DE10120944A1 - Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoventile - Google Patents

Abstract

Es wird eine Steurschaltung für Piezoaktoren (10), insbesondere Piezoventile, vorgeschlagen, wobei eine Ladestromquelle (11) zur Spannungsaufladung des Piezoaktors (10) und eine Entladestromquelle (12) zur Entladung des Piezoaktors (10) vorgesehen sind. Die beiden Stromquellen (11, 12) sind mit einer Gegentaktschalteinrichtung (18) zur alternativen Aktivierung versehen. Durch die Stromquellen werden Stromspitzen vermieden, und es wird ein sanftes Anlegen des spannungsabhängig sich bewegenden Biegeelements des Piezoaktors (10) erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoventile, mit einer Einschalteinrichtung zur Spannungsaufladung des Piezoaktors und einer Ausschaltein­ richtung zur Entladung des Piezoaktors.

Um minimale Schaltzeiten zu erreichen, wird bei herkömmlichen Steuerschaltungen für Piezoaktoren das Biegeelement des je­ weiligen Aktors ungebremst in die Endlage gebracht. Als Ein­ schalteinrichtung wird ein Transistor als Schalter zum Aufla­ den und ein weiterer Transistor als Schalter zum Entladen des Piezoaktors verwendet. Dabei entstehen in nachteiliger Weise unkontrolliert große Lade- und Entladeströme, wobei die Stromspitzen sowohl den Piezoaktor selbst als auch das Ver­ sorgungsnetzteil und die Zuleitungen belasten, insbesondere wenn mehrere Piezoaktoren angeschlossen sind, die gleichzei­ tig eingeschaltet werden. Ein weiterer Nachteil dieser Be­ triebsart besteht darin, dass das Biegeelement in den Endla­ gen seine gesamte kinetische Energie auf kürzestem Weg abbau­ en muss. Dies bedeutet Deformationen und Abnutzungen der me­ chanischen Teile, was eine Verkürzung der Lebensdauer zur Folge hat.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steuerschaltung für Piezoaktoren der eingangs genannten Gat­ tung zu schaffen, durch die neben verbesserten Schaltzeiten ein sanfter Anschlag des Piezo-Biegeteils in den Endlagen bei geringeren Strömen erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einschalteinrichtung als Ladestromquelle und die Ausschalt­ einrichtung als Entladestromquelle ausgebildet ist, wobei die beiden Stromquellen durch eine Gegentaktschalteinrichtung miteinander verknüpft sind.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steuerschaltung bestehen insbesondere darin, dass hohe Stromspitzen vermieden und da­ durch der Piezoaktor, das Versorgungsnetzteil und die Zulei­ tungen geschont werden, was zu einer Verlängerung der Lebens­ dauer führt. Durch den durch die Stromquelle vorgegebenen Aufladestrom wird eine definierte Bewegung des Biegeelements des Piezoaktors und eine sanfte und schonende Anlage in den Endlagen gewährleistet. Trotz des gegenüber der herkömmlichen Ausgestaltung geringeren Stroms wird ein schnelleres Schalten dadurch erreicht, dass ein Prellen in den Endlagen verhindert wird, was insbesondere bei Ventilen und piezo-elektrischen Ventilgliedern von besonderem Vorteil ist. Durch die geringe­ ren Ströme und das Vermeiden von Strom- und Spannungsspitzen werden elektromagnetische Störungen und Störabstrahlungen drastisch verringert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An­ spruch 1 angegebenen Steuerschaltung möglich.

Die Stromquellen weisen in vorteilhafter Weise eine Stromre­ gelung auf, um den Spannungsaufbau und Spannungsabbau des Piezoaktors noch zu optimieren.

