DE102016205375B3 - Schaltungsanordnung zur Ladung und Entladung eines Piezo-Aktors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem ersten DC-DC-Wandler (DC1), der ausgangsseitig mit einem Kondensator (C) verbunden ist, wobei ein erster Anschluss (A1) des Kondensators (C) ein Versorgungsspannungsanschluss und ein zweiter Anschluss (A2) des Kondensators (C) ein Bezugspotentialanschluss ist, einem zweiten DC-DC-Wandler (DC2), der eingangsseitig mit dem Kondensator (C) und ausgangsseitig mit einem ersten Anschluss eines Piezo-Aktors (PA) verbunden ist, wobei der zweite Anschluss des Piezo-Aktors (PA) mit dem ersten Anschluss (A1) des Kondensators (C) verbunden ist.

Description

  • Piezo-Aktoren verändern ihre Form, beispielsweise ihre Länge, wenn sie mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden und können dabei eine erhebliche Kraft beispielsweise auf Stößel von Ventilen ausüben. Sie finden daher beispielsweise in Kraftstoffeinspritzventilen Verwendung, wo sie allerdings aufgrund der benötigten hohen Dynamik mit aufwändigen Endstufen und Ansteuerkonzepten betrieben werden müssen.
  • Eine weitere Verwendung eines Piezo-Aktors ist in der DE 10 2006 019 404 A1 beschrieben. Dort wirkt der Piezo-Aktor auf die Kolbenfläche eines in einem Druckregler betriebenen Druckminderers eines CNG-betriebenen Kraftfahrzeugs (CNG: compressed natural gas). Mit Hilfe des auf das Ventil einer Überströmeinrichtung wirkenden Piezo-Aktors lässt sich der Gasdruck in der Arbeitskammer der Steuereinheit gezielt ändern, gleichzeitig die Stellung des Ventils der Überströmeinrichtung des Druckminderers beeinflussen und damit dessen Ausgangsdruck auf einen vorgegebenen Sollwert einstellen.
  • Die zur Ansteuerung des Piezo-Aktors erforderliche Endstufe muss die Spannung am Piezo-Aktor statisch einstellen können, an die Dynamik sind dagegen im Vergleich zu Piezo-Kraftstoffeinspritzventilen geringe Anforderungen gestellt. Die Endstufe muss jedoch auch bei sehr kleinen Spannungen noch in der Lage sein, die Spannung genau einzustellen. Da der Druckminderer mit ungeregelten Systemen konkurrieren soll herrscht allerdings besonderer Kostendruck.
  • Zur Spannungsversorgung bzw. Ansteuerung des Piezo-Aktors kommen DC-DC-Wandler in Betracht, wie sie in der DE 10 2012 204 576 A1 beschrieben sind. Der dortige DC-DC-Wandler ist als H-Brückenwandler ausgebildet, wobei zur Entladung des Piezo-Aktors ein zusätzlicher dissipativer Pfad vorgesehen ist.
  • In der DE 199 27 190 A1 ist ein ähnlicher DC-DC-Wandler offenbart, der jedoch nur als Halbbrückenwandler ausgebildet ist.
  • Die DE 20 2009 007 299 U1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer kapazitiven Last, bei der ein invertierender Wandler und ein Hochsetzsteller in Serie geschaltet sind.
  • Alternativ hierzu offenbart die DE 10 2005 016 279 A1 einen DC-DC-Wandler, der als Sperrwandler ausgebildet ist, der eingangsseitig mit einem Kondensator verbunden ist, der von einem vorgeschalteten weiteren DC-DC-Wandler gespeist wird. Auch hier ist ein zusätzlicher dissipativer Pfad zur Entladung angeschlossener Piezo-Aktoren vorhanden.
  • Die US 2013/0264909 A1 offenbart ein System zur Ansteuerung einer piezoelektrischen Last mit zwei gegengleich angesteuerten Sperrwandlern, zwischen deren Ausgängen die piezoelektrische Last verschaltet ist.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Ladung eines Piezo-Aktors anzugeben, die auch bei sehr kleinen Spannungen noch in der Lage ist, die Spannung genau einzustellen und dabei kostengünstig realisiert werden kann. In einer Weiterbildung soll auch die Entladung einfach realisiert sein.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Demgemäß ist die Schaltungsanordnung mit einem ersten DC-DC-Wandler, der ausgangsseitig mit einem Kondensator verbunden ist, wobei ein erster Anschluss des Kondensators ein Versorgungsspannungsanschluss und ein zweiter Anschluss des Kondensators ein Bezugspotentialanschluss ist, und einem zweiten DC-DC-Wandler, der eingangsseitig mit dem Kondensator und ausgangsseitig mit einem ersten Anschluss eines Piezo-Aktors verbunden ist, gebildet, wobei der zweite Anschluss des Piezo-Aktors mit dem Versorgungsspannungsanschluss des Kondensators verbunden ist.
