DE102008018011A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last sowie Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last sowie Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung schlägt eine Schaltungsanordnung (10, 10a) zum Betreiben einer kapazitiven Last (P) vor, umfassend Versorgungsanschlüsse (E1, E2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung (VBAT-GND), Ausgangsanschlüsse (A1, A2) zum Anschluss der Last (P), gegebenenfalls einen Kondensator (C), zwei InduktiQ2) und eine Steuereinrichtung (ST) zur Ansteuerundnung kann mit sehr wenigen Bauelementen und somit sehr einfach realisiert werden und erlaubt dennoch ein Aufladen und Entladen der kapazitiven Last (P) mit im Prinzip beliebigen zeitlichen Verläufen eines entsprechenden Laststromes.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last, wie z. B. eines piezoelektrischen Stellgliedes.
  • Derartige Schaltungsanordnungen sind in vielfältigen Ausführungen insbesondere aus dem Bereich der Automobilelektronik bekannt, und zwar zum Betrieb von piezoelektrischen Stellgliedern in Kraftstoffinjektoren. Bedingt durch die dort gestellten hohen Anforderungen hinsichtlich eines raschen, exakten und reproduzierbaren Öffnens und Schließens von Kraftstoffeinspritzventilen sind die bekannten Schaltungsanordnungen jedoch relativ aufwändig gestaltet.
  • Für Anwendungen mit geringeren Anforderungen an die Leistungseigenschaften der Schaltungsanordnung wäre daher eine weniger aufwändig gestaltete und somit kostengünstigere Schaltungsanordnung wünschenswert.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß eines ersten Erfindungsaspekts umfasst die Schaltungsanordnung:
    • – einen ersten Versorgungsanschluss und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials bzw. eines zweiten Versorgungspotentials,
    • – einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss zum Anschluss der Last, wobei der erste Ausgangsanschluss mit dem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist,
    • – einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten angeordneten Kondensator,
    • – eine zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss und dem ersten Schaltungsknoten angeordnete erste Induktivität,
    • – einen zwischen dem ersten Schaltungsknoten und dem ersten Versorgungsanschluss angeordneten ersten ansteuerbaren Schalter,
    • – eine zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem ersten Versorgungsanschluss angeordnete zweite Induktivität,
    • – einen zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordneten zweiten ansteuerbaren Schalter, und
    • – eine Steuereinrichtung zur Bereitstellung von Steuersignalen zur Ansteuerung der beiden Schalter.
  • In einer Weiterbildung des ersten Erfindungsaspekts sind die beiden Induktivitäten induktiv gekoppelt, also beispielsweise als auf einem gemeinsamen Kern gewickelte Spulen ausgebildet.
  • Gemäß eines zweiten Erfindungsaspekts umfasst die Schaltungsanordnung:
    • – einen ersten Versorgungsanschluss und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials bzw. eines zweiten Versorgungspotentials,
    • – einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss zum Anschluss der Last, wobei der erste Ausgangsanschluss mit dem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist,
    • – eine zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss angeordnete Reihenschaltung aus einer ersten Induktivität und einem ersten ansteuerbaren Schalter,
    • – eine induktiv mit der ersten Induktivität gekoppelte zweite Induktivität, die einerseits mit dem ersten Versorgungsanschluss und andererseits über einen zweiten ansteuerbaren Schalter mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist, und
    • – eine Steuereinrichtung zur Bereitstellung von Steuersignalen zur Ansteuerung der beiden Schalter.
  • In einer Weiterbildung umfasst die Schaltungsanordnung gemäß des zweiten Erfindungsaspekts ferner einen zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss angeordneten Kondensator.
  • Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann mit relativ wenigen Bauelementen und somit sehr einfach realisiert werden und erlaubt durch entsprechende Ansteuerung der beiden Schal ter ein Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mit im Prinzip beliebigen zeitlichen Verläufen eines entsprechenden Laststromes.
  • Darüber hinaus besitzt dieses Schaltungskonzept eine Reihe weiterer Vorteile, und zwar insbesondere bei einer Verwendung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellgliedes (z. B. in einem Proportionalventil).