Die Stromquellen werden dabei vorzugsweise durch MOSFET- Transistoren gebildet, deren Source-Anschluss über eine Z- Diode oder die Reihenschaltung einer Z-Diode mit einem Wider­ stand an den Gate-Anschluss angeschlossen ist. Dabei ist die Anode der Z-Diode der Ladestromquelle in einer bevorzugten Ausführungsform über einen Widerstand mit der Kathode der Z- Diode der Entladestromquelle verbunden. Die Drain-Source- Strecke des Transistors der Ladestromquelle und der damit verbundene Widerstand bildet in vorteilhafter Weise den Lade­ pfad für den Piezoaktor, wobei der positive Pol der Versor­ gungsspannung zweckmäßigerweise an den Drain-Anschluss des Transistors der Ladestromquelle und über einen Widerstand an dessen Gate-Anschluss gelegt ist. Die Reihenschaltung der Z- Diode der Ladestromquelle mit der Drain-Source-Strecke des Transistors der Entladestromquelle und deren Widerstand bil­ det dabei zweckmäßigerweise den Entladepfad. Hierdurch wird eine automatische Entladefunktion im stromlosen Zustand er­ reicht, indem die Spannung des Piezoaktors den Transistor der Entladestromquelle stromleitend macht. Durch die Z-Dioden wird ein günstiges Lade- und Entladeverhalten bei leicht ein­ stellbarem Lade- und Entladestrom erreicht. Dieser Lade- bzw. Entladestrom fließt so lange im Wesentlichen konstant, bis die jeweilige Z-Spannung der Z-Dioden in der Lade- und Entla­ destromquelle erreicht wird. Danach fließt automatisch in der Ladestromquelle ein exponentiell fallender Strom, wodurch die Endlage sanft erreicht wird. Entsprechend fließt auch in der Entladestromquelle nach Erreichen der Z-Spannung ein exponen­ tiell fallender Strom aus dem Piezoaktor heraus, wodurch das Biegeelement auch die andere Endlage sanft erreicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Gegentakt­ schalteinrichtung durch einen durch den Steuereingang des Steuerschalters schaltbaren Steuertransistor gebildet, dessen Schaltstrecke parallel zur Z-Diode der Entladestromquelle und/oder parallel zur Gate-Source-Strecke des Transistors der Entladestromquelle und dem daran angeschlossenen Widerstand geschaltet ist. Hierdurch kann die Gegentaktschalteinrichtung mit einfachsten Mitteln kostengünstig realisiert werden.

Die Gegentaktschalteinrichtung kann auch als Inverter ausge­ bildet sein, der die Einschalt- oder Steuereingänge der bei­ den Stromquellen miteinander verbindet. Auch dies kann auf einfache Weise realisiert werden.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung lässt sich auch als Zweidraht-Anordnung realisieren, wobei dann der Steuereingang über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Versorgungs­ spannung bzw. Versorgungsspannungsleitung verbunden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einer prinzipiel­ len Darstellung und

Fig. 2 eine schaltungsmäßig detailliertere Steuerschaltung mit Z-Dioden als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird ein Piezoaktor 10 zum Betätigen über eine Ladestromquel­ le 11 mit einem Ladestrom I_LD geladen und zum Deaktivieren über eine Entladestromquelle 12 mit einem Entladestrom I_EL entladen. Die beiden Stromquellen 11, 12 sind dabei in Reihe zwischen einem positiven Versorgungsspannungspol 13 und einem negativen Versorgungsspannungspol 14 geschaltet. Der Piezoak­ tor 10 ist dabei parallel zur Entladestromquelle 12 geschal­ tet.

Der Piezoaktor 10 stellt elektrisch gesehen einen Kondensator dar. Es kann sich dabei um ein Piezoventil bzw. Piezoventil­ glied, ein sonstiges Betätigungsglied oder einen Linearmotor, wie einen Inchworm-Motor, handeln. Derartige Piezoventile werden beispielsweise als pneumatische Vorsteuerventile ein­ gesetzt.

Die Stromquellen 11, 12 werden durch sie steuernde Regelungs­ schaltteile 15, 16 geregelt, die als Stromregelkreise ausge­ bildet sein können. Steuersignale an einem Steuereingang 17 werden dem Regelungsschaltteil 16 direkt und dem Regelungs­ schaltteil 15 über einen Inverter 18 zugeführt, der als Ge­ gentaktschalteinrichtung fungiert. Das heißt, wenn die Ladestromquelle 11 eingeschaltet ist, so ist die Entladestrom­ quelle 12 automatisch ausgeschaltet und umgekehrt.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform oder Ausgestaltung der in Fig. 1 nur prinzipiell dargestellten Steuerschaltung dar. Gleiche Bauteile und Elemente sind mit denselben Bezugszeichen verse­ hen und nicht nochmals detailliert beschrieben.

Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel sind wiederum eine La­ destromquelle 19 und eine Entladestromquelle 20 in Reihe zwi­ schen den beiden Versorungsspannungspolen 13, 14 geschaltet.

Die Ladestromquelle besteht im wesentlichen aus einem als MOSFET ausgebildeten Transistor 21, dessen Source-Anschluss mit dem Gate-Anschluss über die Reihenschaltung eines Wider­ stands 22 mit einer Z-Diode 23 verbunden ist. Weiterhin ist der Drain-Anschluss dieses Transistors 21 sowohl mit dem po­ sitiven Versorgungsspannungspol 13 als auch über einen weite­ ren Widerstand 24 mit dem Gate-Anschluss dieses Transistors 21 verbunden.

Die Entladestromquelle 20 besteht in ähnlicher Weise wiederum im Wesentlichen aus einem als MOSFET ausgebildeten Transistor 25, dessen Source-Anschluss und Gate-Anschluss über die Rei­ henschaltung eines Widerstands 26 mit einer Z-Diode 27 mit­ einander verbunden sind. Die mit dem Widerstand 26 verbundene Anode der Z-Diode 27 liegt dabei am negativen Versor­ gungsspannungspol 14. Ein weiterer Widerstand 28 verbindet den Gate-Anschluss des Transistors 25 mit der Anode der Z- Diode 23 sowie mit einem Anschluss des Piezoaktors 10, dessen anderer Anschluss am negativen Versorgungsspannungspol 14 liegt.

Als Gegentaktschalteinrichtung ist die Schaltstrecke eines weiteren Transistors 29 parallel zur Z-Diode 27 der Entlade­ stromquelle 20 geschaltet. Der Steuereingang bzw. Basisan­ schluss dieses Transistors 29 ist über einen Eingangswider­ stand 30 mit dem Steuereingang 17 sowie über einen Basis- Emitter-Widerstand 31 mit dem Emitter dieses Transistors 29 sowie mit dem negativen Versorgungsspannungspol 14 verbunden.

Wird ein Steuersignal zur Aktivierung des Piezoaktors 10 an den Steuereingang 17 gelegt, so wird der Transistor 29 strom­ leitend geschaltet, wodurch die Gate-Spannung des Transistors 25 auf Null (Potenzial des negativen Versorgungsspannungspols 14) gezogen wird. Hierdurch sperrt der Tansistor 25, so dass die Entladestromquelle 20 ausgeschaltet ist. Über den Wider­ stand 24 wird dabei der Transistor 21 und damit die Lade­ stromquelle 19 eingeschaltet. Ein Ladestrom fließt durch den Transistor 21 und den Widerstand 22 und lädt den Piezoaktor 10 auf, so dass sein nicht dargestelltes Biegeelement in die andere Endlage bewegt wird. Der Ladestrom entspricht dabei dem Quotienten aus der Z-Spannung der Z-Diode 23 und dem Wi­ derstandswert des Widerstands 22 U_Z23/R₂₂. Dieser Ladestrom fließt so lange, bis die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung am Piezoaktor 10 und der Versorgungsspannung kleiner als die Z-Spannung U_Z23 wird. Danach fließt ein exponentiell fallender Strom in den Piezoaktor 10, dessen Biegeelement da­ durch die Endlage sanft erreicht.

Wird nun ein Steuersignal 0 an den Steuereingang 17 gelegt, so wird der Transistor 29 ausgeschaltet und der Transistor 25 über den Widerstand 28 eingeschaltet. Die Kathode der Z-Diode 23 wird in Richtung des Potenzials des negativen Versor­ gungsspannungspols 14 gezogen, wodurch diese Z-Diode 23 in der Durchlassrichtung eingeschaltet wird. Der Spannungsabfall an dieser Z-Diode 23 führt zu einer negativen Vorspannung am Gate des Transistors 21, der dadurch gesperrt wird. Somit ist die Ladestromquelle 19 ausgeschaltet und die Entladestrom­ quelle 20 eingeschaltet.

