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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben
einer kapazitiven Last, wie z. B. eines piezoelektrischen Stellgliedes.
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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.
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Für Anwendungen
mit geringeren Anforderungen an die Leistungseigenschaften der Schaltungsanordnung
wäre daher
eine weniger aufwändig gestaltete
und somit kostengünstigere
Schaltungsanordnung wünschenswert.
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In
der
DE 101 47 168
A1 ist eine Wandlerschaltung mit einer Speicherinduktivität beschrieben, die
mit einem Ende mit einem Referenzpotential verbunden ist und die
am entgegengesetzten Ende eingangsseitig an einen Netzanschluss
und ausgangsseitig an eine sekundäre Speicherkapazität angeschlossen
ist, die ausgangsseitig mit dem Referenzpotential verbunden ist.
Der Speicherinduktivität
ist eingangsseitig eine primäre
Speicherkapazität
vorgeschaltet, die eingangsseitig über ein primäres Schaltelement
mit dem Referenzpotential verbindbar ist und dabei die sekundäre Speicherkapazität in Reihe
mit einem sekundären
Schaltelement geschaltet ist. Die sekundäre Speicherkapazität ist dabei
bevorzugter Weise als ein Piezoelement ausgebildet. Das Piezoelement
ist dabei ein zum Betätigen
von Ventilen in einem Verbrennungsmotor geeigneter Piezoaktor.
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Aus
der
DE 199 44 733
A1 ist eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines
kapazitiven Stellgliedes, insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzventil
einer Brennkraftmaschine, mit einem von einer Energiequelle auf
eine bezüglich
eines Bezugspotential vorgegebene Spannung aufladbaren Ladekondensators
bekannt. Parallel zum Ladekondensator ist eine Reihenschaltung der
Primärspule
eines Transformators und eines Ladeschalters angeordnet. Der eine
Anschluss der Sekundärspule
des Transformators ist über
einen Entladeschalter mit dem Bezugspotential verbunden. Parallel
zur Reihenschaltung aus Sekundärspule
und Endladeschalter ist ein kapazitives Stellglied oder je eine
Reihenschaltung aus einem Stellglied und einem ihm zugeordneten Auswahlschalter
angeordnet. Parallel zum Ladeschalter ist eine vom Bezugspotenzial
weg stromleitende Diode parallel zum Endladeschalter eine vom Bezugspotenzial
weg stromleitende Diode geschaltet.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach
aufgebaute Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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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,
- – eine
zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem zweiten Ausgangsanschluss
angeordnete Diode,
- – einen
zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss
angeordneten zweiten ansteuerbaren Schalter, und
- – eine
Steuereinrichtung zur Bereitstellung von Steuersignalen zur Ansteuerung
der beiden Schalter.
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In
einer Weiterbildung des ersten Erfindungsaspekts sind die beiden
Induktivitäten
induktiv gekoppelt, also beispielsweise als auf einem gemeinsamen
Kern gewickelte Spulen ausgebildet.
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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 eine
Diode mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist,
- – einen
zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss
angeordneten zweiten ansteuerbaren Schalter, und
- – eine
Steuereinrichtung zur Bereitstellung von Steuersignalen zur Ansteuerung
der beiden Schalter.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Schaltungsanordnung gemäß des zweiten
Erfindungsaspekts ferner einen zwischen dem ersten Versorgungsanschluss
und dem zweiten Versorgungsanschluss angeordneten Kondensator.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann mit relativ wenigen Bauelementen und somit sehr einfach realisiert
werden und erlaubt durch entsprechende Ansteuerung der beiden Schalter
ein Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mit im Prinzip beliebigen
zeitlichen Verläufen
eines entsprechenden Laststromes.
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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).
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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).
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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).
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Weiterhin
kann mit der Schaltungsanordnung eine konstante Ausgangsspannung
in einfacher Weise über
eine längere
Zeit gehalten werden (z. B. auf einen Sollwert eingeregelt werden),
was z. B. für die
oben erwähnte
Anwendung bei einem piezogetriebenen Druckminderer in der Praxis
häufig
vorkommt.
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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.
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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).
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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).
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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.
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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.
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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 ein
Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Piezoaktors
gemäß eines ersten
Ausführungsbeispiels,
und
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2 ein
Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Piezoaktors
gemäß eines weiteren
Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung 10 (Endstufe) zum Betreiben einer
kapazitiven Last in Form eines Piezoaktors P.
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Die
Schaltungsanordnung 10 umfasst Versorgungsanschlüsse E1 und
E2 zum Anlegen von Versorgungspotentialen GND und VBAT, die hier
z. B. aus einer Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt werden.
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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.
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Der
Piezoaktor P dient z. B. zur Betätigung eines
Druckminderers an einem Einlassbereich eines Gasmotors des Kraftfahrzeuges.