  • Gut geeignet ist die Erfindung z. B. zur Ansteuerung eines (im Vergleich zu Kraftstoffinjektoren) ”relativ langsamen” Stellgliedes in einem verstellbaren Fluidventil (z. B. Proportionalventil), beispielsweise in einem als Druckminderer vorgesehenen Gasventil. Ein piezobetätigtes einstellbares Gasventil kann z. B. als Druckminderer zwischen einem Brenngasreservoirbereich und einem Brenngaseinlassbereich einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine (Gasmotor) eingesetzt werden. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind zeitliche Änderungsraten der Ausgangsspannung (Lastspannung) erzielbar, die zur Ansteuerung eines solchen Druckminderungsventils vollkommen ausreichend sind (typisch im ms-Bereich).
  • Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, aus einer relativ geringen Versorgungsspannung (= Differenz zwischen den beiden Versorgungspotentialen) eine zur Auslenkung eines Piezoaktors erforderliche höhere Spannung zu erzeugen. Dementsprechend ist auch der ausgangsseitige Spannungshub vorteilhaft sehr groß (weil die Ausgangsspannung auch auf 0 V reduziert werden kann).
  • Weiterhin kann mit der Schaltungsanordnung eine konstante Ausgangsspannung in einfacher Weise über eine längere Zeit gehalten werden (z. B. auf einen Sollwert eingeregelt wer den), was z. B. für die oben erwähnte Anwendung bei einem piezogetriebenen Druckminderer in der Praxis häufig vorkommt.
  • Trotz des extrem einfachen Aufbaus der Schaltungsanordnung kann die Verlustleistung im Betrieb relativ gering gehalten werden. Auch ist eine Rückgewinnung der in der kapazitiven Last gespeicherten elektrischen Energie beim Entladen der Last möglich und ermöglicht so ein verlustarmes Arbeiten in dynamischem Betriebsphasen-Stopp-Start.
  • In einer Ausführungsform werden die beiden Versorgungspotentiale von einer Batterie bereitgestellt, beispielsweise von einer in einem Kraftfahrzeug zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes vorgesehenen Batterie. In diesem Fall kann die Schaltungsanordnung z. B. zum Betreiben eines piezoelektrischen Stellgliedes im Bereich eines Antriebes des Kraftfahrzeuges vorgesehen sein (z. B. zum Betreiben eines Proportionalventils).
  • In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schaltungskomponenten so ausgelegt sind, dass eine die Versorgungsspannung übersteigende Ausgangsspannung erzielbar ist. Eine solche Aufwärtswandlung von der Versorgungsspannung zur Ausgangsspannung ist z. B. in einer automobilen Anwendung besonders interessant, etwa wenn es darum geht, aus einem elektrischen Bordnetz mit relativ geringer Spannung (z. B. im Bereich von 12 V bis 16 V) ein piezoelektrisches Stellglied anzusteuern, welches typischerweise zur vollen Auslenkung relativ hohe Spannungen erfordert (z. B. mehr als 50 V, insbesondere mehr als 100 V).
  • Der erste ansteuerbare Schalter und/oder der zweite ansteuerbare Schalter können in einfacher Weise als Transistor, insbesondere Feldeffekttransistor (FET), ausgebildet sein. Falls ein Bipolartransistor eingesetzt wird, so ist im Hinblick auf geringe elektrische Verluste ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (”IGBT”) bevorzugt.
  • Im Hinblick auf eine möglichst genaue Einstellung der Ausgangsspannung ist es von Vorteil, wenn Mittel zur Messung des über den ersten Schalter fließenden Stromes und/oder Mittel zur Messung des durch die Last fließenden Stromes vorgesehen sind. Ein solches Strommessmittel kann z. B. einen Shuntwiderstand umfassen, der im entsprechenden Strompfad angeordnet ist und dessen Spannungsabfall als für den fließenden Strom repräsentative Messgröße von einer Auswerteeinheit erfasst wird. Die Auswerteeinheit kann insbesondere einen Teil der zur Bereitstellung der Steuersignale für die beiden Schalter ohnehin vorgesehenen Steuereinrichtung sein.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben. Es stellen dar:
  • 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Piezoaktors gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, und
  • 2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Piezoaktors gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
  • 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 (Endstufe) zum Betreiben einer kapazitiven Last in Form eines Piezoaktors P.
