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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein
Verfahren zum Laden 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.
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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 Ansteuerelektro nik
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.
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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, was bezüglich
der elektromagnetischen Verträglich (EMV) problematisch ist.
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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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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
jeweiligen Unteransprüchen.
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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen
einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für
ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine. Die Last
weist einen ersten Außenanschluss und einen zweiten Außenanschluss
auf. Die Schaltungsanordnung enthält eine erste Spannungsquelle
zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen ersten
Spannung und eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer
auf die elektrische Masse bezogenen zweiten Spannung, die kleiner
als die erste Spannung ist.
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Ein
erster Schaltungsknoten ist über einen ersten Schalter
mit der ersten Spannung und über eine erste Diode mit der
zweiten Spannung verbindbar. Zwischen dem ersten Schaltungsknoten
und dem ersten Außenanschluss der Last ist eine erste Stromeinstelleinrichtung, über
welche die Last beim Aufladen bestromt wird, angeordnet. Ein zweiter Schaltungsknoten
ist über ihren zweiten Schalter mit elektrischen Masse
und über eine zweite Diode mit der zweiten Spannung verbindbar.
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Zwischen
dem zweiten Schaltungsknoten und dem ersten Außenanschluss
der Last ist eine zweite Stromeinstelleinrichtung über
welche die Last beim Aufladen bestromt wird, angeordnet. Eine Steuereinrichtung
ist zur Ansteuerung der Schalter und der ersten Stromeinstelleinrichtung
und der zweiten Stromeinstelleinrichtung derart vorgesehen, dass während
einer ersten Aufladephase die Last aus der zweiten Spannung teilweise
aufgeladen wird. Während einer zweiten Aufladephase ist
der erste Schalter geschlossen, um die Last aus der ersten Spannung
weiter aufzuladen.
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Während
einer ersten Entladephase wird die Last in die zweite Spannung teilweise
entladen, und während einer zweiten Entladephase ist der
zweite Schalter geschlossen, um die Last in die elektrische Masse
weiter zu entladen.
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Mit
dieser Schaltungsanordnung werden die positiven Eigenschaften einer ”linearen
Endstufe”, d. h. einer Bestromung der kapazitiven Last
aus einer einstellbaren Stromquelle, mit dem hohen Wirkungsgrad
einer ”geschalteten Endstufe” verbunden. In der geschalteten
Endstufe, die die zweite Spannung Uh erzeugt, kann z. B. eine Induktivität
als Energiespeicher im Zuge einer Umschwingfunktion genutzt werden,
bei welcher Energieportionen transportiert werden.
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Wie
es aus den unten noch detailliert beschriebenen Ausführungsbeispielen
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 die ”zweite Spannungsquelle” genutzt
wird und weil durch das Umschalten zwischen den beiden unterschiedlichen
Spannungen die Verluste in der Stromeinstelleinrichtung reduziert
sind. Damit können Bauelemente wie Kondensatoren und Halbleiter-Schaltelemente
mit geringerer Belastbarkeit ausgelegt werden.
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Bei
der Realisierung der erfindungsgemäßen Grundidee
ist von wesentlicher Bedeutung, dass jeder Aufladevorgang wie auch
jeder Entladevorgang nicht aus bzw. in eine einzige Spannungsversorgung in
einem kontinuierlichen Vorgang erfolgt, sondern in zwei zeitlich
aufeinander folgenden Phasen. Ein Aufladen und nachfolgendes Entladen,
wie es z. B. zur Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils
einer Brennkraftmaschine zum Bewirken eines Einspritzvorganges erforderlich
ist, gliedert sich gemäß der Erfindung in eine
erste Aufladephase, eine zweite Aufladephase, eine erste Entladephase
und eine zweite Entladephase.
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Insbesondere
bei einer Anwendung im Bereich der Automobilelektronik (z. B. zur
Ansteuerung eines piezobetätigten Kraftstoff-Einspritzventils)
können die beiden Spannungsquellen, welche die erste Spannung
und die zweite Spannung bereitstellen z. B. durch DC/DC-Spannungswandler
gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung, z. B. 12
V oder 24 V, in eine oder zwei größere Spannungen
gewandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Spannung beispielsweise größer als
100 V und/oder ist die zweite Spannung größer
als 50 V. Die zweite Spannung kann beispielsweise kleiner als 70
insbesondere kleiner als 60 der ersten Spannung vorgesehen sein.
