DE10102286A1

DE10102286A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Materialien

Info

Publication number: DE10102286A1
Application number: DE10102286A
Authority: DE
Inventors: Gunter Maschke; Heinrich Klose
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-07-25

Abstract

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Materialien zur Gewinnung von Hochspannung und der Kurvenformgenerierung, bestehend aus einer Spannungsquelle, einer Spule mit einem elektronischen Schalter und einer Diode, wobei zwischen zwei Anschlusspunkten in Form einer Brückenschaltung mindestens 4 elektronische Schalter angeordnet und zwischen den Brückenabgleichpunkten ein Piezoelement angeschlossen und parallel zu zwei elektronischen Schaltern mindestens je eine Stromsenke angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Materialien. Solche Schaltungsanordnungen sind z. B. zum Treiben von Piezoaktoren einsetzbar.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Lösungen zum Treiben von Piezoaktoren bekannt geworden. Dazu ist es notwendig, dass eine relativ hohe Spannung für die Piezoaktoren bereitgestellt werden müssen, gleichzeitig aber eine Ansteuerspannung zum zielgerichteten Betreiben des Piezos notwendig ist. Üblicherweise wird dabei die höhere Spannung für den Betrieb des Piezoaktors aus einer separaten Hochspannungswicklung eines Netztransformators oder bei batteriebetriebenen Geräten mittels Gleichspannungswandlers erzeugt. Üblicherweise kommen dabei universale Schaltreglerschaltkreise und Doppelverstärkerschaltkreise zum Einsatz (z. B. LM78S40, OPA2544T).

Es sind aus dem Stand der Technik aber bereits komplexe Schaltkreise bekannt geworden, die eine Gewinnung der Hochspannung und eine Kurvenformgenerierung mit einem Schaltkreis ermöglichen (L6O70 von STMicroelectronics).

Die bekannten Schaltungsrealisierungen sind relativ teuer und erlauben nur eine Kurvenformgenerierung in einem eingeschränkten vorgeschriebenen Bereich.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Materialien zu realisieren, die die Gewinnung der Hochspannung und der Kurvenformgenerierung ermöglicht, einen relativ geringen Bauelementeaufwand benötigt und darüber hinaus eine Kurvenformgenerierung für unterschiedliche Anwendungsfälle realisiert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Materialien dadurch gelöst, dass parallel zu einer bekannten Anordnung mit den Anschlusspunkten A-B, bestehend aus einer Spannungsquelle, einer Spule mit einem elektronischen Schalter und einer Diode, ein Piezoelement in Verbindung mit mindestens einem elektronischen Element angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind zwischen den Anschlusspunkten A-B in Form einer Brückenschaltung mindestens vier elektronische Schalter angeordnet und zwischen den Brückenabgleichpunkten C, D das Piezoelement angeordnet, wobei parallel zu den elektronischen Schaltern mindestens je eine Stromsenke angeordnet sind.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Prinzipdarstellungen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für den unipolaren Betrieb

Fig. 3 eine weitere Schaltungsanordnung für den bipolaren Betrieb

Fig. 4a bis 4d Spannungsverläufe der erfindungsgemäßen Lösungen

Fig. 5 eine Detaildarstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltungsanordnung

Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Eine Spannungsquelle 1 lässt im geschlossenen Zustand eines elektronischen Schalters 3 einen Strom durch eine Spule 2 (Speicherdrossel) fließen. Wird der elektronische Schalter 3 geöffnet, so wird die elektrische Energie die während des geschlossenen elektronischen Schalters S3 in der Spule 2 gespeichert wurde, über die Diode 4 und das Piezoelement 5 und die Stromsenke 6 geleitet. Der kapazitive Teil des Piezoelementes 5 wird aufgeladen und das Piezoelement 5 verformt sich entsprechend dieser Spannung. Die Diode 4 verhindert eine Entladung des Piezoelementes 5 über die Spule 2 und/oder elektronischen Schalter S3. Eine Entladung des Piezoelementes 5 erfolgt über ein elektronisches Element, eine Stromsenke, beispielsweise eine nichtdargestellte Transistorschaltung. Im Ergebnis entsteht eine sägezahnförmige Spannung am Piezoelement 5 deren Amplitude höher als die Spannung der Spannungsquelle 1 ist. Wird der elektronische Schalter S3 innerhalb definierter Perioden ein- und ausgeschalten, kommt es zu einer fortlaufenden Sägezahnschwingung über das Piezoelement 5. Somit sind Hochspannungs- und Kurvenformgenerierung unmittelbar miteinander verknüpft. Der kurze Anstieg der Sägezahnfunktion ist dabei in Teilbereichen einer E-Funktion angeglichen und der langsame Abfall ist weitgehend linear.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Mit dieser Schaltung wird neben einer Vor-Rückwärtsbewegung eines getriebenen Piezoaktors 5 eine definierte Start-/Stop-Funktion realisiert. Zwischen dem Anschlusspunkten A-B sind in Form einer Brückenschaltung vier elektronische Schalter S1, S2, S3 und S 4 angeordnet. Zwischen den Brückenabgleichpunkten C, D befindet sich das Piezoelement 5. Parallel zu den elektronischen Schaltern S2 und S3 sind elektronische Stromsenken 61, 62 angeordnet. Die elektronischen Stromsenken 61, 62 übernehmen die Entladung des kapazitiven Teils des Piezoelementes 5.