Der Entladestrom durch die Z-Diode 23, den Transistor 25 und den Widerstand 26 entspricht dabei U_Z27/R₂₆. Dieser Entlade­ strom ist wiederum so lange konstant, bis die Spannung am Piezoaktor 10 größer als die Z-Spannung an der Z-Diode 27 wird. Danach fließt ein exponentiell fallender Strom aus dem Piezoaktor 10 heraus, wodurch sein Biegeelement auch die an­ dere Endlage sanft erreicht.

Bei einem Spannungsausfall wird der Transistor 29 automatisch gesperrt, wodurch der Transistor 25 durch die Spannung des Piezoaktors 10 über den Widerstand 28 freigeschaltet wird. Dieser Zustand wird so lange aufrecht erhalten, bis der Pie­ zoaktor 10 entladen ist. Diese Funktionsweise hat den Vor­ teil, dass der Piezoaktor 10 auch bei einer unerwünschten Aufladung durch mechanische oder thermische Einflüsse auch bei nicht angelegter Spannung automatisch entladen wird, so dass entsprechende Schäden oder Veränderungen im Piezokris­ tall wirksam verhindert werden.

Claims (12)

1. Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoven­ tile, mit einer Einschalteinrichtung zur Spannungsaufladung des Piezoaktors und einer Ausschalteinrichtung zur Entladung des Piezoaktors, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschalt­ einrichtung als Ladestromquelle (11; 19) und die Ausschalt­ einrichtung als Entladestromquelle (12; 20) ausgebildet ist, wobei die beiden Stromquellen (11, 12; 19, 20) mit einer Ge­ gentaktschalteinrichtung (18; 29-31) zur alternativen Akti­ vierung versehen sind.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (11, 12; 19, 20) eine Stromregelung (15, 16) aufweisen.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Stromquellen (19, 20) durch als MOSFET ausgebildete Transistoren (21, 25) gebildet werden, deren Source-Anschluss über eine Z-Diode (23, 27) oder die Reihen­ schaltung einer Z-Diode (23, 27) mit einem Widerstand (22, 26) an den Gate-Anschluss angeschlossen ist.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode der Z-Diode (23) der Ladestromquelle über ei­ nen Widerstand (28) mit der Kathode der Z-Diode (27) der Ent­ ladestromquelle und/oder dem Gate-Anschluss des Transistors (25) der Entladestromguelle (20) verbunden ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Drain-Source-Strecke des Transistors (21) der Ladestromquelle (19) und der damit verbundene Widerstand (22) den Ladepfad für den Piezoaktor (10) bilden.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, dass der positive Pol (13) der Versor­ gungsspannung an den Drain-Anschluss des Transistors (21) der Ladestromguelle (19) und über einen Widerstand (24) an dessen Gate-Anschluss gelegt ist.

7. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Z-Diode (23) der Ladestromquelle (19) mit der Drain-Source-Strecke des Transistors (25) der Entladestromquelle (20) und dem da­ mit verbundenen Widerstand (26) den Entladepfad bildet.

8. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass ein durch den Steuereingang (17) der Steuerschaltung schaltbarer Steuertransistor (29) als Ge­ gentaktschalteinrichtung vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke parallel zur Z-Diode (27) der Entladestromguelle (20) und/oder parallel zur Gate-Source-Strecke des Transistors (25) der Entladestromquelle (20) und dem daran angeschlosse­ nen Widerstand (26) geschaltet ist.

9. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass die Gegentaktschalteinrichtung (18) als Inverter ausgebildet ist.

10. Steuerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als Inverter ausgebildete Gegentaktschalteinrichtung (18) die Einschalt- oder Steuereingänge der beiden Stromquel­ len (11, 12) miteinander verbindet.

11. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Steuereingang über einen Wi­ derstand mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung ver­ bunden ist.

12. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (10) derart mit dem Steuereingang der Entladestromquelle (20) in Wirkverbin­ dung steht, dass bei abgeschalteter Versorgungsspannung im Piezoaktor (10) vorhandene oder entstehende Spannungen zur Einschaltung der Entladestromquelle führen.