt, dass eine Spannung über dem ersten Widerstand RG abfällt, der gleich der Gate-Source-Spannung Ugs des Transistors T ist. Der Transistor T wird dabei gerade soweit aufgesteuert, wie es der eingeprägte Strom Ip erfordert. Ist die von der Stromquelle CS bereitgestellte Eingangsspannung Ust größer als die Spannung Udz + Ug, wird die Schaltung folglich aktiviert, wobei Ug die Schwellenspannung des Transistors T bezeichnet.The Current source CS coins a predetermined current. As a result, flows through the resistor RG a current that causes a voltage across the first resistor RG drops which is equal to the gate-source voltage Ugs of the transistor T. Of the Transistor T is just turned on as far as the impressed current Ip requires. Is the input voltage provided by the current source CS Ust larger than the voltage Udz + Ug, the circuit is thus activated, where Ug denotes the threshold voltage of the transistor T.

Der Schaltknoten K in dem Steuergerät 1 liegt in dem Beispiel während der ersten Aufladephase auf 90 bis 95 V. Über der Stromquelle CS fällt eine Spannung ab, sodass das Potential Ust auf etwa 83 V liegt. Während der ersten Aufladephase, bei der die Spannung Up von 0 auf fast 83 V ansteigt, fällt während der überwiegenden Zeit der größte Spannungsabfall über der Laststrecke des Transistors T ab. Somit wird nicht in dem Steuergerät 1, sondern in der Injektorschaltung 2 der überwiegende Teil der Verlustleistung erzeugt.The switching node K in the control unit 1 is in the example during the first charging phase to 90 to 95 V. About the current source CS drops a voltage, so that the potential Ust is about 83 V. During the first charging phase, during which the voltage Up rises from 0 to almost 83 V, the greatest voltage drop over the load path of the transistor T falls during the majority of the time. Thus, not in the controller 1 but in the injector circuit 2 the majority of the power loss generated.

In der zweiten Aufladephase muss die Spannung Uk erhöht werden, beispielsweise auf 180 V. Die Stromquelle CS prägt weiterhin einen Strom ein, wobei die Spannung Ust ansteigt. Dabei sorgt die zweite Diode Dg dafür, dass die Gate-Source-Spannung Ugs nicht zu groß wird. Die Gate-Source-Spannung Ugs wird auf die Zenerspannung UDG der zweiten Diode Dg begrenzt, wobei die Zenerspannung UDG beispielsweise bei 10 bis 15 V liegt.In the second charging phase, the voltage Uk must be increased, for example, to 180 V. The current source CS continues to impress a current, wherein the voltage Ust increases. The second diode Dg ensures that the gate-source voltage Ugs does not get too big. The gate-source voltage Ugs is set to the zener voltage UDG second diode Dg limited, wherein the zener voltage UDG, for example at 10 to 15V.

Während der zweiten Aufladephase steigt auch die Spannung Uzk am Zwischenknoten Zk an. Dies liegt daran, dass sich der Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand Rz bemerkbar macht. Der Strom durch die zweite Diode DZ erhöht sich bei Ansteigen des Potentials Ust, wodurch an dem zweiten Widerstand Rz, der beispielsweise zu 1 kOhm gewählt wird, eine Spannung von bis zu 90 V abfällt, wenn davon ausgegangen wird, dass die Zenerspannungen der Dioden Dz und Dg 80 V bzw. 10 V betragen und eine Spannung am Anschluss St2 von 180 V bereitgestellt wird.During the second charging phase also increases the voltage Uzk at the intermediate node Zk on. This is because the voltage drop across the second resistance Rz noticeable. The current through the second Diode DZ increased when the potential Ust rises, causing the second resistor Rz, which is chosen to be 1 kOhm, for example, a voltage of up to 90 V drops off when It is assumed that the zener voltages of the diodes Dz and Dg 80 V or 10 V and a voltage at port St2 of 180V is provided.

