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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein
Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines
Piezoaktors für
ein Kraftstoff-Einspritzventil
einer Brennkraftmaschine.
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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. 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.
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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 sollte während
dieser Ladevorgänge
und Entladevorgänge der
Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrolliert zugeführt werden.
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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. Dies
erfordert vergleichsweise große
Baugruppen und stellt zudem erhebliche Ansprüche an die Komponenten- als
auch Produktionstechnologien Darüber
hinaus bedingt der geschaltete Betrieb der Ansteuerstufen zumeist
einen hohen Aufwand für
die Filterung/Unterdrückung
der dabei entstehenden hochfrequenten Störungen (EMV-Problematik).
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Die
DE 102 48 214 A1 beschreibt
eine Schaltung mit mindestens einem Piezoaktor, bei dem bei Vorgabe
eines Ansteuerbefehls durch eine Steuerschaltung von einer Ansteuerschaltung
ein Ansteuersignal an einen Piezoaktor abgebbar ist, so dass der Piezoaktor
aus einer Nulllage in eine Ansteuerlage überführt wird. Bei Vorgabe eines
Korrekturbefehls durch die Steuer schaltung ist von einer Korrekturschaltung
ein Korrektursignal an den Piezoaktor abgebbar, so dass der Piezoaktor
aus der Nulllage in eine Korrekturlage überführt wird. Die Vorgabe des Ansteuerbefehls
und die Vorgabe des Korrekturbefehls sind gegeneinander verriegelt.
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Die
DE 100 21 086 A1 offenbart
ein Verfahren zum Bestimmen des Kraftstoffmassenstroms bei einer
Brennkraftmaschine, bei der der zeitliche Verlauf des Ansteuerstromes
für das
Einspritzventil erfasst und daraus die Haltephase ermittelt wird,
während
der das Einspritzventil geöffnet
ist. Die Haltephase wird gleich der Einspritzzeitdauer gesetzt und aus
der Einspitzzeitdauer mittels eines Modellbildung der angegebene
Kraftstoffmassenstrom ermittelt. Der so berechnete Kraftstoffmassenstrom
wiederum wird innerhalb eines Überwachungsverfahrens
auf das Über-
bzw. Unterschreiten bestimmter Grenzwerte überprüft.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg zum Aufladen
und Entladen einer kapazitiven Last aufzuzeigen, mittels welchem
ein guter Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem schaltungstechnischen
Aufwand ermöglicht
ist.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch
1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
umfasst:
- – eine
Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse
bezogenen Versorgungsspannung,
- – einen
zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten
angeordneten Kondensator, wobei der erste Schaltungsknoten über eine
Diode mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten über einen
ersten Schalter mit der Spannungsquelle verbindbar ist,
- – einen
vom ersten Schaltungsknoten zu einem der Lastanschlüsse führenden
ersten Strompfad und einen vom zweiten Schaltungsknoten zum anderen
der Lastanschlüsse
führenden
zweiten Strompfad,
- – eine
in Reihenschaltung mit der Last angeordnete Stromeinstelleinrichtung, über welche
die Last beim Aufladen und Entladen bestromt wird, und welche eine
im ersten Strompfad und/oder eine im zweiten Strompfad angeordnete
Stromquelle umfasst,
- – einen
zweiten Schalter, über
welchen der erste Strompfad mit dem zweiten Schaltungsknoten verbindbar
ist, und
- – eine
Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Stromeinstelleinrichtung,
derart, dass
- a) während
einer ersten Aufladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last aus
der Versorgungsspannung teilweise aufgeladen wird,
- b) während
einer zweiten Aufladephase der erste Schalter geschlossen und der
zweite Schalter geöffnet
ist und die Last aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle
und des Kondensators weiter aufgeladen wird,
- c) während
einer ersten Entladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last in
den Kondensator teilweise entladen wird, und
- d) während
einer zweiten Entladephase, der erste Schalter geöffnet und
der zweite Schalter geschlossen ist und die Last in die elektrische
Masse weiter entladen wird.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, die positiven Eigenschaften
einer "linearen
Endstufe", d. h.
einer Bestromung der kapazitiven Last aus einer einstellbaren Stromquelle,
mit dem hohen Wirkungsgrad einer "geschalteten Endstufe" (z. B. Nutzung einer
Induktivität
als Energiespeicher im Zuge einer Umschwingfunktion, bei welcher
Energieportionen transportiert werden) zu verbinden.