  • Zunächst wird die Bordnetzspannung mit Hilfe des ersten DC-DC-Wandlers, der in einer vorteilhaften Weiterbildung als Hochsetzsteller und in einer vorteilhaften Ausbildung dieses Hochsetzstellers als halb gesteuerten Halbbrückenwandler ausgebildet ist, stabilisiert. Der Piezo-Aktor wird nicht mit einem Anschluss auf das Bezugspotential, welches üblicherweise das Massepotential ist, sondern auf die versorgende Spannung am Kondensator aufgesetzt. Als ladende Endstufe kommt ein invertierender Spannungswandler zum Einsatz, der sich auf die stabilisierte Versorgungsspannung am Kondensator bezieht, und das zu diesem Potential negative Bezugspotential in eine positive Spannung umwandelt. Als entladende Endstufe kommt ausschließlich ein unabhängig arbeitender, dissipativer Pfad zum Einsatz.
  • In einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der erste DC-DC-Wandler als Hochsetzsteller ausgebildet, wobei dieser in einer Ausbildung mit einer Halbbrücke gebildet ist, deren erster Brückenzweig mit der Serienschaltung aus einem ersten Transistor und einer ersten Diode und deren zweiter Brückenzweig mit der Serienschaltung aus einer zweiten Diode und einem zweiten Transistor gebildet ist und in deren Brücke eine Spule angeordnet ist.
  • Bei diesem Halbbrückenwandler kann aufgrund der kleinen Leistungen auf ein aufwändiges Schema zur Ansteuerung der Transistoren verzichtet, und generell beide Halbbrücken gleichzeitig betrieben werden. Die so gewonnene Spannung kann gleichzeitig als Leistungsversorgung und als Versorgung der Gate-Ansteuerungen der MOS-Transistoren verwendet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausbildung ist der zweite DC-DC-Wandler mit einer zwischen seinen Eingangsanschlüssen verschalteten Serienschaltung aus einer Spule und einem Schaltelement gebildet, deren Verbindungspunkt über eine in Flussrichtung geschaltete Diode mit dem Ausgangsanschluss des zweiten DC-DC-Wandlers verbunden ist.
  • Die ladende Endstufe ist damit sehr einfach aufgebaut. Sie besteht lediglich aus einer Drossel, einem auf Bezugspotential bezogenen Schaltelement – üblicherweise ein MOSFET – und einer Freilaufdiode.
  • Die entladende Endstufe ist ebenfalls einfach zu realisieren. Ein ebenfalls massebezogenes, jedoch stromgeregelt betriebenes, ebenfalls üblicherweise als MOSFET realisiertes Schaltelement entlädt den positiven Anschluss des Piezo-Aktors nach Bezugspotential. Somit stellt eine niedrige, auf die gepufferte Versorgung bezogene Spannung am Piezo-Aktor für die Entladung keinen besonderen Zustand dar. Über dem Stromsenkentransistor fällt auch bei einer Spannung am Piezo-Aktor von 0 Volt noch eine Spannung von mehreren Volt ab.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert werden. Dabei zeigt die
  • 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen DC-DC-Wandlers.
  • Die Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors PA gemäß 1 ist mit einem ersten DC/DC-Wandler DC1 gebildet, der eine Eingangsspannung Ubat, die beispielsweise die Spannung einer Kraftfahrzeugbatterie sein kann, in eine Spannung an einem Kondensator C wandelt und damit die Eingangsspannung Ubat stabilisiert. Die Spannung am Kondensator C, der zwischen zwei Anschlüssen A1 und A2 verschaltet ist, wobei der Anschluss A2 ein Bezugspotentialanschluss ist, wird über einen zweiten DC/DC-Wandler DC2 zu dem Piezo-Aktor PA übertragen, wobei der Piezo-Aktor PA zwischen dem Ausgangsanschluss des zweiten DC/DC-Wandlers DC2 und dem Versorgungspotentialanschluss A1 des Kondensators C verschaltet ist. Der mit dem Ausgang des zweiten DC/DC-Wandlers DC2 verbundene Anschluss des Piezo-Aktors PA ist außerdem über ein Entladeschaltmittel T4 und einen Widerstand R mit dem Bezugspotentialanschluss A2 verbunden. Durch dieses Entladeschaltmittel T4 kann der Piezo-Aktor PA entladen werden.