  • Die Schaltungsanordnung 10 umfasst Versorgungsanschlüsse E1 und E2 zum Anlegen von Versorgungspotentialen GND und VBAT, die hier z. B. aus einer Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt werden.
  • Die Versorgungsspannung (Differenz zwischen VBAT und GND) beträgt z. B. 12 V. Ausgangsseitig, zwischen Ausgangsanschlüssen A1 und A2, kann im Betrieb eine Ausgangsspannung (Lastspannung) für den Piezoaktor P eingestellt werden, die z. B. in einem Bereich von 0 V bis 200 V variabel ist.
  • Der Piezoaktor P dient z. B. zur Betätigung eines Druckminderers an einem Einlassbereich eines Gasmotors des Kraftfahrzeuges.
  • Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ferner
    • – einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten K1 und einem zweiten Schaltungsknoten K2 angeordneten Kondensator C,
    • – eine zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss E2 und dem ersten Schaltungsknoten K1 angeordnete erste Induktivität L1,
    • – einen zwischen dem ersten Schaltungsknoten K1 und dem ersten Versorgungsanschluss E1 angeordneten Schalttransistor Q1,
    • – eine zwischen dem zweiten Schaltungsknoten K2 und dem ersten Versorgungsanschluss E1 angeordnete zweite Induktivität L2,
    • – einen zwischen dem zweiten Schaltungsknoten K2 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 angeordneten zweiten Schalttransistor Q2, und
    • – eine Steuereinrichtung ST zur Bereitstellung von Steuersignalen q1 und q2 zur Ansteuerung der beiden Transistoren Q1 und Q2. Die Einrichtung ST bewirkt diese Ansteuerung auf Basis eines zugeführten Vorgabesignals S (welches z. B. von einer programmgesteuerten Rechnereinrichtung (z. B. Mikrocontroller) erzeugt wird).
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem ersten Transistor Q1 ein Strommesswiderstand Rs1 in Reihe geschaltet, dessen Spannungsabfall Us1 repräsentativ für den über Q1 fließenden Strom ist. Die Messgröße Us1 wird zur Verbesserung der Steuerungsgenauigkeit der Steuereinrichtung ST zugeführt.
  • Außerdem wird im dargestellten Beispiel ein Spannungsabfall Us2 bei der Steuerung berücksichtigt, der an einem zweiten Strommesswiderstand Rs2 abfällt, der im Verbindungspfad zwischen dem ersten Versorgungsanschluss E1 und dem ersten Ausgangsanschluss A1 angeordnet ist. Us2 ist somit repräsentativ für den durch den Piezoaktor P fließenden Strom.
  • Gemäß einer einfachen Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10 ist vorgesehen, dass ein Aufladen des Piezoaktors P durch einen getakteten Betrieb des ersten Transistors Q1 erfolgt, wohingegen ein Entladen der Last P durch einen getakteten Betrieb des zweiten Transistors Q2 erfolgt.
  • Hinsichtlich des Aufladevorganges ist anzumerken, dass die Schaltungsanordnung 10 im Wesentlichen wie ein so genannter SEPIC (”Single Ended Primary Inductance Converter”)-Wandler arbeitet. Die getaktete Aufladung lässt sich wie folgt beschreiben:
    Wenn zu Beginn des Schaltungsbetriebs beide Transistoren Q1 und Q2 sperren, so stellt sich eine Ladespannung am Kondensa tor C ein, die der Versorgungsspannung entspricht. Am Knoten K1 herrscht das Potential VBAT und am Knoten K2 herrscht das Potential GND.
