DE102018105284A1

DE102018105284A1 - Vorrichtung und Verfahren zur übertragerfreien Ansteuerung eines Ultraschalltransducers mit Signalen mit einer Amplitude oberhalb der doppelten Versorgungsspannungsamplitude

Info

Publication number: DE102018105284A1
Application number: DE102018105284.7A
Authority: DE
Inventors: Uwe Friemann; Niron Kapoor
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für einen Transducer (TR) mit einer Ansteuerschaltung (C_bat, T₁, T₂, T₃, T₄, T₅) und einer Transducer-Kapazität (C_TR), wobei die Ansteuerschaltung einen ersten Anschluss (GND) und einen zweiten Anschluss (DRV) aufweist. Die Ansteuerschaltung umfasst einen Treiberausgangswiderstand (R_DRV), der auch ganz oder teilweise durch den Ausgangswiderstand der Ansteuerschaltung an ihrem zweiten Ausgang (DRV) und/oder einen zusätzlichen Treiberausgangswiderstand, der in Serie zu ihrem zweiten Ausgang geschaltet ist, gebildet wird. Ein positiver Anschluss (TR+) des Transducers (TR) ist so mit dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung verbunden, dass der Treiberausgangswiderstand (R_DRV) wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung geschaltet betrachtet werden kann. Ein negativer Anschluss (TR-) des Transducers (TR) ist mit dem ersten Anschluss (GND) der Ansteuerschaltung verbunden. Die Betriebsschaltung weist eine Ausgangsinduktivität (L_DRV) auf, die wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung in Serie mit dem Treiberausgangswiderstand (R_DRV) geschaltet betrachtet werden kann. Der Wert dieser Ausgangsinduktivität (L_DRV) ist so bemessen, dass ein erster Serienschwingkreis aus Serieninduktivität (L_TRs) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und Serienkapazität (C_TRs) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und ein zweiter Serienschwingkreis aus Ausgangsinduktivität (L_DRV) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (C_TR) und Parallelkapazität (C_TRp) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) kritisch gekoppelt sind.

