DE102010014304A1

DE102010014304A1 - Circuit arrangement for the discrete activation of a capacitive load

Info

Publication number: DE102010014304A1
Application number: DE102010014304A
Authority: DE
Inventors: Tobias Dreher; Maik Fuchs
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2010-11-25
Also published as: DE202009007300U1

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum diskreten Ansteuern einer kapazitiven Last hat einen Gleichspannungswandler, an dessen Eingang eine Versorgungsspannung über einen Schalter anlegbar ist und an dessen Ausgang die kapazitive Last direkt anschließbar ist. Ein normal geschlossener Schalter überbrückt die Anschlüsse der kapazitiven Last und öffnet auf die am Eingang des Gleichspannungswandlers angelegte Versorgungsspannung ansprechend.A circuit arrangement for the discrete activation of a capacitive load has a DC-DC converter, to the input of which a supply voltage can be applied via a switch and to whose output the capacitive load can be directly connected. A normally closed switch bridges the terminals of the capacitive load and opens responsively to the supply voltage applied to the input of the DC-DC converter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum diskreten Ansteuern einer kapazitiven Last.The The invention relates to a circuit arrangement for discrete driving a capacitive load.

Es ist bekannt, kapazitive Lasten aus einer Gleichspannungsquelle mittels Aufwärts- bzw. Abwärtswandler anzusteuern. Derartige Wandler erzeugen aus einer Spannung am Eingang des Wandlers durch hochfrequentes Ansteuern eines Schaltelementes eine höhere bzw. niedrigere Spannung am Ausgang. Die Spannung am Ausgang ist abhängig von der Frequenz und dem Tastverhältnis des Schaltsignals. Ein Auswahl von Schaltwandlertopologien findet sich z. B. in Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 11. Aufl. Berlin: Springer, 1999 .It is known to drive capacitive loads from a DC voltage source by means of up-down or down-converter. Such converters generate from a voltage at the input of the converter by high-frequency driving of a switching element, a higher or lower voltage at the output. The voltage at the output depends on the frequency and the duty cycle of the switching signal. A selection of switching converter topologies can be found, for. In Tietze, Schenk: Semiconductor Circuit Design. 11th edition Berlin: Springer, 1999 ,

Piezoelektrische Aktoren sind elektromechanische Wandler, die elektrische Ladung in mechanische Dehnung umsetzen. Piezoaktoren stellen in elektrischen Schaltkreisen annähernd eine kapazitive Last dar. Damit benötigen sie fast keine Leistung zum Halten einer Position. Der Einsatz der Piezotechnologie ermöglicht so eine deutliche Leistungsreduzierung gegenüber herkömmlichen Aktorsystemen. Zur Aussteuerung der Piezoaktoren sind allerdings relativ hohe Spannungen von bis zu 200 V nötig.piezoelectric Actuators are electromechanical transducers that have electric charge convert to mechanical strain. Piezo actuators set in electrical Circuits approximately a capacitive load. Thus they need almost no power to hold a position. The use of piezo technology thus allows a clear Power reduction compared to conventional actuator systems. To control the piezoelectric actuators, however, are relatively high voltages of up to 200 V needed.

Je nach Bauart und mechanischer Last erreichen Piezoaktoren ihre maximale Ausdehnung innerhalb weniger Millisekunden. Voraussetzung dafür ist eine entsprechend dynamisch ausgelegte Ansteuerung, die in der Lager ist, die Kapazität innerhalb dieser Zeit vollständig zu laden bzw. zu entladen. Dafür wurden in der Fachliteratur bereits einige Konzepte vorgestellt, die jedoch in ihrer Realisierung verhältnismäßig aufwendig sind.ever according to design and mechanical load, piezo actuators reach their maximum Expansion within a few milliseconds. Prerequisite for this is a corresponding dynamically designed control, which in the Warehouse is complete, the capacity within this time to load or unload. For this were in the literature already presented some concepts, however, in their realization are relatively expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die ein möglichst einfaches und verlustfreies Ansteuern von Piezoaktoren für den diskreten Schaltbetrieb zu ermöglicht. Dies bedeutet das Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last auf hohe Spannungen im Vergleich zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung. Das Schalten soll durch Verbinden bzw. Trennen des positiven Poles einer Gleichspannungsquelle mit der Ansteuerung erfolgen (2-Leiter-Technik).task The invention is to provide a circuit arrangement, the a simple and lossless driving of Piezo actuators for the discrete switching operation allows. This means charging and discharging a capacitive load high voltages compared to available supply voltage. The switching should be done by connecting or disconnecting the positive pole a DC voltage source with the control done (2-wire technology).