Die Funktion "STOP" wird dadurch realisiert, dass alle vier elektronischen Schalter S1-S4 geöffnet sind.

Die Funktion "VORWÄRTS" wird realisiert, indem die elektronischen Schalter S1 und S3 geschlossen sind. Dadurch wird das Piezoelement über den Punkten C und D aufgeladen und über die Stromsenke 61 langsam entladen.

Bei geschlossener Schalterstellung der elektronischen Schalter S4 und S2 wird ein "RÜCKWÄRTS" erreicht. Das Piezoelement 5 wird über die Brückenabgleichpunkte D und C aufgeladen und über die elektronische Stromsenke 62 langsam entladen. Die elektronischen Schalter S1 und S3 sind bei dieser Funktion "RÜCKWÄRTS" offen.

In Fig. 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt, die einen bipolaren Betrieb ermöglicht. Dazu sind die Kondensatoren 8 und 9 sowie die parallel zu den Kondensatoren angeordneten Dioden 10 und 11 vorgesehen. Der Varistor 7 gewährleistet den Spannungsschutz für das Piezoelement 5.

Die nähere Erläuterung findet in Fig. 5 statt.

Fig. 4a zeigt den vereinfachten Spannungsverlauf über der Zeit für eine Hochspannungsimpulserzeugung, sofern die Punkte A, B nur belastet sind (Hochspannungsimpulserzeugung).

Fig. 4b zeigt bereits die Ausgangsspannung, sofern an den Punkten A, B das Piezoelement 5 (Kondensator) und die Stromsenken 61, 62 anliegen. Es ergibt sich ein unipolarer Spannungsverlauf wie in Fig. 2 beschrieben.

Die Schaltung 4c zeigt den Spannungsverlauf entsprechend der Realisierung der Fig. 3 (bipolarer Betrieb) an dem Piezoelement 5. Es tritt bezüglich der Hilfs-/ Mittenspannung eine positive als auch negative Aussteuerung auf.

Fig. 4d zeigt den Spannungsverlauf, insbesondere den Einschwingvorgang, gemäß Fig. 3. Es ist erkennbar, dass die Ausgangsamplitude erst allmählich anwächst und die Hilfs-/Mittenspannung dieser Funktion folgt.

Die Fig. 5 zeigt eine praktische, erfindungsgemäß ausgebildete Schaltungsanordnung. Die grundsätzliche Anordnung dieser Schaltung entspricht einer Brückenschaltung, wie in der Fig. 3 dargestellt. Der elektronische Schalter S1 wird durch T1 und der elektronische Schalter S4 durch T4 realisiert.

Die beiden Transistoren T2 und T3 wirken, je nach Stellung der beiden elektronischen Schalter S2 und S3, als Schalter oder als Stromsenken.

Im Falle, dass der elektronische Schalter S2 geschlossen ist, wirkt auch der Transistor T2 als geschlossener elektronischer Schalter. Im Falle, dass der elektronische Schalter S3 geschlossen ist, wirkt auch der Transistor T3 als geschlossener elektronischer Schalter. Sofern die elektronischen Schalter S2 offen und S3 geschlossen sind, wirkt der Transistor T2 als Stromsenke. Falls die elektronischen Schalter S3 offen und S2 geschlossen sind, wirkt der Transistor T3 als Stromsenke. Für eine aktive Bewegung des Piezoelementes 5 muss einer der beiden elektronischen Schalter S2 oder S3 geschlossen sein. Im Falle einer "STOP"-Funktion sind die elektronischen Schalter S2, S3 und die durch die Transistoren T1 und T4 realisierten elektronischen Schalter S1 und S4 offen.