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Wie
es aus dem unten noch detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiel
hervorgeht, ist bei der Erfindung die Verwendung einer Speicher-
bzw. Umschwinginduktivität
entbehrlich. Dennoch ist ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, insbesondere
weil ein während
der "ersten Entladephase" fließender Laststrom
zur Rückspeisung
von elektrischer Energie in den Kondensator genutzt wird. Außerdem können Bauelemente
wie der Kondensator und Halbleiter-Schaltelemente mit geringerer
Belastbarkeit ausgelegt werden. Dies deshalb, weil eine notwendige maximale
Aufladespannung für
den Piezoaktor durch eine Spannungswandlung (im Wesentlichen Spannungsverdopplung)
mittels des Kondensators erreicht wird.
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Bei
der Realisierung der erfindungsgemäßen Grundidee ist von wesentlicher
Bedeutung, dass jeder Aufladevorgang wie auch jeder Entladevorgang in
zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen erfolgt, nämlich einer
ersten und zweiten Aufladephase bzw. einer ersten und zweiten Entladephase.
Während
der zweiten Aufladephase wird die Last aus einer Reihenschaltung
der Spannungsquelle und des Kondensators auf die gewünschte Endspannung
aufgeladen. Während
der ersten Entladephase wird die Last in den Kondensator teilweise
entladen, wobei vorteilhaft eine Energierückspeicherung in diesen Kondensator
erfolgt.
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Insbesondere
bei einer Anwendung im Bereich der Automobilelektronik (z. B. zur
Ansteuerung eines piezobetätigten
Kraftstoff-Einspritzventils) kann die Spannungsquelle, welche die
Versorgungsspannung bereitstellt, z. B. durch einen DC/DC-Spannungswandler
gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung (z. B.
12 V oder 24 V) in die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung
gewandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Versorgungsspannung
beispielsweise größer als
50 V. Die mit der Schaltungsanordnung erzeugte maximale Aufladespannung
für den
Piezoaktor kann beispielsweise größer als 150 der Versorgungsspannung
sein und beispielsweise mehr als 100 V betragen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die Stromeinstelleinrichtung eine erste Stromquelle zum Aufladen
der Last und separat davon eine zweite Stromquelle zum Entladen
der Last auf. Eine Separation der Stromquellen für die Auf- und Entladung hat
sich insbesondere im Hinblick auf die schaltungstechnische Realisierung
bzw. Einstellbarkeit der Stromquellen als vorteilhaft herausgestellt.
Außerdem
kann damit die im Bereich der Stromeinstellung entstehende Verlustleistung
vorteilhaft in zumindest zwei Zweige aufgeteilt werden.
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Eine
Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sehr einfach
z. B. als Transistor (Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor)
ausgebildet sein, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem
Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließenden Stromes
beaufschlagt wird.
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Denkbar
ist jedoch auch die Verwendung einer bidirektional betreibbaren
Stromquelle, die in einer Richtung zum Aufladen und in der anderen
Richtung zum Entladen bei der Einstellung des Laststromes verwendet
wird. Eine bidirektionale Stromquelle kann sehr einfach z. B. unter
Verwendung von zwei parallel zueinander angeordneten Transistoren
realisiert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
eine zum Aufladen der Last vorgesehene Stromquelle im ersten Strompfad
angeordnet und/oder ist eine zum Entladen der Last vorgesehene Stromquelle
im zweiten Strompfad angeordnet.
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Bevorzugt
ist wenigstens einer der Schalter, insbesondere sämtliche
der Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden
die Schalter (z. B. Transistoren) von einer Steuereinrichtung angesteuert,
welche auch die Stromeinstelleinrichtung zur Festlegung des gelieferten
Stromes ansteuert (etwa durch Ausgabe von Steuerspannungen für die betreffenden
Transistoren).
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Wenn
wenigstens einer der Schalter als Transistor ausgebildet ist, so
kommt in Betracht, diesen Transistor nicht nur zum Schalten zu verwenden, sondern
auch als eine Komponente der Stromeinstelleinrichtung. Mit anderen
Worten bildet der Transistor dann eine ein- und ausschaltbare Stromquelle
im Sinne der vorliegenden Erfindung, vereinigt also die Funktion
der Stromeinstellung und des Schaltens in sich.