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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 ersten Schalttransistor Q1,
- – eine
zwischen dem zweiten Schaltungsknoten K2 und dem ersten Versorgungsanschluss
E1 angeordnete zweite Induktivität
L2,
- – eine
zwischen dem zweiten Schaltungsknoten K2 und dem zweiten Ausgangsanschluss
A2 angeordnete Diode D1,
- – einen
zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss A2 und dem ersten Ausgangsanschluss A1
angeordneten zweiten Schalttransistor Q3, und
- – eine
Steuereinrichtung ST zur Bereitstellung von Steuersignalen q1 und
q3 zur Ansteuerung der beiden Transistoren Q1 und Q3. Die Einrichtung ST
bewirkt diese Ansteuerung auf Basis eines zugeführten Vorgabesignals S (welches
z. B. von einer programmgesteuerten Rechnereinrichtung (z. B. Mikrocontroller)
erzeugt wird).
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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.
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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.
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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 mittels des zweiten Transistors Q3 erfolgt, der hierfür z. B.
getaktet oder dauerhaft, insbesondere linear eingestellt betrieben
werden kann.
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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:
Zu Beginn des Schaltungsbetriebs
sperren die Transistoren Q1 und Q3 und es stellt sich eine Ladespannung
am Kondensator C ein, die der Versorgungsspannung entspricht. Am
Knoten K1 herrscht das Potential VBAT und am Knoten K2 herrscht
das Potential GND.
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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.
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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.
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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),
so dass ein Laststrom von K2 über
die Diode D1 und den Ausgangsanschluss A2 zum Piezoaktor P fließt. In dieser
Phase wird die Ausgangsspannung erhöht und der Piezoaktor P somit
aufgeladen.
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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.
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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 Q3 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.
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Um
die Ausgangsspannung wieder zu verringern und somit den Piezoaktor
P zu entladen, wird der Transistor Q3 dauerhaft oder getaktet eingeschaltet.
In dieser Weise kann ein gewünschter
zeitlicher Entladungsverlauf bewerkstelligt werden.
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Eine
Besonderheit des dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin,
dass die Ansteuerung des Transistors Q3 nicht durch direktes Anlegen
des 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 ei nen
weiteren 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.
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Im
Hinblick auf eine möglichst
genaue Ansteuerung der beiden Schalter Q1 und Q3 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.
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Zur Überwachung
eines zeitlichen Entladestromverlaufes kommt alternativ oder zusätzlich (redundant)
zu einer Auswertung der am Shuntwiderstand Rs2 abfallenden Spannung
eine Überwachung der
am Shuntwiderstand Rs3 abfallenden Spannung in Betracht.
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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.
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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.
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2 zeigt
eine Schaltungsanordnung 10a (Endstufe) zum Betreiben eines
Piezoaktors P.
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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 Reihenschaltung 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 eine
Diode D1 mit dem zweiten Ausgangsanschluss A2 verbunden ist, wobei
die beiden Induktivitäten
einen Transformator bilden,
- – einen
zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss A2 und dem ersten Ausgangsanschluss A1
angeordneten zweiten Schalttransistor Q3, und
- – eine
Steuereinrichtung ST zur Bereitstellung von Steuersignalen q1, q3
zur Ansteuerung der beiden Schalter Q1, Q3. Die Einrichtung ST bewirkt diese
Ansteuerung auf Ba sis eines Vorgabesignals S (wie oben für das Beispiel
gemäß 1 bereits
beschrieben).
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Zur
Messung von Strömen,
die durch den ersten Transistor Q1 bzw. durch den Piezoaktor P fließen, sind
Strommesswiderstände
Rs1 und Rs2 vorgesehen.
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Gemäß einer
einfachen Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10a 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 linearen Betrieb des zweiten Transistors Q3 (Entladestromregelung)
erfolgt.
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Hinsichtlich
des Aufladevorganges ist anzumerken, dass die Schaltungsanordnung 10a im
Wesentlichen wie ein so genannter Sperrwandler arbeitet.
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Zur
Pufferung der Versorgungsspannung VBAT-GND ist im dargestellten
Beispiel ein Kondensator C vorgesehen, der zwischen den beiden Versorgungsanschlüssen E1
und E2 angeordnet ist.
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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.
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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
aufgrund der Polung der Diode D1 zu keinem Stromfluss auf der Sekundärseite führt.
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Nach
einer gewissen Zeit fließt
ein vergleichsweise großer
Strom durch die Induktivität
L1.
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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 die
Diode D1 und den Ausgangsanschluss A2 zum Piezoaktor P fließt. In dieser
Phase wird die Ausgangsspannung erhöht und der Piezoaktor P somit
aufgeladen.
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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.
-
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 Q3 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 Q3 dauerhaft oder getaktet eingeschaltet.
In dieser Weise kann ein gewünschter
zeitlicher Entladungsverlauf bewerkstelligt werden.
-
Bei
der Ansteuerung der beiden Schalter Q1 und Q3 werden die oben bereits
erwähnten
Strommesssignale Us1 und Us2 zur Bestimmung betriebsgünstiger
Schaltzeitpunkte durch die Steuereinrichtung ST genutzt.
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Ferner
kommt wie bei dem oben mit Bezug auf die 1 beschriebenen
Beispiel in Betracht, auch die am Shuntwiderstand Rs3 abfallende
Spannung oder andere Messsignale wie insbesondere die Ausgangsspannung
bei der Ansteuerung zu berücksichtigen.
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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.