Während dieser zweiten Aufladephase ist der Transistor T im wesentlichen voll aufgesteuert, so dass nur wenig Spannung über seiner Drain-Source-Strecke abfällt und die meiste Verlustleistung in dem Steuergerät, und dort speziell in der Stromquelle CS entsteht.During this second charging phase, the transistor T is essentially fully open, so that only little tension over its drain-source path drops and most of the power loss in the controller, and there specifically in the Power source CS is created.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Entladehilfsschaltung 22 nach 4. Die Entladehilfsschaltung 22 enthält einen ersten Transistor T1, einen zweiten Transistor T2, einen ersten Widerstand R1, einen zweiten Widerstand R2 und eine Diode D2. Der erste Transistor T1 und der zweite Transistor T2 sind jeweils als pnp-Transistoren ausgebildet. Der Kollektor und die Basis des ersten Transistors sind mit dem Anschluss St2 verbunden, während sein Emitter mit einem ersten Anschluss des Widerstands R1 verbunden ist. Der zweite Anschluss dieses ersten Widerstands R1 ist mit dem Anschluss A1 des Piezoaktors P verbunden. 6 shows an embodiment of an unloading auxiliary circuit 22 to 4 , The unloading auxiliary circuit 22 includes a first transistor T1, a second transistor T2, a first resistor R1, a second resistor R2 and a diode D2. The first transistor T1 and the second transistor T2 are each formed as pnp transistors. The collector and the base of the first transistor are connected to the terminal St2, while its emitter is connected to a first terminal of the resistor R1. The second terminal of this first resistor R1 is connected to the terminal A1 of the piezoelectric actuator P.

Der zweite Transistor T2 ist mit seinem Kollektor mit dem Masseanschluss Gp verbunden, während sein Basisanschluss mit dem Anschluss St2 verbunden ist. Der Emitter ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Widerstands R2 verbunden, dessen zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss A1 des Piezoaktors verbunden ist. Die Diode D2 ist mit ihrer Anode mit dem Anschluss St2 und mit ihrer Kathode mit dem ersten Anschluss A1 des Piezoaktors verbunden. Der zweite Anschluss A2 des Piezoaktors P ist mit dem Masseanschluss Gt verbunden.Of the second transistor T2 is with its collector to the ground terminal Gp connected while its base terminal is connected to the terminal St2. The emitter is connected to the first terminal of the second resistor R2, whose second terminal is connected to the first terminal A1 of the piezoelectric actuator connected is. Diode D2 is with its anode connected to the terminal St2 and with its cathode to the first port A1 of the piezoelectric actuator connected. The second terminal A2 of the piezoelectric actuator P is connected to the Ground connection Gt connected.

Vor dem Entladen des Piezoaktors P liegt die maximale Spannung über dem Piezoaktor P an. Am Anschluss St2 wird von der Stromquelle CS eine Spannung bereitgestellt, die geringer als die aktuelle Spannung Up ist. Dadurch steuert der erste Transistor T1 auf und ein Strom I1 fließt durch den ersten Wider stand R1 und die Emitter-Kollektor-Strecke des ersten Transistors T1 zum Anschluss St2. Gleichzeitig steuert auch der zweite Transistor T2 auf, so dass ein Strom I2 über den zweiten Widerstand R2, den Emitter und den Kollektor des zweiten Transistors T2 zum Masseanschluss Gt fließt.In front the discharge of the piezoelectric actuator P is the maximum voltage above the Piezo actuator P on. At the terminal St2 of the power source CS is a voltage provided that is less than the current voltage Up. Thereby the first transistor T1 opens and a current I1 flows through the first resistance was R1 and the emitter-collector path of the first Transistor T1 to terminal St2. At the same time also the controls second transistor T2, so that a current I2 via the second resistor R2, the emitter and the collector of the second transistor T2 to Ground connection Gt flows.