Description

Oberbegriff
Die Erfindung richtet sich auf eine übertragerfreie Betriebsschaltung für einen Ultraschall-Transducer (TR).
Allgemeine Einleitung
Im Zuge der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen zum autonomen Fahren, sind Sensorsysteme zur Detektion der Umweltsituation von besonderer Wichtigkeit. Ultraschallsensoren werden schon heute für die Erstellung sogenannter Umweltkarten genutzt. Ein immer wieder auftretendes Problem ist der Wunsch nach einer Maximierung der Reichweite bei gleichzeitig niedrigen Kosten. In der Vergangenheit wurden zur Ansteuerung der Piezo-Schwinger von Ultraschall-Transducern Übertrager eingesetzt. Auf diese soll jedoch aus Kostengründen verzichtet werden. Dies hat im Stand der Technik eine Begrenzung der Amplitude der Spannung der Transducer-Schwingung an den Transducer-Anschlüssen auf das doppelte der Betriebsspannung zur Folge. Wobei hier unter Betriebsspannung die Versorgungsspannung der Ausgangstreiberstufe verstanden wird. Diese wiederum kann mit einer Ladungspumpe oder ähnlichen Verfahren deutlich über die am Eingang des Systems angelegte Spannung hinausgehen. Diesem Problem widmet sich diese Offenlegung.
Stand der Technik
Der Stand der Technik wird mit Hilfe der nicht beanspruchten 1 erläutert. Die 1 zeigt schematisch und vereinfacht die Treiberstufe für einen Ultraschall-Transducer aus dem Stand der Technik. Da die Erfindung sich nur mit dem Antrieb des piezoelektrischen Schwingelements eines Transducers befasst, gilt das Folgende auch für Ultraschallsender mit einem piezoelektrischen Schwingelement.
Eine Betriebsspannung (V_bat ) wird über einen Stützkondensator (C_bat ) stabilisiert, der typischerweise relativ groß gewählt ist.
In einer Ansteuerphase wird der Transducer (TR) angetrieben.
In einer ersten Phase der Ansteuerphase wird hierfür der fünfte Transistor (T₅ ) durchgeschaltet. Der positive Anschluss (TR+) des Transducers (TR) wird dann in dieser ersten Phase über den Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) mit der Betriebsspannung (V_bat ) verbunden. Gleichzeitig wird der erste Transistor (T₁ ) durchgeschaltet und der vierte Transistor (T₄ ) durchgeschaltet. Hierdurch wird die Treiberkapazität (C_DRV ) mit ihrem ersten Anschluss (C_p ) mit der Betriebsspannung (V_bat ) verbunden und mit ihrem zweiten Anschluss (C_m ) mit dem Bezugspotenzial (GND). Der dritte Transistor (T₃ ) und der zweite Transistor (T₂ ) sind in dieser ersten Phase gesperrt.
In einer zweiten Phase der Ansteuerphase werden der fünfte Transistor (T₅ ) und der erste Transistor (T₁ ) und der vierte Transistor (T₄ ) gesperrt. Stattdessen werden in dieser zweiten Phase der zweite Transistor (T₂ ) und der dritte Transistor (T₃ ) in dieser zweiten Phase durchgeschaltet. Hierdurch wird die zuvor auf die Spannung der Betriebsspannung (V_bat ) aufgeladene Treiberkapazität (C_DRV ) mit ihrem ersten Anschluss (C_p ) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden und mit Ihrem zweiten Anschluss (C_m ) mit dem Treiberausgang (DRV) verbunden. Der Treiberausgang vollführt hierdurch einen Spannungssprung um das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (V_bat ) unter das Potenzial des Bezugspotenzials (GND).
Die ersten und zweiten Phasen der Ansteuerphasen wechseln sich nun bevorzugt mit der Resonanzfrequenz der Transducer-Schaltung, bestehend aus dem Treiberausgangswiderstand (R_DRV ), der Transducer-Kapazität (C_DRV ) und dem Transducer (TR) ab. Hierdurch wird das piezoelektrische Schwingelement des Transducers (TR) in Schwingungen versetzt.
Nach der Ansteuerphase folgt die Empfangsphase. Hierbei werden zumindest der fünfte Transistor (T₅ ) und der dritte Transistor (T₃ ) gesperrt. Hierdurch wird keine Energie mehr auf den Transducer übertragen.