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Im
Vergleich zu abgewandelten Schaltnetztopologien mit relativ hohen
schaltungstechnischen Aufwand und mit vergleichsweise teuren und
großen induktiven und kapazitiven Bauteilen und mit Störungen
im Funkwellenbereichen kann mit der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung der schaltungstechnische Aufwand verringert
werden und gleichzeitig werden die Störungen z. B. auf
den Versorgungsleitungen vermindert.
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Durch
die Auftrennung des Aufladepfads und des Entladepfads in zwei unabhängige
Pfade wird ermöglicht, die Verbindung zu der zweiten Spannungsquelle
durch zwei einfache Dioden zu bewirken. Dies erspart nicht nur den
Aufwand an Halbleiterschalter, sondern auch die Notwendigkeit einer
Ansteuerung bidirektionaler Schalter entfällt. Es wird
automatisch durch Betätigen der des Schalter S1 und S2
der Pfad von den Schaltungsknoten zur zweiten Spannungsquelle, der
Hilfsspannungsquelle Uh, unterbrochen.
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Darüber
hinaus ist auch die Realisierung der beiden unabhängigen
Stromquellen einfacher, als eine bidirektional wirkende. Die Anzahl
der den Strom steuernden Leistungshalbleiter ist dabei gleich, die
Ansteuerschaltung bei einer Auftrennung wegen der definierteren
Bezugspotentiale einfacher.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromeinstelleinrichtung
als Transistor, z. B. Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor,
ausgebildet ist, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem
Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließenden
Stromes beaufschlagt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens einer
der ersten Schalter und zweiten Schalter, insbesondere beide Schalter,
jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden die Schalter
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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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Messschaltung
zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen
und die Steuereinrichtung ist zur Ansteuerung der ersten Stromeinstelleinrichtung
und der zweiten Stromeinstelleinrichtung, derart vorgesehen, dass
der Strom durch die Stromstellereinrichtungen mit Hilfe einer Messschaltung
geregelt wird. Mittels dieser Regelung wird der Strom in die Last
genau eingestellt, wodurch hochfrequente Störungen gar
nicht erst entstehen können.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Spannungsquelle
von einem Kondensator gebildet, der beispielsweise die zweite Spannung
an einem seiner Anschlüsse bereitstellen kann, wobei bevorzugt
dessen anderer Anschluss mit der ersten Spannung verbunden ist.
In dem Kondensator kann ein Gleichgewicht zwischen entnommener und
rückgespeister Energie einstellt werden, wobei dieses Gleichgewicht
nahezu im energetischen Optimum liegen kann. Dadurch wird die Aufladeenergie
und die Entladeenergie zu einem großen Teil wiederverwendet
werden.
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In
einer Ausführungsform ist die Stromeinstelleinrichtung
als ein gesteuerter Widerstand ausgebildet, durch dessen Laststrecke
der Ladestrom fließt. Ein gesteuerter Widerstand kann sehr
genau über einen großen Widerstandsbereich linear
eingestellt werden, sodass während des gesamten Aufladevorgangs
beziehungsweise Entladevorgangs die Ladecharakteristik eingestellt
werden kann.
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Alternativ
enthält die Stromeinstelleinrichtung einen Transistor,
durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt. Die Verwendung
eines Transistors hat den Vorteil, dass er schnell reagieren kann
und somit Änderungen in der Last oder in der Versorgung schnell
ausgeglichen werden können.
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Vorzugsweise
wird der Strom beim Laden so angesteuert, dass der Transistor im
linearen Arbeitsbereich arbeitet. Die Kennlinie eines Transistors
wird in einen linearen Bereich und einen Sättigungsbereich
unterteilt. Im linearen Arbeitsbereich kann der Widerstand der Laststrecke
kontinuierlich eingestellt werden, was eine genaue Regelung des
Stroms erlaubt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Sollwertgeber
zum Vorgeben eines im allgemeinen Fall über der Zeit variablen,
im speziellen auch konstanten, Referenzwertes für den Ladestrom
durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen. Anhand eines Vergleichs
des Sollwerts mit dem momentan in die Last fließenden Strom
während der Aufladung bzw. Entladung, ermöglicht
ein einfacher Istwert/Sollwert-Vergleich, ob die Stromeinstelleinrichtung
weiter aufgesteuert werden soll oder geschlossen werden soll.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufladen und Entladen
einer kapazitiven Last insbesondere eines Piezoaktors für
ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine. Bei diesem
Verfahren wird eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zunächst bereitgestellt. Der Strom durch die erste Stromeinstelleinrichtung,
der während des Aufladens durch die Last fließt,
wird so eingestellt, dass während einer ersten Aufladephase
die Last aus der zweiten Spannung teilweise aufgeladen wird. Während
einer zweiten Aufladephase wird die Last aus der ersten Spannung
weiter aufgeladen wird.