  • Wenn nun Q1 eingeschaltet wird, so reduziert sich das Potential am Knoten K1 schlagartig auf GND. Dies hat zur Folge, dass ein allmählich ansteigender Strom von E2 über die erste Induktivität L1 (Drossel) und weiter über Q1 nach E1 fließt, und dass das Potential am Knoten K2 schlagartig auf einen Wert von -VBAT absinkt, also unter das Potential GND. Letzteres hat zur Folge, dass auch ein allmählich steigender Strom durch die zweite Induktivität L2 (zweite Drossel) von E1 zum Knoten K2 fließt. Im dargestellten Beispiel sind die Induktivitäten L1 und L2 gleich groß bemessen.
  • Nach einer gewissen Zeit wird das Potential am Knoten K2 wieder etwa auf den Wert GND angestiegen sein, wobei in diesem Moment vergleichsweise große Ströme durch beide Induktivitäten L1 und L2 fließen.
  • Wenn etwa in diesem Moment Q1 wieder ausgeschaltet wird, so führt der weiterhin durch L1 fließende Strom zu einer Erhöhung des am Knoten K1 herrschenden Potentials. Des weiteren kommt es zu einer Überhöhung des am Knoten K2 herrschenden Potentials (weit über den Wert von VBAT hinaus) und es fließt ein Laststrom von K2 über die intrinsische Source-Drain-Diode (nicht dargestellt) des Transistors Q2 und den Ausgangsanschluss A2 zum Piezoaktor P. In dieser Phase wird die Ausgangsspannung erhöht und der Piezoaktor P somit aufgeladen.
  • Durch wiederholtes Einschalten und Ausschalten von Q1 kann somit der Piezoaktor P in einem gewünschten Ausmaß aufgeladen werden bzw. eine gewünschte Ausgangsspannung (Lastspannung) eingestellt werden.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in welchem der zweite Schalter Q2 als Feldeffekttransistor mit in beschriebener Weise gepolter ”intrinsischer Source-Drain-Diode” verwendet wird, erübrigt sich ein Einschalten von Q2 in der Aufladephase. Falls an dieser Stelle abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel ein ansteuerbarer Schalter ohne eine derartige intrinsische bzw. parallel zum Schalter angeordnete Diode verwendet wird, so muss der zweite Schalter Q2 dementsprechend in der Aufladephase eingeschaltet werden.
  • In einer Weiterbildung der beschriebenen Ansteuerung der Transistoren Q1 und Q2 wird der Transistor Q2 während der Aufladephase aktiv eingeschaltet, um den Flusswiderstand und somit die Verluste in jeder Aufladephase zu reduzieren.
  • Um die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen A1 und A2 konstant zu halten und somit die im Piezoaktor P gespeicherte Ladung konstant zu halten, werden beide Schalter Q1 und Q2 einfach ausgeschaltet (geöffnet). Um eine allmähliche unerwünschte Entladung z. B. durch Leckströme zu kompensieren, kann die Ausgangsspannung überwacht und auf Basis der Überwachung nachgestellt werden.
  • Um die Ausgangsspannung wieder zu verringern und somit den Piezoaktor P zu entladen, wird der Transistor Q2 dauerhaft oder getaktet eingeschaltet. In dieser Weise kann ein gewünschter zeitlicher Entladungsverlauf bewerkstelligt werden.
  • Im Hinblick auf eine möglichst genaue Ansteuerung der beiden Schalter Q1 und Q2 zwecks möglichst präziser Einstellung der Ausgangsspannung ist es von Vorteil, die oben bereits erwähnten Strommesssignale Us1 und Us2 bei der Bestimmung der Schaltzeitpunkte durch die Steuereinrichtung ST zu nutzen.
  • Alternativ oder zusätzlich kommt in Betracht, andere Messsignale im Bereich der dargestellten Schaltung zur Bestimmung von optimierten Schaltzeitpunkten zu erfassen. In dieser Hinsicht ist z. B. die Erfassung der Ausgangsspannung in vielen Fällen vorteilhaft, etwa zur Realisierung einer Regelschleife, durch welche die Ausgangsspannung auf einen Sollwert eingestellt wird.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels werden für gleichwirkende Schaltungskomponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.
  • 2 zeigt eine Schaltungsanordnung 10a (Endstufe) zum Betreiben eines Piezoaktors P.