Für die "RÜCKWÄRTS"-Funktion gilt:
Der elektronische Schalter S2 ist geschlossen und der elektronische Schalter S3 ist offen. Für den Fall, dass T2 geschlossen ist, wird der Transistor T4 eingeschalten (geschlossen) und der Transistor T1 ausgeschalten (geöffnet). Damit liegt der Kondensator 9 an Masse und die Diode 11 ist in Sperrichtung geschalten, womit der Kondensator 9 die Funktion einer Hilfs-/Mittenspannungserzeugung einnimmt. Die Diode 10 ist in Durchlassrichtung geschalten, womit der Kondensator 8 wirkungslos ist. Über den Varistor 7 und das Piezoelement 5 wird der Kondensator 9 aufgeladen. Über das Piezoelement 5 baut sich mit einem relativ steilen Anstieg eine Spannung auf, bis das Maximum erreicht wird. Der Transistor T3 wirkt in diesem Fall als Stromsenke und entlädt in einem relativ flachem Abfall das Piezoelement 5. Der Kondensator 9 folgt der Spannungsänderung nur langsam, wenn die Kapazitätsbedingung C9 << C5 erfüllt. Somit wirkt der Kondensator 9 als Hilfs-/Mittenspannungsquelle.

Für die "VORWÄRTS"-Funktion gilt:
Für den Fall, dass T3 geschlossen ist, wird der Transistor T1 eingeschalten (geschlossen) und der Transistor T4 ausgeschalten (geöffnet). Der Transistor T2 wirkt nun als Stromsenke. Die Diode 11 ist in Sperrichtung geschalten und der Kondensator 8 liegt an Masse und dient als Hilfs-/Mittenspannungsquelle. Der Kondensator 9 ist wirkungslos, da die Diode 11 in Durchlassrichtung geschalten ist. Das Piezoelement 5 ist in anderer Richtung polarisiert. Die Vorgänge verlaufen durch den symmetrischen Aufbau der Dioden 10 und 11, sowie der Kondensatoren 8 und 9 in "spiegelbildlicher Richtung", wie unter "RÜCKWÄRTS"-Funktion beschrieben, ab.

Werden zum Betreiben des Piezoelementes 5 höhere Frequenzen z. B. über 5 kHz benöigt, ist es vorteilhaft im Basiszweig vor den als Schalterelemente ausgebildeten Transistoren T1 und T4 weitere geschaltete elektronische Stromsenken anzuordnen.

Mit diesen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen wird neben der Gewinnung der Hochspannung auch eine Kurvenformgenerierung ermöglicht. Zur Realisierung der Schaltungsanordnungen wird darüber hinaus ein relativ geringer Bauelementeaufwand benötigt. Die Schaltungsanordnungen sind bevorzugt zum Treiben/Betrieben von Piezoaktoren, z. B. in dem Anwendungsfeld von Piezomotoren, einsetzbar.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Spannungsquelle

2

Spule

3

elektronischer Schalter

4

Diode

5

Piezoelement

6

elektronisches Element

61

;

62

elektronische Stromsenke

7

Varistor

8

;

9

Kondensator

10

;

11

Diode
S1; S2; S3; S4 elektronische Schalter
A-B Anschlusspunkte
C9 Kapazität des Kondensators

9

C5 Kapazität des Piezoelementes

5

C; D Brückenabgleichpunkte
T1, T2, T3, T4 Transistoren
UH Hilfs-Mittenspannung

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Materialien zur Gewinnung der Hochspannung und der Kurvenformgenerierung, bestehend aus einer Spannungsquelle (1), einer Spule (2) mit einem elektronischen Schalter (3) und einer Diode (4), dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einer bekannten Anordnung mit den Anschlusspunkten A-B, ein Piezoelement (5) in Verbindung mit mindestens einem elektronischen Element (6) angeordnet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anschlusspunkten A-B in Form einer Brückenschaltung mindestens 4 elektronische Schalter (S1; S2; S3; S4) angeordnet und zwischen den Brückenabgleichpunkten C, D, das Piezoelement (5) angeschlossen und parallel zu den elektronischen Schaltern (S2, S3) mindestens je eine Stromsenke (61; 62) angeordnet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Piezoelement (5) und den Brückenabgleichpunkten C, D jeweils mindestens ein Kondensator (8; 9) und zu diesen Kondensatoren parallel mindestens je eine Diode (10; 11) und parallel zu dem Piezoelement (5) ein Varistor (7) angeordnet sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Element 6 als Transistorschaltung ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter S1, S2, S3, S4 aus Transistorschaltungen bestehen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Stromsenken 61, 62 als Transistorschaltungen ausgebildet sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Basiszweig vor den als Schalterelemente ausgebildeten Transistoren T1 und T4 weitere geschaltete elektronische Stromsenken angeordnet sind.

8. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Vorrichtung zum Treiben/Betrieben von Piezoaktoren.