Die Transistoren T1 und T2 bilden einen Stromspiegel, wobei sich die Ströme I1 und I2 unterscheiden. Das Verhältnis der Ströme I1 und I2 wird durch die Widerstände R1 und R2 eingestellt. In einem Ausführungsbeispiel wird der Widerstand R2 so gewählt, dass er ein Fünftel so groß wie R1 ist. Somit fließt durch die Laststrecke des zweiten Transistors T2 ein fünfmal höherer Strom als durch die Laststrecke des Transistors T1. In der Praxis ist es möglich, dass der Fehler in der Proportionalität zwischen I1 und I2 weniger als 2% beträgt, wenn dafür gesorgt wird, dass die Transistoren T1 und T2 möglichst gleiche Eigenschaften haben, beispielsweise aus dem gleichen Produktionslos stammen.The transistors T1 and T2 form a current mirror, wherein the currents I1 and I2 differ. The ratio of the currents I1 and I2 is set by the resistors R1 and R2. In one embodiment, resistor R2 is chosen to be one-fifth the size of R1. Thus, flows through the load path of the second transistor T2, a five times higher current than through the Laststre bridge of the transistor T1. In practice, it is possible that the error in the proportionality between I1 and I2 is less than 2%, if it is ensured that the transistors T1 and T2 have the same characteristics as possible, for example, come from the same production lot.

Der Strom durch den ersten Transistor T1 und der Strom durch den zweiten Transistor T2 tragen beide zur Entladung bei, wobei jener durch den zweiten Transistor T2 in der Injektorschaltung 2 verbleibt. Nur der Anteil durch den ersten Transistor T1 wird im Steuergerät 1 wirksam. Die Verlustleistung, die durch den Strom durch den zweiten Transistor T2 und durch den zweiten Widerstand R2 bewirkt wird, verbleibt in der Injektorschaltung 2. Somit verringert sich die in dem Steuergerät 1 erzeugte Verlustleistung. Geringe Verlustleistung wird durch den Strom I2 im Messwiderstand Rs erzeugt. Der Messwiderstand wird aber so ausgelegt, dass er einen kleinen Widerstandswert, beispielsweise 0,5 Ohm, hat. Damit ist die Verlustleistung, die vom Messwiderstand Rs erzeugt wird, klein gegenüber der im Injektor 2 erzeugten Verlustleistung.The current through the first transistor T1 and the current through the second transistor T2 both contribute to the discharge, with that through the second transistor T2 in the injector circuit 2 remains. Only the portion through the first transistor T1 is in the control unit 1 effective. The power loss caused by the current through the second transistor T2 and through the second resistor R2 remains in the injector circuit 2 , Thus, the reduced in the controller 1 generated power loss. Low power dissipation is generated by the current I2 in the measuring resistor Rs. The measuring resistor is however designed so that it has a small resistance value, for example 0.5 ohms. Thus, the power loss, which is generated by the measuring resistor Rs, small compared to that in the injector 2 generated power loss.

Während der Aufladung des Piezoaktors P sind der erste Transistor T1 und der zweite Transistor T2 jeweils ausgeschaltet, so dass der Aufladestrom durch die Diode D2 fließt. In einer Ausführungsform, bei der sowohl eine Aufladehilfsschaltung 21 nach 5 und eine Entladehilfsschaltung 22 nach 6 vorgesehen sind, kann die Diode D2 weggelassen werden.During the charging of the piezoelectric actuator P, the first transistor T1 and the second transistor T2 are respectively turned off, so that the charging current flows through the diode D2. In an embodiment where both a charging auxiliary circuit 21 to 5 and an unloading auxiliary circuit 22 to 6 are provided, the diode D2 can be omitted.

Die vorgestellten Schaltungen nach 5 und 6 können mit diskreten Bauteilen aufgebaut werden, da für sie nur eine geringe Anzahl an Bauteilen benötigt wird. Es ist aber auch möglich, die vorgestellten Schaltungen mit einer oder mehreren integrierten Schaltungen zu realisieren. Dadurch können die Schalteigenschaften der Hilfsschaltung genauer eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Regelschwelle des Spannung nach 5 und des Stromverhältnisses nach 6 mit Hilfe einer integrierten Schaltung mit einer Vielzahl von Schaltfunktionen genauer eingestellt werden.The presented circuits after 5 and 6 can be built with discrete components, as they require only a small number of components. But it is also possible to realize the presented circuits with one or more integrated circuits. Thereby, the switching characteristics of the auxiliary circuit can be set more accurately. For example, the control threshold of the voltage may be 5 and the current ratio after 6 be more accurately adjusted by means of an integrated circuit with a variety of switching functions.