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Als
Transistor, der als Schalttransistor oder als Schalt/Stromeinstell-Transistor
ausgebildet sein kann, kann z. B. ein FET, insbesondere MOS-FET vorgesehen
sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Aufladung und/oder
die Entladung der Last geregelt. Beispielsweise kann der momentane
Laststrom und/oder die momentan an der Last anliegende Spannung
(Lastspannung) während der
Aufladung bzw. Entladung gemessen und mit einem Sollwert verglichen
werden, wobei auf Basis eines Istwert/Sollwert-Vergleiches die Ansteuersignale für die Schalter
und die Stromquelle(n) erzeugt werden.
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Durch
die erste Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf
die Versorgungsspannung aufgeladen. Durch die zweite Aufladephase
wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf das Doppelte der Versorgungsspannung
aufgeladen. Durch die erste Entladephase wird die Last bevorzugt im
Wesentlichen auf die Versorgungsspannung entladen. Durch die zweite
Entladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen vollständig (auf "Null" bzw. elektrische
Masse) entladen.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass im ersten Strompfad eine Diode angeordnet ist, über welche
der Last strom während
der ersten Entladephase fließt.
Parallel zu dieser Entladediode kann eine Stromquelle zum Aufladen
der Last (in umgekehrter Stromflussrichtung) vorgesehen sein.
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Weitere
Dioden können
vorteilhaft in Reihenschaltung mit dem ersten Schalter und/oder
mit dem zweiten Schalter angeordnet werden.
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Die
Erfindung kann vorteilhaft unter Verwendung einer einzigen Spannungsquelle
(z. B. ein DC/DC-Wandler) realisiert werden, deren gelieferte Versorgungsspannung
vorteilhaft aufwärtsgewandelt wird,
um bei der Aufladung der Last eine etwa doppelt so große Lastspannung
erreichen zu können. Hierfür wird mit
dem Kondensator gewissermaßen eine "Hilfsspannungsquelle" zur Spannungsüberhöhung geschaffen,
welche in der zweiten Aufladephase der eigentlichen Versorgungsspannung
zugeschaltet wird.
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Ein
zur Erzeugung der Versorgungsspannung eingesetzter DC/DC-Wandler kann auf
etwa "halber Spannung" (im Vergleich zur
gewünschten Maximalspannung
an der Last) arbeiten, was die Anforderungen an die Schaltungskomponenten
verringert und insbesondere den Einsatz von Komponenten mit niedrigerer
Maximalspannung ermöglicht.
Für niedrigere
Spannungen ist ein größeres und
somit kostengünstigeres
Bauteileangebot nutzbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Kondensator auch
als so genannte "Bootstrap"-Spannungsquelle
für Ansteuereinheiten
zur Ansteuerung des ersten Schalters und/oder des zweiten Schalters
verwendet werden. Wegen der (im Vergleich zur maximalen Lastspannung)
relativ geringen Versorgungsspannung können solche Ansteuerungsteile
zur An steuerung der beiden Schalter mit einfachen Mitteln versorgt
werden (lineare Stabilisierung).
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Zusammenfassend
kann mit der vorliegenden Erfindung eine schaltungstechnisch einfache, kompakte
und verlustarme Realisierung der Auf- und Entladung einer kapazitiven
Last bereitgestellt werden. Wesentlich ist die Verwendung von zwei
verschiedenen Spannungen, von denen eine als Versorgungsspannung
bereitgestellt wird und die andere durch einen Kondensator bereitgestellt
wird und gewissermaßen
als Hilfsspannung bei jeweils in zwei Phasen ablaufenden Ladevorgängen bzw.
Entladevorgängen
fungiert. Eine Verwendung von "linearen Stromquellen" ermöglicht vorteilhaft
nahezu beliebige Auflade- bzw.
Entladekurvenformen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 eine
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,
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2 den
zeitlichen Verlauf einiger Größen im Betrieb
der Schaltungsanordnung von 1, und
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3 eine
Endstufe zur Ansteuerung mehrerer Piezoaktoren unter Verwendung
der Schaltungsanordnung von 1.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung 10 zur Ansteuerung eines Piezoaktors
P eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Die Ansteuerung er folgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive
Last darstellenden Piezoaktors P.
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Die
Schaltungsanordnung 10 umfasst eine Spannungsquelle zur
Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen Versorgungsspannung
Ub. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt Ub z.