Ein Nachteil der Schaltung der 1 ist, dass die maximale Amplitude der Betriebsspannung des Transducers an dem positiven Transducer-Anschluss (TR+) und an dem negativen Transducer-Anschluss (TR-) auf das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (V_bat ) begrenzt ist.
2 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ersatzschaltbild für einen Ultraschall-Transducer (TR). Das Ersatzschaltbild weist eine Parallelkapazität (C_TRp ), einen Serienwiderstand (R_TRs ), eine Serienkapazität (C_TRs ) und eine Serieninduktivität (L_TRs ) auf. Der Ultraschall-Transducer wird über einen positiven Anschluss (TR+) und einen negativen Anschluss (TR-) angeschlossen. Die Bezeichnungen „positiver Anschluss (TR+)“ und „negativer Anschluss (TR-)“ dienen hier nur der besseren Orientierung und haben keinen physikalischen Hintergrund.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die den obigen Nachteil des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 4 gelöst.
Lösung der Aufgabe
Bei einer Betriebsschaltung der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe nun dadurch gelöst, dass eine Ausgangsinduktivität (V_DRV ) in die Anschlussleitung des Transducers (TR) eingefügt wird.
Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass das schwingungsfähige System dritter Ordnung, das durch den Treiberausgangswiderstand (R_DRV ), die Transducer-Kapazität (C_TR ) und den Transducer gebildet wird, für den Betrieb ungünstig ist und dass es zwar komplexer, aber günstiger ist, ein schwingungsfähiges System vierter Ordnung zu verwenden.
Der Transducer in der 1 kann, wie bereits beschrieben, durch ein Ersatzschaltbild aus einer Serienschaltung einer Serienkapazität (C_TRs ) mit einer Serieninduktivität (L_TRs ) und einer dazu parallel geschalteten Parallelkapazität (C_TRp ) dargestellt werden. Ein Serienwiderstand (R_TRs ) repräsentiert die mechanischen Verluste und die akustische Abstrahlung des Transducers (TR). Die Spannung über diesen Serienwiderstand (R_s ) soll zur Maximierung der Reichweite einer Ultraschall-Einparkhilfe maximiert werden. Die Parallelkapazität (C_TRp ) wird typischerweise durch die Transducer externe Transducer-Kapazität (C_TR ) dominiert. Somit verfügt der Transducer (TR) über eine Serien-und eine Parallelresonanz. Die Serienresonanz wird durch den Serienschwingkreis aus Serienkapazität (C_TRs ) und Serieninduktivität (L_TRs ) und in geringem Maße durch den Serienwiderstand (R_TRs ) und damit die Schallabstrahlung bestimmt.
Es ist nun die Idee durch einen weiteren Energiespeicher eine weitere Polstelle zu erzeugen. Hierfür wurde erkannt, dass es günstig ist, in Serie zu dem Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) eine zusätzliche Ausgangsinduktivität (L_DRV ) einzufügen. Diese Ausgangsinduktivität (L_DRV ) bildet mit der Transducer-Kapazität (C_DRV ) einen zweiten Serienschwingkreis an dessen Ausgang über den positiven Transducer-Anschluss (TR+) der Serienschwingkreis des Transducers (TR) angeschlossen ist. (Zur Vereinfachung gehen wir hier davon aus, dass die Transducer-Kapazität (C_DRV ) und die Parallelkapazität (C_TRp )des Transducers (TR) durch die Transducer-Kapazität (C_DRV ) gut abgebildet werden). Ggf. ist hier also der Begriff Transducer-Kapazität (C_DRV ) durch die Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (C_DRV ) und Parallelkapazität (C_TRp ) des Transducers (TR) zu ersetzen. Wir gehen hier aber davon aus, dass die Transducer-Kapazität (C_DRV ) wesentlich größer ist als die Parallelkapazität (C_TRp ) des Transducers (TR).
Die Ausgangsinduktivität (LDRV), die Transducer-Kapazität (C_DRV ), die Serienkapazität des Transducers (TR) und die Serieninduktivität des Transducers (TR) bilden somit ein schwingungsfähiges System vierter Ordnung.
Es wurde nun erkannt, dass das schwingungsfähige System vierter Ordnung drei Betriebsfälle je nach Wahl der Komponenten