Dies leistet die in den Schutzansprüchen angegebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.This provides the invention specified in the claims Circuitry.

Piezoaktoren (kapazitive Lasten) benötigen eine höhere Ansteuerspannung als die übliche Versorgungsspannung von kleiner 30 Volt, sollen aber vom Benutzer wie herkömmliche elektromagnetische Aktoren angesteuert werden können. Das erfindungsgemäße Ansteuerkonzept ermöglicht nun mittels der Realisierung eines normal geschlossenen Schalters eine 2-Leiter-Ansteuerung mit niedrigen Versorgungsspannungen.piezo actuators (capacitive loads) require a higher drive voltage than the usual supply voltage of less than 30 volts, But the user should like conventional electromagnetic actuators can be controlled. The invention Control concept now allows by means of implementation a normally closed switch with a 2-wire control with low supply voltages.

Durch das Aufladen mittels eines Gleichspannungsschaltwandlers entstehen keine (bzw. kaum) prinzipbedingten Verluste, so dass eine äußerst geringe Halteleistung notwendig ist.By the charging by means of a DC switching device arise no (or hardly) inherent losses, making an extremely low holding power is necessary.

Des Weiteren wird durch das Ladungsübertragungsprinzip des Schaltwandlers die mechanische Steifigkeit des Aktors erhöht und eine große Auslenkungsdynamik erreicht.Of Further, by the charge transfer principle of Switching the mechanical stiffness of the actuator increases and achieved a large displacement dynamics.

Die aufgebaute Elektronik ermöglicht mit minimalem Schaltungsaufwand (und dadurch kompakten Abmaßen) eine diskrete (schaltende) Auslenkung eines Piezoaktors.The Built-up electronics allow with minimal circuit complexity (and thus compact dimensions) a discrete (switching) Deflection of a piezoelectric actuator.

Im Schaltbetrieb werden vier Phasen unterschieden. In der ersten Phase ist der Piezoaktor entladen und von der Spannungsquelle getrennt. In Phase zwei wird durch Verbinden der Ansteuerung mit der Spannungsquelle der Piezoaktor auf einen fest eingestellten Spannungswert geladen. In der sich anschließenden dritten Phase, der Haltephase, ist sicher zu stellen, dass sich die Ausdehnung des Piezoaktors nicht wesentlich, z. B. durch das Entladen über Leckströme, ändert. In Phase vier bewirkt das Trennen der Ansteuerung von der Spannungsquelle das Entladen des Piezoaktors und damit das Ausschalten. Die Schaltvorgänge (Phasen zwei und vier) müssen innerhalb einer vorgegebenen Zeit von wenigen Millisekunden abgeschlossen sein.in the Switching operation, four phases are distinguished. In the first phase the piezo actuator is discharged and disconnected from the voltage source. In phase two, connect the driver to the voltage source the piezo actuator is charged to a fixed voltage value. In the subsequent third phase, the holding phase, Make sure that the expansion of the piezoelectric actuator not essential, for. B. by discharging via leakage currents changes. In phase four, disconnecting the drive causes the voltage source unloading the piezoelectric actuator and thus switching off. The switching operations (Phases two and four) must be within a given Be completed by a few milliseconds.

Die Erfindung ermöglicht somit das Ansteuern kapazitiver Lasten in 2-Leiter-Technik, die aus einer Gleichspannungsquelle durch einfaches Verbinden derselben mit der Ansteuerung auf eine fest vorgegebene Spannung, die höher als die der Gleichspannungsquelle ist, aufgeladen werden sollen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren für den diskreten Schaltbetrieb, bei dem der Aktor auf eine fest vorgegebene Länge ausgelenkt wird und diese dann halten soll.The Invention thus enables the driving of capacitive loads in 2-wire technology, from a DC source through simple Connecting the same with the control to a fixed predetermined Voltage higher than that of the DC voltage source, to be charged. A preferred field of application of the invention is the control of piezoelectric actuators for the discrete Switch mode in which the actuator is set to a fixed length is deflected and this should then hold.

Die einzige Figur der Zeichnung ist ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung.The single figure of the drawing is a block diagram of the circuit arrangement.