B. etwa 100 V.
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Zwischen
einem ersten Schaltungsknoten K1 und einem zweiten Schaltungsknoten
K2 ist ein Kondensator Ch angeordnet, wobei der erste Schaltungsknoten
K1 über
eine Diode D1 mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite
Schaltungsknoten K2 über
einen ersten Schalter S1 mit der Spannungsquelle verbindbar ist.
Die Diode D1 ist hierbei so gepolt, dass ein Strom von der Spannungsquelle
zum Schaltungsknoten K1 fließen
kann.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
außerdem
eine Diode D3 in Reihenschaltung zu dem ersten Schalter S1 angeordnet.
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Zu
Ausgangsanschlüssen
A1 und A2 der Schaltungsanordnung 10, die mit den beiden
Lastanschlüssen
des Piezoaktors P verbunden sind, führt ausgehend vom Schaltungsknoten
K1 ein erster Strompfad bzw. ausgehend vom Schaltungsknoten K2 ein
zweiter Strompfad.
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Der
erste Strompfad wird von einer ersten Stromquelle CS1 und der zweite
Strompfad von einer zweiten Stromquelle CS2 gebildet. Parallel zur
ersten Stromquelle CS1, mittels welcher ein Stromfluss vom Schaltungsknoten
K1 zum Ausgangsanschluss A1 eingestellt werden kann, ist eine Diode
D2 mit entgegengesetzter Flusspolung angeordnet. Mit der zweiten
Stromquelle CS2 kann ein Stromfluss vom Schaltungsknoten K2 zum
Ausgangsanschluss A2 eingestellt werden, der mit der elektrischen
Masse GND verbunden ist.
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Die
beiden Stromquellen CS1 und CS2 bilden eine in Reihenschaltung mit
dem Piezoaktor P angeordnete Stromeinstelleinrichtung, über welche der
Piezoaktor beim Aufladen und Entladen bestromt wird. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
umfasst diese Stromeinstelleinrichtung die erste Stromquelle CS1
im ersten Strompfad und die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad.
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Ferner
umfasst die Schaltungsanordnung 10 einen zweiten Schalter
S2 (mit einer Diode D4 in Reihenschaltung dazu), über welchen
der erste Strompfad (zwischen der ersten Stromquelle CS1 und dem Ausgangsanschluss
A1) mit dem zweiten Schaltungsknoten K2 verbindbar ist.
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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) und s2 (für
den Schalter S2) erzeugt und ausgibt.
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Wenngleich
dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist,
so sind die Schalter S1 und S2 bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalttransistoren
(z. B. FETs) gebildet, deren Steueranschlüsse (z. B. Gates) mit dem Ansteuersignal s1
bzw. s2 versorgt werden.
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Die
Stromquellen CS1 und CS2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel
ebenfalls jeweils als ein Transistor ausgebildet, dessen Steueranschluss mit
einem Ansteuersignal sip1 bzw. sip2 beaufschlagt wird, welches ebenfalls
von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale
s1 und s2 wird mit den Ansteuersignalen sip1 und sip2 kein Einschalten
und Ausschalten der betreffenden Transistoren bewirkt, sondern jeweils
ein bestimmter Laststrom Ip1 bzw. Ip2 beim Aufladen und Entladen
im ersten bzw. zweiten Strompfad eingestellt.
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Nachfolgend
wird unter Heranziehung auch der 2 die Ansteuerung
des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben.
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2 zeigt
am Beispiel eines Ansteuerzyklus (eine Aufladung und eine nachfolgende
Entladung) die Verläufe
verschiedener Größen im Betrieb der
Schaltungsanordnung 10 in Abhängigkeit von der Zeit t.
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Im
oberen Teil von 2 sind die Verläufe einer
ersten Knotenspannung Uboost (zwischen K1 und GND), einer zweiten
Knotenspannung Uh (zwischen K2 und GND) und der Last- bzw. Piezospannung
Up eingezeichnet. Im unteren Teil von 2 ist der
Verlauf des Laststromes Ip dargestellt, der beim Aufladen des Piezoaktors
P vom Strom Ip1 und beim Entladen des Piezoaktors P vom Strom Ip2
gebildet wird.
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Die
Aufladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die
sich aus einer ersten Aufladephase "a" und
einer sich unmittelbar daran anschließenden zweiten Aufladephase "b" zusammensetzt.