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Der
Strom durch die zweite Stromeinstelleinrichtung, der bei Entladen
durch die Last fließt, wird so eingestellt, dass während
einer ersten Entladephase die Last in die zweite Spannung teilweise
entladen wird, und während einer zweiten Entladephase die
Last in die elektrische Masse weiter entladen wird.
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Das
Verfahren hat den Vorteil, dass die über den Stromeinstelleinrichtungen
anliegenden Spannungen während der Ladephasen verringert
werden. Dadurch sinkt die Verlustleistung, die von den Stromeinstelleinrichtungen
erzeugt wird, was wichtig in der Anwendung ist, da bei zu großer
Verlustleistung das Steuergerät aufgrund der zu hohen Temperaturen ausfallen
kann.
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Die
Erfindung ist in den Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher veranschaulicht. Dabei zeigen
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1 eine
Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Piezoaktors,
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2 Spannungsverläufe
an ausgewählten Knoten der Schaltungsanordnung während
des Aufladens des Piezoaktors,
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3 Spannungsverläufe
an ausgewählten Knoten der Schaltungsanordnung während
des Entladens des Piezoaktors.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung (Endstufe) 10 zur Ansteuerung
eines Piezoaktors P eines Krafstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs. Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen
des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P.
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Die
Schaltungsanordnung 10 umfasst eine erste Spannungsquelle 2 zur
Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen ersten Spannung
Ub und eine zweite Spannungsquelle 3 zur Bereitstellung
einer auf die elektrische Masse GND bezogenen zweiten Spannung Uh,
die kleiner als die erste Spannung Ub ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
beträgt Ub z. B. etwa 200 V und Uh etwa 100 V.
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Ein
erster Schaltungsknoten K1 ist über einen ersten Schalter
S1 mit der ersten Spannung Ub und über eine erste Diode
D1 mit der zweiten Spannung Uh verbindbar. Dabei ist die Anode mit
der Spannung Uh und die Kathode der ersten Diode D1 mit dem ersten
Schaltungsknoten K1 verbunden.
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Ein
zweiter Schaltungsknoten K2 ist über einen zweiten Schalter
S2 mit der Masse GND verbindbar. 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. Die
Schalter S1 und S2 bei diesem Ausführungsbeispiel durch
Schalttransistoren, z. B. MOSFETs gebildet, deren Steueranschlüsse,
z. B. Gate oder Basis, mit dem Ansteuersignal s1 bzw. s2 versorgt
werden. Ein Steueranschluss bewirkt entweder ein Öffnen
oder ein Schließen des jeweiligen Schalters.
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Der
Piezoaktor P ist an Ausgangsanschlüssen A1 und A2 an die
Schaltungsanordnung 10 angeschlossen. Der Ausgangsanschluss
A2 ist mit einem ersten Anschluss eines Messwiderstands Rs verbunden,
dessen zweiter Anschluss mit der Masse GND verbunden ist, während
der Ausgangsanschluss A1 mit einem ersten Anschluss der Laststrecke
der ersten Stromeinstelleinrichtung in Form einer Stromquelle CS1
verbunden ist. Über diese Stromquelle wird der Piezoaktor
P beim Aufladen bestromt. Die erste Stromquelle CS1 ist mit ihrer
Laststrecke zwischen den ersten Schaltungsknoten K1 und den Außenanschluss
A1 des Piezoaktors P vorgesehen. Unter Laststrecke wird der Pfad
in der Stromquelle verstanden, über den der Großteil
des Stroms fließt, beispielsweise der Source-Drain-Pfad
eines MOSFETs oder der Emitter-Kollektor-Pfad eines bipolaren Transistors.
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Zudem
ist in der Schaltungsanordnung 10 eine zweite Stromeinstelleinrichtung
in Form einer zweiten Stromquelle CS2 vorgesehen, über
welche der Piezoaktor P beim Entladen bestromt wird. Die zweite
Stromquelle CS2 ist mit ihrer Laststrecke zwischen den zweiten Schaltungsknoten
K2 und den Außenanschluss A1 des Piezoaktors P vorgesehen.