7 zeigt die Spannungsverläufe von ausgewählten Knoten der Schaltungsanordnung. Gezeigt sind die Spannungen Uk an dem Knoten K, Ust auf der Leitung LI und Up über dem Piezoaktor P. Zu Beginn des Aufladevorgangs ist der Schalter S3, S4 geschlossen und die Spannung Uk liegt auf der Spannung Uh. Über der Hilfsschaltung 20 fällt eine Spannung ab, so dass das Potential Ust auf einem, von der Aufladehilfsschaltung 21 vorgegebenen, Wert unterhalb der Spannung Uh liegt. 7 shows the voltage waveforms of selected nodes of the circuitry. Shown are the voltages Uk at the node K, Ust on the line LI and Up over the piezoelectric actuator P. At the beginning of the charging process, the switch S3, S4 is closed and the voltage Uk is at the voltage Uh. Above the auxiliary circuit 20 A voltage drops so that the potential Ust on one, from the auxiliary charging circuit 21 predetermined, value is below the voltage Uh.

Während am Anfang die Piezospannung Up auf Null liegt, fällt über der Hilfsschaltung 20 die Spannung Ust – Up ab. Mittels der Stromquelle wird der Piezoaktor aufgeladen, so dass die Spannung Up linear ansteigt.While at the beginning the piezo voltage Up is at zero, it falls over the auxiliary circuit 20 the voltage Ust - Up. By means of the current source of the piezoelectric actuator is charged, so that the voltage Up increases linearly.

Nach Beginn einer ersten Aufladephase wird in einer zweiten Aufladephase der Schalter S3, S4 geöffnet und der Schalter S1 geschlossen. Die Spannung am Knoten K steigt auf den Wert Ub an, woraufhin die Stromquelle CS so geschaltet wird, dass die Spannung am Anschluss St2 ebenfalls linear ansteigt bis sie einen Maximalwert erreicht hat. Die Spannung Up steigt weiterhin linear an, wobei sie stets etwas kleiner als die Spannung Ust bleibt. In dem Diagramm ist auch der Ladestrom IstL eingezeichnet, der während des linearen Anstiegs der Spannung Up konstant ist.To The beginning of a first charging phase will be in a second charging phase the switch S3, S4 open and the switch S1 is closed. The voltage at node K increases to the value Ub, whereupon the current source CS is switched, that the voltage at terminal St2 also increases linearly until she has reached a maximum value. The voltage Up continues to increase linear, always remaining slightly smaller than the voltage Ust. In the diagram, the charging current IstL is also drawn, which during the linear increase of the voltage Up is constant.

Der Strom IstL fließt zwar vollständig über die Leitung LI in die Injektorschaltung, allerdings wird während der ersten Aufladephase der Großteil der Verlustleistung in der Hilfsschaltung 20 erzeugt, da das Potential Ust auf einem hohen Wert gehalten wird.Although the current IstL flows completely into the injector circuit via the line LI, during the first charging phase the majority of the power loss is in the auxiliary circuit 20 is generated because the potential Ust is kept high.

Beim Entladevorgang wird das Potential Ust am Anschluss St2 gesenkt, so dass es kleiner als das Potential am ersten Anschluss A1 ist. Mittels der Schalter S3, S4 und S2 wird die Spannung am Knoten K gesenkt. Die Stromquelle CS wird so geregelt, dass die Spannung St2 linear sinkt, womit auch die Spannung am Piezoaktor P linear sinkt. Der Entladestrom IE wird während dieses Vorgangs mittels der Stromquelle CS auf einen konstanten Wert geregelt.At the Discharging process, the potential Ust at the terminal St2 is lowered, so that it is smaller than the potential at the first terminal A1. By means of the switches S3, S4 and S2, the voltage at the node K lowered. The current source CS is regulated so that the voltage St2 linear decreases, whereby the voltage at the piezoelectric actuator P linear sinks. The discharge current IE is during this process means the current source CS regulated to a constant value.