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Die
Entladung des Piezoaktors P erfolgt während einer Zeitspanne, die
sich aus einer ersten Entladephase "c" und
einer zweiten Entladephase "d" zusammensetzt.
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Die
in 2 außerdem
eingezeichneten Phasen S1on und S2on bezeichnen diejenigen Zeitspannen,
in denen die Schaltelemente S1 bzw. S2 eingeschaltet sind.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
soll der dargestellte, insgesamt trapezförmige Verlauf der Piezospannung
Up bewerkstelligt werden. Die einzelnen Phasen lassen sich wie folgt
beschreiben:
Während
der ersten Aufladephase "a" sind beide Schalter
S1, S2 geöffnet
und der Piezoaktor P wird aus der Versorgungsspannung Ub teilweise
aufgeladen. Dabei steigt die Piezospannung Up kontinuierlich an.
Der konkrete Verlauf ist durch entsprechende Ansteuerung der Stromquelle
CS1 einstellbar. Am Ende dieser Phase ist die Piezospannung Up auf
die Versorgungsspannung Ub abzüglich
einer für
die Funktion der Stromquelle CS1 notwendigen Mindestspannung (ΔUip) angestiegen.
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Während der
zweiten Aufladephase "b" ist der erste Schalter
S1 geschlossen und der zweite Schalter S2 geöffnet und der Piezoaktor P
wird aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle
und des Kondensators Ch weiter aufgeladen. Das Schließen von
S1 hebt nämlich
das Spannungsniveau am Eingang der Stromquelle CS1 mittels des auf
die Versorgungsspannung Ub aufgeladenen Kondensators Ch auf etwa
das Doppelte der Versorgungsspannung Ub. Der konkrete Verlauf der
weiter ansteigenden Piezospannung Up bzw. des in den Piezoaktor
fließenden
Laststromes wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der
Stromquelle CS1 festgelegt.
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Während der
ersten Entladephase "c" sind beide Schalter
S1, S2 geöffnet
und der Piezoaktor P wird teilweise in den Kon densator Ch entladen.
Diese teilweise Entladung erfolgt über die Diode D2 im ersten
Strompfad und über
die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad. Dabei wird Energie
aus dem Piezoaktor P in den Kondensator Ch zurückgeliefert. Der konkrete Verlauf
der Piezospannung Up bzw. des Laststromes Ip2 wird durch die entsprechende
Ansteuerung der Stromquelle CS2 festgelegt. Diese teilweise Entladung
kann solange fortgesetzt werden, bis die Knotenspannung Uh auf die
für die
Funktion der Stromquelle CS2 notwendige Mindestspannung (ΔUip) gesunken
ist oder die Piezospannung Up auf das Niveau der Versorgungsspannung
Ub gesunken ist.
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Während der
zweiten Entladephase "d" ist der erste Schalter
S1 geöffnet
und der zweite Schalter S2 geschlossen und wird der Piezoaktor P
in die elektrische Masse GND weiter entladen. In dieser Phase ist
der Piezoaktor P über
die Diode D4, den Schalter S2 und die Stromquelle CS2 mit elektrischer Masse
GND verbunden. Dies ermöglicht
eine vollständige
Entladung des Piezoaktors P. Am Ende (Zeitspanne Tn) dieser zweiten
Entladephase wird auch das zuvor im Kondensator Ch entstandene "Ladungsdefizit" (Lade/Entlade-Wirkungsgrad
in der Praxis ungleich 1) wieder ergänzt, wodurch (bei unverändertem
Strom Ip2) die Steilheit des Piezoentladestromes abgeflacht wird.
Ist dieser Abflachungseffekt nicht erwünscht, so kann dies durch eine
entsprechende Erhöhung
des Entladestromes in dieser Schlussphase kompensiert werden.
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Durch
die beim Übergang
von der ersten Ladephase zur zweiten Ladephase erfindungsgemäß vorgesehene
Umschaltung der an der Stromquelle CS1 liegenden Spannung (von Ub
auf Ub zuzüglich der
Kondensatorspannung) ergibt sich für den Ladevorgang der Vorteil
einer deutlich reduzierten Verlustleistung in der Stromquelle CS1.
Eine entsprechende Wirkungsgradverbesserung ergibt sich auch für den Entladevorgang.