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Die
erste Stromquelle CS1 und die zweite Stromquelle CS2 sind im dargestellten
Ausführungsbeispiel ebenfalls als Transistoren ausgebildet,
deren Steueranschlüsse mit einem Ansteuersignal sip1 bzw.
sip2 beaufschlagt werden, welche ebenfalls von der Steuereinrichtung
SE erzeugt werden. Anders als die Ansteuersignale s1 bis s2 wird
mit dem Ansteuersignal sip1 und sip2 kein bloßes Einschalten
oder Ausschalten der betreffenden Transistoren bewirkt. Vielmehr
wird ein bestimmter Laststrom Ip1 bzw. Ip2 beim Aufladen beziehungsweise
Entladen eingestellt. Die Transistoren der Stromquellen werden dabei
so angesteuert, dass sie im linearen Bereich der Transistorkennlinie
arbeiten. In diesem Bereich kann der Widerstand der Laststrecke
mit hinreichender Genauigkeit eingestellt werden.
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Die
Ströme durch die Stromquellen CS1 und CS2 werden geregelt.
Zu diesem Zweck ist ein Messwiderstand Rs zwischen den Außenanschluss
A2 des Piezoaktors P und der Masse GND vorgesehen. Die über
diesem Widerstand Rs abfallende Spannung wird gemessen, aus diesem
Spannungswert der Strom durch den Widerstand berechnet. Dieser berechnete
Stromwert wird mit einem vom Sollwertgeber 6 vorgegebenen
Sollwert für den Strom verglichen und entsprechend die
erste Stromquelle CS1 oder die zweite Stromquelle CS2 angesteuert.
In dem gezeigten Beispiel werden die Stromquellen CS1 und CS2 nur
einzeln und nicht gleichzeitig betrieben, so dass zu jeder Zeit
ersichtlich ist, durch welche der Stromquellen CS1 und CS2 der Strom
fließt.
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Die
zweite Spannungsquelle 3 enthält einen Kondensator,
in den die Aufladeströme und Entladeströme geleitet
werden. Es ist zusätzlich eine Steuerschaltung vorgesehen,
die überprüft, ob die zweite Spannung Uh im richtigen
Bereich liegt. Mittels des Kondensator wird die Energie aus den
Aufladeströmen und Entladeströmen wiederverwendet.
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Nachfolgend
wird unter Heranziehung auch der 2 die Ansteuerung
des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben.
In 2 werden die Verläufe der Spannung Uk1
an dem Schaltungsknoten K1 und der Spannung Up über dem
Piezoaktor P über der Zeit gezeigt.
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Der
Aufladevorgang ist in zwei Phasen unterteilt. In der ersten Aufladephase
a sind die beiden Schalter S1 und S2 geöffnet. Die erste
Stromquelle CS1 wird so gesteuert, dass der Strom IA durch die Laststrecke
der ersten Stromquelle CS1 konstant ist und somit sich ein linearer
Anstieg der Spannung Up am Piezoaktor P ergibt. Der Strom IA fließt
dabei von der zweiten Spannungsquelle 3, durch die erste
Diode D1, den ersten Schaltungsknoten K1, die erste Stromquelle
CS1 in den Piezoaktor. Die Spannung UK1 an dem ersten Spannungsknoten
K1 beträgt Uh minus die Durchlassspannung der ersten Diode
D1.
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In
der zweiten Aufladephase wird der erste Schalter S1 geöffnet
und die Spannung Uk1 steigt auf Ub an. Die erste Stromquelle CS1
wird weiter so angesteuert, dass der Strom durch ihre Laststrecke konstant
ist und die Spannung Up am Piezoaktor P weiter ansteigt, bis sie
eine Spannung erreicht hat, die etwas kleiner als die erste Spannung
Ub ist.
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In 3 sind
die Spannung Up am Piezoaktor P und die Spannung Uk2 am zweiten
Schaltungsknoten K2 beim Entladen gezeigt. Die Entladung wird auch
in zwei Phasen unterteilt, wobei in der ersten Entladephase c die
Schalter S1 und S2 geöffnet bleiben. Die zweite Stromquelle
CS2 wird so angesteuert, dass sie den Piezoaktor derart entlädt,
dass die Spannung Up linear absinkt. Der Strom fließt von
Piezoaktor P, durch die zweite Stromquelle CS2, den Schaltungsknoten
K2, die zweite Diode D2 in die zweite Spannungsquelle 3 zurück.
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In
der zweiten Entladephase d, die beginnt, wenn die Spannung Up einen
Wert, der etwas größer als Uh ist, unterschritten
hat, wird der zweite Schalter S2 geschlossen. Die zweite Stromquelle
CS2 wird weiterhin so angesteuert, dass die Spannung Up weiter linear
abnimmt. Der Entladestrom fließt nun durch vom Piezoaktor
P durch die zweite Stromquelle CS2, den zweiten Schaltungsknoten
K2 und den zweiten Schalter S2 zur Masse GND.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19944733
A1 [0002]
- - DE 19814594 A1 [0002]
- - DE 19952950 A1 [0002]