Dabei fließt allerdings nur der I1 bezeichnete Anteil des Stromes durch die Leitung LI in das Steuergerät 1, so dass der Rest des Stromes direkt nach Masse fließt und somit keine bzw. nur eine geringe Verlustleistung im Steuergerät bewirkt.However, only the portion of the current designated I1 flows through the line LI into the control unit 1 , so that the rest of the current flows directly to ground and thus causes no or only a small power loss in the control unit.

Claims

Circuit arrangement with a piezoelectric actuator (P) of an injection valve, comprising: - a control unit ( 1 ) for providing a control potential (Ust), comprising - a switching node (K), - in a series circuit with the piezoelectric actuator (P) arranged Stromeinstelleinrichtung (CS) for energizing the piezoelectric actuator (P) during charging, wherein the charging current through the switching node (K ) flows, - a measuring circuit ( 14 ) for measuring the current through the Stromeinstelleinrichtung (CS), - a control device for controlling the Stromeinstelleinrichtung (CS) such that the current through the Stromeinstelleinrichtung (CS) is controlled by means of the measuring circuit - an injector circuit ( 2 ) with the piezoelectric actuator (P) having a first terminal (A1) and a second terminal (A2), A first line (LI) between the control unit ( 1 ) and the injector circuit ( 2 ) for guiding the control potential to the injector circuit ( 2 ), - between a first terminal (St2) of the injector for connection to the first line (LI) and the first terminal (A1) of the piezoelectric actuator (P) an auxiliary circuit ( 20 ) in the injector circuit ( 2 ) for generating power loss during charging of the piezo actuator (P).

Circuit arrangement according to claim 1, characterized by a voltage setting circuit (S1, S2, S3, S4) for changing the Voltage at the switching node (K) during Loading the piezo actuator (P).

Circuit arrangement according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the injector circuit ( 2 ) only by the between the first port (St2) for connection to the first line and a second port (GP) of the injector circuit ( 2 ) voltage is supplied.

Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the auxiliary circuit ( 20 ) a charging auxiliary circuit ( 21 ) with a transistor (T), wherein the charging current (IA) flows through the load path of the transistor (T).

Circuit arrangement according to Claim 4, characterized a drive circuit (RG, Dg, Dz, Rz) for the transistor (T) is such it is provided that the transistor (T) is opened only when the potential at the terminal for connection to the first line, a predetermined threshold (Udz + Ug).

Circuit arrangement according to Claim 4 or 5, thereby marked that a first resistance (Rg) between the Connection for connection to the first line and the control connection the transistor (T) is provided, that a first diode (Dg) between the port (St2) for connection to the first line (LI) and the control terminal (G) of the transistor (T) is provided is, wherein the anode of the first diode (Dg) to the control terminal (G) of the transistor (T) is connected, that a series circuit of a second resistor (Rz) and a second zener diode (Dz) is provided so that the cathode of the second Zener diode with the control terminal (G) of the transistor (T) is coupled.

Circuit arrangement according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the auxiliary circuit ( 20 ) an unloading auxiliary circuit ( 22 ) for dividing the discharge current into a first current through the first line (LI) and a second current into a ground terminal (Gt) in the injector circuit ( 2 ).

Circuit arrangement according to Claim 7, characterized in that the discharge auxiliary circuit ( 22 ) has a current mirror with two transistors, wherein the load path of the first transistor (T1) the connection (St2) for connection to the first line (LI) with a first terminal (A1) of the piezoelectric actuator (P) coupled while the load path of the second Transistor (T2) the ground (GND) to the first terminal (A1) of the piezoelectric actuator (P) couples, wherein the second terminal (A2) of the piezoelectric actuator (P) to the ground (GND) is connected.

Circuit arrangement according to Claim 8, characterized that between the first transistor (T1) and the first terminal (A1) of the piezoelectric actuator (P), a first resistor (R1) and between the second transistor (T2) and the first terminal (A1) of the piezoelectric actuator (P) a second resistor (R2) is provided, wherein the resistance values differ from first (R1) and second (R2) resistances.