Damit kann insgesamt ein Wirkungsgrad erzielt werden, der vergleichbar
mit dem Wirkungsgrad bekannter Endstufenkonzepte ist.
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Ein
noch wesentlicherer Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung
bzw. des damit bewerkstelligten Ansteuerverfahrens liegt im Kostenbereich. Es
lassen sich nämlich
deutliche Einsparungen bei teuren Induktivitäten, Kondensatoren und Leistungshalbleitern
erzielen. Insbesondere kann auf Grund der mittels der Schaltungsanordnung
realisierten Spannungsüberhöhung bzw.
Spannungsverdopplung ein DC/DC-Wandler, welcher die Versorgungsspannung
Ub bereitstellt, auf etwa "halber
Spannung" (im Vergleich
zur gewünschten
Maximalspannung am Piezoaktor) arbeiten, was die Verwendung kostengünstigerer
Schaltungskomponenten (einschließlich derjenigen des DC/DC-Wandlers) gestattet.
Viele Komponenten der Schaltungsanordnung müssen nur auf etwas mehr als
die Versorgungsspannung Ub und nicht auf die volle maximale Piezospannung
Up ausgelegt werden. Außerdem
stellt die Schaltungsanordnung geringere Bauraumanforderungen und
besitzt eine hohe Robustheit, was insbesondere bei so genannter "Vorort-Elektronik" (z. B. im Motorraum
eines Kraftfahrzeuges) von großer
Bedeutung ist.
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Eine
Anordnung für
mehrere kapazitive Lasten, beispielsweise mehrere piezobetätigte Kraftstoff-Einspritzventile
bei einem Kraftfahrzeug, lässt sich
in einfacher Weise z. B. durch masseseitige "Auswahlschalter" realisieren. Eine solche Schaltungsanordnung
bzw. Endstufe zur Ansteuerung einer Mehrzahl von Piezoaktoren ist
in 3 dargestellt.
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3 zeigt
eine Endstufe 100 umfassend eine Schaltungsanordnung 10', die beispielsweise identisch
zu der oben beschriebenen Schaltungsanordnung 10 ausgebildet
sein kann und dementsprechend zwei Ausgangsanschlüsse A1 (versorgungsseitig)
und A2 (masseseitig) aufweist.
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Wie
aus der Figur ersichtlich, ist der Ausgangsanschluss A1 mit jeweils
einem der beiden Lastanschlüsse
sämtlicher
Piezoaktoren P1, P2, ... verbunden, wohingegen der jeweils andere
Lastanschluss dieser Piezoaktoren über einen jeweils zugeordneten
Auswahlschalter (Transistoren T1, T2, ...) mit dem Ausgangsanschluss
A2 verbunden ist. In diesem Verbindungspfad (zwischen A2 und den
Auswahlschaltern) ist außerdem
noch ein Strommesswiderstand Rs angeordnet, mittels welchem der
momentane Laststrom des jeweils ausgewählten Piezoaktors gemessen
werden kann. In an sich bekannter Weise wird hierfür der Spannungsabfall
am Messwiderstand Rs gemessen, wofür die Schaltungsanordnung 10' mit einem Eingangsanschluss
E1 versehen ist, über
welchen der gemessene Spannungsabfall der entsprechenden Steuereinrichtung
innerhalb der Schaltungsanordnung 10' zur Auswertung bzw. Berücksichtigung
bei der Ansteuerung zugeführt
wird. Der zu messende Spannungsabfall ist mit Uirs bezeichnet.
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Die
Schaltungsanordnung 10' lässt sich
somit vorteilhaft auch zum Aufladen und Entladen einer Mehrzahl
von Piezoaktoren verwenden. Ansteuersignale für das Schalten der Auswahlschalter
T1, T2, ... können
ebenfalls von der betreffenden Steuereinrichtung erzeugt und ausgegeben
werden (nicht dargestellt).
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Bemerkenswert
ist, dass bei der Endstufe 100 die Auswahlschalter T1,
T2, ... vorteilhaft auch die Funktion einer Stromeinstellung übernehmen können, wie
Sie in 1 beispielsweise durch die Stromquelle CS1 realisiert
ist. Damit kann z. B. eine der Stromquelle CS1 entsprechende gemeinsame Stromquelle
des Schaltungsteils 10 ersetzt werden oder eine bei einer
solchen Stromeinstellung auftretende Verlustleistung besser verteilt
werden.