1. „Ausgangsinduktivität (LDRV)“,
2. „Transducer-Kapazität (C_DRV )“,
3. „Serienkapazität des Transducers (TR)“ und
4. „Serieninduktivität des Transducers (TR)“

a. Die Serienschwingkreise des Systems können unterkritisch gekoppelt sein.
b. Die Serienschwingkreise des Systems können überkritisch gekoppelt sein.
c. Die Serienschwingkreise des Systems können kritisch gekoppelt sein.

Es wurde erkannt, dass für das System eine unterkritische Kopplung nicht optimal ist, weil dann die Bandbreite des Systems zu groß wird und dadurch zu viel Rauschen durch das System aufgenommen wird.
Es wurde des Weiteren erkannt, dass für das System eine überkritische Kopplung ebenfalls nicht optimal ist, weil dann im Arbeitsfrequenzbereich eine Dämpfung einsetzt und somit die maximale Schwingungsamplitude des Transducers reduziert wird und damit auch die Reichweite einer Ultraschallbasierenden Einparkhilfe auf dieser Basis reduziert wird.
Es wurde des Weiteren erkannt, dass für das System eine kritische Kopplung ebenfalls optimal ist, weil dann die Schwingkreise die optimale Bandbreite haben.
Die Ausgangsinduktivität (L_DRV ) muss somit eine definierte Induktivität und Güte haben, die diesen Fall kritischer Kopplung hervorruft.
Die Ausgangsinduktivität (L_DRV ) zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie zusammen mit der Transducer-Kapazität (C_DRV ) einen Serienschwingkreis bildet. Da es sich um ein System vierter Ordnung handelt, wird empfohlen die Polstellen durch eine geeignete numerische Näherung in Abhängigkeit zu bestimmen.
Der Bereich kritischer Kopplung ist dabei ein Arbeitspunkt, der infolge von Fertigungstoleranzen der verschiedenen Komponenten nie ganz exakt getroffen werden kann. Daher sollte die Resonanzfrequenz der Serienresonanz des Transducers (TR) nie mehr als 3dB neben dem Maximum der frequenzabhängigen Impedanz aus Ausgangsinduktivität (L_DRV ), Transducer-Kapazität (C_DRV ) plus Parallelkapazität (C_TRp ) des Transducers (TR), Serienkapazität des Transducers (TR) und Serieninduktivität des Transducers (TR) liegen. Die Transducer (TR) haben eine Frequenzbandbreite von typischerweise +/- 1 kHz. Diese Transducer-Frequenzen sollen somit bevorzugt um nicht mehr als 3dB vom Optimum in der zu erwartenden Schwingungsamplitude abweichen. Über den Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) wird bevorzugt die Bandbreite und über die Ausgangsinduktivität (L_DRV ) die Frequenz der Schwingung eingestellt.
Es wird somit eine Betriebsschaltung für einen Ultraschall-Transducer (TR) vorgeschlagen, die eine Ansteuerschaltung, hier beispielhaft bestehend aus dem Stützkondensator (C_bat ), den Transistoren (T₁ , T₂ , T₃ , T₄ , T₅ ), und eine zum Transducer (TR) parallelgeschaltete Transducer-Kapazität (C_TR ) aufweist. Die Ansteuerschaltung weist des Weiteren einen ersten Anschluss (GND) einen zweiten Anschluss (DRV) auf. Die Ansteuerschaltung weist einen Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) auf. Dieser Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) ist in den 1 und 3 diskret eingezeichnet. Die parasitären Widerstände der Transistoren können aber zu dem Wert dieses Treiberausgangswiderstands (R_DRV ) beitragen. Der Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) kann daher auch ganz oder teilweise durch den Ausgangswiderstand der Ansteuerschaltung an ihrem zweiten Ausgang (DRV) dargestellt werden, auch können die Innenwiderstände der Transistoren, also der Ausgangswiderstand der Ansteuerschaltung, durch einen zusätzlichen Treiberausgangswiderstand, der in Serie zu dem zweiten Ausgang (DRV) der Ansteuerschaltung geschaltet ist, zum eigentlichen Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) ergänzt werden. Die 1 und 3 sind also insofern als vereinfachte symbolhafte Darstellungen zu verstehen, um das Wirkprinzip zu verdeutlichen.
Die Kapazität CTR kann durch die in dem Transducer TR vorhandene Kapazität gebildet werden und muss nicht als diskretes Element in der Schaltung vorhanden sein. Die 1 und 3 sind also insofern als vereinfachte symbolhafte Darstellungen zu verstehen, um das Wirkprinzip zu verdeutlichen.
Ein positiver Anschluss (TR+) des Transducers (TR) ist so mit dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung verbunden, dass der Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung geschaltet betrachtet werden kann. Ein negativer Anschluss (TR-) des Transducers (TR) ist dabei mit dem ersten Anschluss (GND) der Ansteuerschaltung verbunden.
Es wird nun beansprucht, dass eine Ausgangsinduktivität (L_DRV ) wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung in Serie mit dem Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) geschaltet betrachtet werden kann. Des Weiteren wird beansprucht, dass der Wert der Ausgangsinduktivität (L_DRV ) so bemessen ist, dass die beiden Serienschwingkreise kritisch gekoppelt sind. Hiermit ist einerseits als erster Schwingkreis der Serienschwingkreis aus Serieninduktivität des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und Serienkapazität des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) einerseits gemeint und andererseits als zweiter Schwingkreis der Serienschwingkreis aus Ausgangsinduktivität (L_DRV ) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (C_TR ) und Parallelkapazität (C_TRp ) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) gemeint, die kritisch miteinander gekoppelt sind.
Der Begriff „kritische Kopplung“ wurde oben mit einer Frequenzabweichung von weniger als +/-3dB hinsichtlich der Änderung der Impedanz erläutert. Liegt eine Schaltung in diesem Bereich, so ist sie im Sinne dieser Offenlegung kritisch gekoppelt.
Besonders hervorzuheben ist, dass die Betriebsschaltung dazu vorgesehen werden kann, nach dem Ende einer Ansteuerphase den Transducer mit einer Wechselspannungsamplitude zwischen seinem positiven Anschluss (TR+) und seinem negativen Anschluss (TR-) zu betreiben, die einen Spitze-zu-Spitze-Wert aufweist, der zu Beginn der Ausschwingphase im zeitlichen Anschluss an die Ansteuerphase des Transducers (TR) betragsmäßig mehr als das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (V_bat ) gegen ein Bezugspotenzial (GND) beträgt.
Die bevorzugte Betriebsschaltung für einen Transducer (TR) weist also einen kapazitiven Energiespeicher (C_DRV ) und einen induktiven Energiespeicher (L_DRV ) auf, um diesen Pegel erzeugen zu können.
Dieser Betriebsschaltung entspricht ein Verfahren zum Betreiben eines Transducers (TR) mit den Schritten