  • Die Schaltungsanordnung 10a umfasst
    • – einen ersten Versorgungsanschluss E1 und einen zweiten Versorgungsanschluss E2 zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials GND bzw. eines zweiten Versorgungspotentials VBAT,
    • – einen ersten Ausgangsanschluss A1 und einen zweiten Ausgangsanschluss A2 zum Anschluss der Last P, wobei der erste Ausgangsanschluss A1 mit dem ersten Versorgungsanschluss E1 verbunden ist,
    • – eine zwischen dem ersten Versorgungsanschluss E1 und dem zweiten Versorgungsanschluss E2 angeordnete Reihen schaltung aus einer ersten Induktivität L1 und einem ersten Schalttransistor Q1,
    • – eine induktiv mit der ersten Induktivität L1 gekoppelte zweite Induktivität L2, die einerseits mit dem ersten Versorgungsanschluss E1 und andererseits über einen zweiten Schalttransistor Q2 mit dem zweiten Ausgangsanschluss A2 verbunden ist, wobei die beiden Induktivitäten einen Transformator bilden, und
    • – eine Steuereinrichtung ST zur Bereitstellung von Steuersignalen q1, q2 zur Ansteuerung der beiden Schalter Q1, Q2. Die Einrichtung ST bewirkt diese Ansteuerung auf Basis eines Vorgabesignals S (wie oben für das Beispiel gemäß 1 bereits beschrieben).
  • Zur Messung von Strömen, die durch den ersten Transistor Q1 bzw. durch den Piezoaktor P fließen, sind Strommesswiderstände Rs1 und Rs2 vorgesehen.
  • Gemäß einer einfachen Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10a ist vorgesehen, dass ein Aufladen des Piezoaktors P durch einen getakteten Betrieb des ersten Transistors Q1 und des zweiten Transistors Q2 erfolgt, wohingegen ein Entladen der Last P z. B. mittels des zweiten Transistors Q2 erfolgt, der hierfür z. B. getaktet oder dauerhaft betrieben werden kann.
  • Hinsichtlich des Aufladevorganges ist anzumerken, dass die Schaltungsanordnung 10a im Wesentlichen wie ein so genannter Sperrwandler arbeitet.
  • Zur Pufferung der Versorgungsspannung VBAT-GND ist im dargestellten Beispiel ein Kondensator C vorgesehen, der zwischen den beiden Versorgungsanschlüssen E1 und E2 angeordnet ist.
  • Die getaktete Aufladung des Piezoaktors P lässt sich wie folgt beschreiben:
    Wenn zu Beginn des Schaltungsbetriebs der Transistor Q1 sperrt, so stellt sich eine Ladespannung am Kondensator C ein, die der Versorgungsspannung entspricht. Der Kondensator C ist hier so dimensioniert, dass dessen Ladespannung im Schaltungsbetrieb im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Wenn nun Q1 eingeschaltet wird, so fließt ein allmählich ansteigender Strom von E2 über die erste Induktivität L1 (Primärseite des Transformators) und weiter über Q1 nach E1. Die induktiv gekoppelte Induktivität L2 (Sekundärseite des Transformators) ist so angeordnet (gewickelt), dass die darin induzierte Spannung versucht, einen Strom von A2 über Q2, L nach A1 fließen zu lassen. Ein solcher Stromfluss findet jedoch nicht statt, da in dieser Phase durch die Steuereinrichtung ST ein Steuersignal q2 ausgegeben wird, welches ein Sperren des Transistors Q2 bewirkt.
  • Nach einer gewissen Zeit fließt ein vergleichsweise großer Strom durch die Induktivität L1.
  • Wenn dann Q1 wieder ausgeschaltet wird und der Primärstrom zusammenbricht, so wird in der zweiten Induktivität L2 eine relativ große Spannung induziert, so dass ein Laststrom von L2 über den (hierfür eingeschalteten) zweiten Transistor Q2 und den Ausgangsanschluss A2 zum Piezoaktor P fließt. In dieser Phase wird die Ausgangsspannung erhöht und der Piezoaktor P somit aufgeladen.