An den Eingang eines Gleichspannungswandlers 10 wird mittels eines Umschalters S_1,U eine Versorgungsspannung U_V angelegt. An den Ausgang des Gleichspannungswandlers 10 ist eine kapazitive Last C_L direkt angeschlossen. In der Schaltungsanordnung werden der Gleichspannungsschaltwandler 10 und ein PI-Regler 12 zu einem Regelkreis verknüpft, der die Spannung U_L der Lastkapazität C_L auf einen fest eingestellten Wert U_Lmax ausregelt. Die Steuerung erzeugt abhängig von der Spannung U_L ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal, über das der Gleichspannungsschaltwandler angesteuert wird. Zusätzlich wird der Strom im Zweig der Lastkapazität gemessen und durch Beeinflussung der Pulsbreite des Stellsignals auf einen festen Wert I_Lmax begrenzt.To the input of a DC-DC converter 10 a supply voltage U _{V is} applied by means of a switch S _{1, U.} To the output of the DC-DC converter 10 is a capacitive load C _L directly connected. In the circuit arrangement, the DC-DC switching converter 10 and a PI controller 12 linked to a control circuit which _adjusts the voltage U _{L of} the load capacitance C _L to a fixed value U Lmax. The controller generates depending on the voltage U _L a pulse width modulated control signal, via which the DC voltage switching converter is controlled. In addition, the current in the branch of the load capacitance is measured and limited by influencing the pulse width of the _actuating signal to a fixed value I _Lmax .

Um das Entladen innerhalb einer 2-Leiter-Schaltandordnung zu realisieren, ist parallel zum Ausgang des Gleichspannungsschaltwandlers ein normal geschlossener Schalter S_2,NC angeordnet. Als elektronischer Schalter ausgeführt, öffnet er, wenn an die Ansteuerung Spannung angelegt wird. Vorteilhafter Weise ist er als MOS-Leistungs-Feldeffekttransistor ausgebildet.In order to realize the discharge within a 2-wire Schaltandordnung, a normally closed switch S _{2, NC is} arranged parallel to the output of the DC voltage switching converter. Designed as an electronic switch, it opens when voltage is applied to the drive. Advantageously, it is designed as a MOS power field effect transistor.

Durch das Anlegen der Versorgungsspannung mit dem Schalter S_1,U erfolgt das Öffnen des Schalters S_2,NC, und die Steuerung für den Schaltwandler wird gestartet. Die Lastkapazität C_L wird nun aufgeladen, wobei die fest eingestellte Spannung U_Lmax erreicht und gehalten wird.By applying the supply voltage to the switch S _{1, U} , the opening of the switch S _{2, NC} , and the control for the switching converter is started. The load capacitance C _L is now charged, whereby the fixed set voltage U _{Lmax is} reached and held.

Beim Öffnen des Schalters S_1,U stoppt der Regelkreis, und der Schalter S_2,NC schließt sich selbständig. Die Lastkapazität C_L entlädt sich über den Schalter S_2,NC. Durch Ausführung des Schalters S_1,U als Umschalter wird der Eingang der Ansteuerung mit Masse verbunden. Dadurch schließt der Schalter S_2,NC deutlich schneller.When opening the switch S _{1, U} , the control loop stops, and the switch S _{2, NC} closes automatically. The load capacitance C _L discharges via the switch S _{2, NC} . By executing the switch S _{1, U} as a switch, the input of the control is connected to ground. As a result, the switch S _{2, NC} closes much faster.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- Tietze, Schenk: Semiconductor Circuit Design. 11th ed. Berlin: Springer, 1999 [0002]

Claims

Circuit arrangement for the discrete activation of a capacitive load, with a DC-DC converter, at its input a supply voltage via a switch can be applied and at the output of which the capacitive load can be directly connected is, and with a normally closed switch, the connections bridged the capacitive load and on the on Input of the DC-DC converter applied supply voltage appealing opens.

Circuit arrangement according to claim 1, further comprising a Control circuit that drives the DC-DC converter and the the capacitive load applied voltage to a predetermined value regulates.

Circuit arrangement according to Claim 1, in which the Control circuit limits the maximum charging current.

Circuit arrangement according to Claim 2 or 3, in which the control loop forms a PI controller.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, at the input of the DC-DC converter through the switch between the supply voltage and ground is switchable.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, when the capacitive load connected in two-wire technology becomes.