  • Der erste DC/DC-Wandler DC1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer geschalteten Brückenschaltung gebildet, wobei in einem ersten Brückenpfeiler zwischen den Anschlüssen der Eingangsspannung Ubat die Serienschaltung aus einem ersten Schaltmittel T1, das als MOSFET ausgebildet ist, und einer ersten in Sperrrichtung gepolten Diode D1 verschaltet ist. Zwischen dem Versorgungspotentialanschluss A1 und dem Bezugspotentialanschluss A2 ist als zweiter Brückenpfeiler eine zweite Serienschaltung aus einer zweiten Diode D2, die in Sperrrichtung gepolt ist und einem zweiten Schaltmittel T2, das ebenfalls als MOSFET ausgebildet ist, verschaltet. Zwischen den Verbindungspunkten des ersten Schaltmittels T1 und der ersten Diode D1 sowie der zweiten Diode D2 und dem zweiten Schaltmittel T4 ist als Brücke der Brückenschaltung eine erste Spule L1 verschaltet. Durch diesen – mittels einer nicht dargestellten Regelschaltung – geschalteten DC-DC-Wandler kann die Eingangsspannung Ubat, die häufig eine wechselnd belastete Kraftfahrzeugbatterie ist, stabilisiert werden, so dass die Spannung am Kondensator C einen gewünschten, nahezu konstanten Wert aufweist.
  • Der zweite DC/DC-Wandler ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in besonders bevorzugter Weise als mit wenigen Bauteilen gebildeter Hochsetzsteller ausgebildet, wobei zwischen dem Versorgungspotentialanschluss A1 und dem Bezugspotentialanschluss A2 die Serienschaltung aus einer zweiten Spule L2 und einem dritten Schaltmittel T3, das ebenfalls als MOSFET ausgebildet ist, verschaltet ist. Zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten Spule L2 und dem dritten Schaltmittel T3 und dem Ausgangsanschluss des zweiten DC/DC-Wandlers DC2 ist eine dritte Diode D3 in Flussrichtung geschaltet. Auch die Spannung am Piezo-Aktor PA wird durch eine nicht dargestellte Regelschaltung in bekannter Weise – beispielsweise mittels pulsweitenmodulierter Ansteuerung des Schaltmittels T3 – auf eine gewünschte Spannung aufgeladen.
  • Der zweite DC/DC-Wandler DC2 kann auch als invertierender Wandler betrachtet werden, wenn das Versorgungspotential A1 als neues Bezugspotential betrachtet und das Potential am Bezugspotentialanschluss A2 als demgegenüber negatives Potential angesehen wird, das auf ein positives Potential am Piezo-Aktor PA transformiert wird.
  • Durch die Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors PA ist eine mit wenigen und günstigen Bauelementen realisierbare Schaltungsanordnung gezeigt, die die Anforderungen zum Betreiben eines Druckreglers für einen Druckminderer in einem CNG-betriebenen Kraftfahrzeug auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht.

Claims (6)

  1. Schaltungsanordnung mit – einem ersten DC-DC-Wandler (DC1), der ausgangsseitig mit einem Kondensator (C) verbunden ist, wobei ein erster Anschluss (A1) des Kondensators (C) ein Versorgungsspannungsanschluss und ein zweiter Anschluss (A2) des Kondensators (C) ein Bezugspotentialanschluss ist, – einem zweiten DC-DC-Wandler (DC2), der eingangsseitig mit dem Kondensator (C) und ausgangsseitig mit einem ersten Anschluss eines Piezo-Aktors (PA) verbunden ist, – wobei der zweite Anschluss des Piezo-Aktors (PA) mit dem ersten Anschluss (A1) des Kondensators (C) verbunden ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss des Piezo-Aktors (PA) über ein Schaltelement (T4) mit dem Bezugspotentialanschluss (A2) verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite DC-DC-Wandler (DC2) als Hochsetzsteller ausgebildet ist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste DC-DC-Wandler (DC1) als Hochsetzsteller ausgebildet ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste DC-DC-Wandler (DC1) mit einer Brückenschaltung gebildet ist, deren erster Brückenpfeiler mit der Serienschaltung aus einem ersten Transistor (T1) und einer ersten Diode (D1) und deren zweiter Brückenpfeiler mit der Serienschaltung aus einer zweiten Diode (D2) und einem zweiten Transistor (T2) gebildet ist und in deren Brücke eine Spule (L2) angeordnet ist.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite DC-DC-Wandler (DC2) mit einer zwischen seinen Eingangsanschlüssen (A1, A2) verschalteten Serienschaltung aus einer zweiten Spule (L2) und einem dritten Schaltelement (T3) gebildet ist, deren Verbindungspunkt über eine in Flussrichtung geschaltete dritte Diode (D3) mit dem Ausgangsanschluss des zweiten DC-DC-Wandlers (DC2) verbunden ist.
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