  • Durch wiederholtes Einschalten und Ausschalten von Q1 (und entsprechend synchronisiertes Schalten von Q2) kann somit der Piezoaktor P in einem gewünschten Ausmaß aufgeladen werden bzw. eine gewünschte Ausgangsspannung (Lastspannung) eingestellt werden.
  • Um die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen A1 und A2 konstant zu halten und somit die im Piezoaktor P gespeicherte Ladung konstant zu halten, werden beide Schalter Q1 und Q2 ausgeschaltet (geöffnet). Um eine allmähliche unerwünschte Entladung z. B. durch Leckströme zu kompensieren, kann die Ausgangsspannung überwacht und auf Basis der Überwachung nachgestellt werden.
  • Um die Ausgangsspannung wieder zu verringern und somit den Piezoaktor P zu entladen, wird der Transistor Q2 dauerhaft oder getaktet eingeschaltet. In dieser Weise kann ein gewünschter zeitlicher Entladungsverlauf (und eine Energierückgewinnung in die Versorgung) bewerkstelligt werden.
  • Bei der Ansteuerung der beiden Schalter Q1 und Q2 werden die oben bereits erwähnten Strommesssignale Us1 und Us2 zur Bestimmung betriebsgünstiger Schaltzeitpunkte durch die Steuereinrichtung ST genutzt.
  • Im dargestellten Beispiel umfasst die Schaltungsanordnung ferner einen zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss A2 und dem ersten Ausgangsanschluss A1 angeordneten Transistor Q3, mittels welchem eine zusätzlich nutzbare Entladepassage geschaffen ist. Alternativ oder zusätzlich zu einem Einschalten von Q2 kann der Entladevorgang somit auch durch Einschalten von Q3 initiiert werden (z. B. um ein rascheres Entladen des Piezoaktors P zu erzielen). Im dargestellten Beispiel ist dem Transistor ein Shuntwiderstand Rs3 in Reihe geschaltet, welcher den maximalen Entladestrom vorteilhaft begrenzt.
  • Eine Besonderheit der dargestellten, mittels Q3 und Rs3 realisierten Entladepassage besteht darin, dass die Ansteuerung des Transistors Q3 nicht durch direktes Anlegen eines von der Einrichtung ST bereitgestellten Steuersignals q3 an den Steuereingang (hier: Gate) des Transistors Q3 bewerkstelligt wird, sondern mittels eines Operationsverstärkers OPAMP eine Entladestromregelung realisiert ist, bei welcher ein Spannungswert des Steuersignals q3 eine Vorgabe für den einzustellenden Entladestrom darstellt. Zu diesem Zweck wird das Signal q3 an einem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPAMP angelegt, von welchem ein invertierender Eingang mit dem Source-Anschluss von Q3 verbunden ist und ein Ausgangsanschluss mit dem Gate-Anschluss von Q3 verbunden ist. Außerdem ist der Source-Anschluss von Q3 nicht direkt sondern über den erwähnten Shuntwiderstand Rs3 mit dem Verbindungspfad von E1 nach A1 verbunden. Durch diese Maßnahmen stellt sich ein durch Q3 und Rs3 fließender Entladestrom in Abhängigkeit vom Steuersignal q3 ein.
  • Bei der Schaltungsanordnung 10a könnte auch die am Shuntwiderstand Rs3 abfallende Spannung bei der Ansteuerung berücksichtigt werden (z. B. alternativ oder zusätzlich zur Spannung Us2).
  • Eine zusätzliche Entladepassage (Q3) wie vorstehend für die Schaltungsanordnung 10a von 2 beschrieben, und deren Modifikationen bzw. Besonderheiten (Rs3, OPAMP, Nutzung der an Rs3 abfallenden Spannung), kann auch bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung 10 vorgesehen sein.
  • Zusammenfassend sind mit den beschriebenen Schaltungsanordnungen 10 und 10a jeweils einfach aufgebaute und somit kostengünstige Endstufen zur Ansteuerung eines Piezoaktors geschaffen. Die Schaltungsanordnungen sind nur einstufig und es ist kein nachgeschalteter Linearregler erforderlich. Es können prinzipiell beliebige Ausgangsspannungen und Eingangsspannungen eingestellt werden. Durch die kapazitive bzw. induktive Entkopplung zwischen Versorgungsseite und Ausgangsseite kann sichergestellt werden, dass in einem Fehlerfall kein hoher Strom oder eine hohe Spannung am Ausgang herrschen. Außerdem kann die in der Last gespeicherte Energie beim Entladen der Last zumindest teilweise wieder zurückgewonnen werden.

Claims (10)

  1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last (P), umfassend – einen ersten Versorgungsanschluss (E1) und einen zweiten Versorgungsanschluss (E2) zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials (GND) bzw. eines zweiten Versorgungspotentials (VBAT), – einen ersten Ausgangsanschluss (A1) und einen zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Anschluss der Last (P), wobei der erste Ausgangsanschluss (A1) mit dem ersten Versorgungsanschluss (E1) verbunden ist, – einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten (K1) und einem zweiten Schaltungsknoten (K2) angeordneten Kondensator (C), – eine zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss (E2) und dem ersten Schaltungsknoten (K1) angeordnete erste Induktivität (L1), – einen zwischen dem ersten Schaltungsknoten (K1) und dem ersten Versorgungsanschluss (E1) angeordneten ersten ansteuerbaren Schalter (Q1), – eine zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (K2) und dem ersten Versorgungsanschluss (E1) angeordnete zweite Induktivität (L2), – einen zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (K2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordneten zweiten ansteuerbaren Schalter (Q2), und – eine Steuereinrichtung (ST) zur Bereitstellung von Steuersignalen (q1, q2) zur Ansteuerung der beiden Schalter (Q1, Q2).
  2. Schaltungsanordnung (10a) zum Betreiben einer kapazitiven Last (P), umfassend – einen ersten Versorgungsanschluss (E1) und einen zweiten Versorgungsanschluss (E2) zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials (GND) bzw. eines zweiten Versorgungspotentials (VBAT), – einen ersten Ausgangsanschluss (A1) und einen zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Anschluss der Last (P), wobei der erste Ausgangsanschluss (A1) mit dem ersten Versorgungsanschluss (E1) verbunden ist, – eine zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (E1) und dem zweiten Versorgungsanschluss (E2) angeordnete Reihenschaltung aus einer ersten Induktivität (L1) und einem ersten ansteuerbaren Schalter (Q1), – eine induktiv mit der ersten Induktivität (L1) gekoppelte zweite Induktivität (L2), die einerseits mit dem ersten Versorgungsanschluss (E1) und andererseits über einen zweiten ansteuerbaren Schalter (Q2) mit dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) verbunden ist, und – eine Steuereinrichtung (ST) zur Bereitstellung von Steuersignalen (q1, q2) zur Ansteuerung der beiden Schalter (Q1, Q2).
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, ferner umfassend ei nen zwischen dem ersten Versorgungsanschluss (E1) und dem zweiten Versorgungsanschluss (E2) angeordneten Kondensator (C).
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die beiden Versorgungspotentiale (GND, VBAT) von einer Batterie bereitgestellt werden.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schaltungskomponenten so ausgelegt sind, dass eine die Versorgungsspannung (VBAT-GND) übersteigende Ausgangsspannung erzielbar ist.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste ansteuerbare Schalter (Q1) und/oder der zweite ansteuerbare Schalter (Q2) als Transistor, insbesondere FET, ausgebildet ist.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel (Rs1) zur Messung des über den ersten Schalter (Q1) fließenden Stromes und/oder Mittel (Rs2) zur Messung des durch die Last (P) fließenden Stromes vorgesehen sind.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend einen zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) und dem ersten Ausgangsanschluss (A1) angeordneten Transistor (Q3).
  9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, wobei Mittel (OPAMP, Rs3) zur geregelten Einstellung eines über den Transistor (Q3) fließenden Stromes vorgesehen sind.
  10. Verwendung einer Schaltungsanordnung (10, 10a) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellgliedes.
DE102008018011.4A 2008-04-09 2008-04-09 Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last sowie Verwendung einer derartigen Schaltungsanordnung Active DE102008018011B4 (de)

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