• Bereitstellen eines Transducers (TR);
• Koppeln des Transducers (TR) mit der Mittenanzapfung (TR+) eines Serienschwingkreises aus einer Ausgangsinduktivität (L_DRV ) und einer Transducer-Kapazität (C_TR ) und mit einem Bezugspotenzial (GND), wobei der Serienschwingkreis (L_DRV , C_TR ) ebenfalls mit dem Bezugspotenzial gekoppelt ist;
• Wahl des Werts der Ausgangsinduktivität (L_DRV ) und des Werts der Transducer-Kapazität (C_TR ) in der Art, dass die Kopplung zwischen dem Serienresonanzkreis des Transducers (TR), bestehend aus dessen Serieninduktivität und dessen Serienkapazität einerseits und dem Serienresonanzkreis bestehend aus der Ausgangsinduktivität (L_DRV ) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (C_DRV ) und Parallelkapazität (C_TRp ) des Transducers (TR) andererseits, kritisch ist;
• Ansteuerung der beiden gekoppelten Serienresonanzkreise mit einer Wechselspannung, wobei die Spitze-zu-Spitze Spannung der zur Ansteuerung genutzten Wechselspannung in zumindest einem Zeitraum kleiner ist als die messbare Wechselspannung zwischen einem ersten Anschluss (TR+) und einem zweiten Anschluss (TR-) des Transducers (TR).

Vorteil
Durch die vorgeschlagene Betriebsschaltung werden Schwingungspegel oberhalb des doppelten Betriebsspannungspegels möglich, ohne auf einen Übertrager zurückgreifen zu müssen. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
Figurenliste

4 4 zeigt den Spannungsverlauf für einen Ultraschall-Transducer der Spannung zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem negativen Anschluss (TR-) des Transducers (TR-) aus dem Stand der Technik während eines sogenannten Burst-Pulses. Gut zu erkennen ist, dass/wie die Ansteuerphase in der der Transducer (TR) mit dem Rechtecksignal angeregt wird und das anschließende Ausschwingen.
5 5 zeigt das Ausschwingen des Transducers (TR) in der gleichen Schaltung wie die der 4 mit dem Unterschied, dass nun entsprechend dem Unterschied zwischen 1 und 3 eine Ausgangsinduktivität (L_DRV ) in die Zuleitung des Transducers (TR) eingefügt wurde und dass deren Wert so bestimmt wurde, dass die Kopplung zwischen dem Serienresonanzkreis aus Serienkapazität (C_TRs ) und Serieninduktivität (L_TRs ) des Transducers (TR) einerseits und dem Serienresonanzkries aus Ausgangsinduktivität (LDRV) und Transducer-Kapazität (C_DRV ) und Parallelkapazität (C_TRp ) des Transducers (TR) anderseits kritisch ist. In dem beispielhaften Versuchsaufbau, bei dem diese Schwingungen aufgezeichnet wurden, wurde ein Spitze-Spitze-Wert (V_SS ) von 31,4V (3) gemessen, was signifikant über der 12V des Aufbaus der 4 (1) liegt. Die entsprechenden Spannungspegel der Spitzenwerte sind wieder als gestrichelte Linien eingezeichnet.
6 6 zeigt die Verhältnisse besonders gut.
In 6a ist die Spannung am Transducer (TR) zwischen positivem Transducer-Anschluss (TR+) und negativem Transducer-Anschluss (TR-) (GESTRICHELT) gegen das Bezugspotenzial (GND) für den Fall OHNE zusätzliche Ausgangsinduktivität (L_DRV ) dargestellt. In 6a ist außerdem die Spannungen am Transducer (TR) zwischen positivem Transducer-Anschluss (TR+) und negativem Transducer-Anschluss (TR-) (DURCHGEZOGEN) gegen das Bezugspotenzial (GND) für den Fall MIT zusätzlicher Ausgangsinduktivität (L_DRV ) dargestellt.
In 6b ist der akustische Impuls dargestellt, der sich innerhalb des elektrischen Transducer-Modells (2) als Spannung über den Serienwiderstand (R_TRs ) darstellen lässt. Es handelt sich um Simulationskurven. Gestrichelt ist wieder der Pegel ohne Ausgangsinduktivität (L_DRV ) dargestellt, durchgezogen der Pegel mit Ausgangsinduktivität (L_DRV ). Bei optimalen Verhältnissen ergibt sich ein ein Verhältnis von 1:4 bei der akustischen Ausgangsspannung ohne Ausgangsinduktivität (L_DRV ) zu dem Pegel mit Ausgangsinduktivität (L_DRV ).

Bezugszeichenliste

AMP: Empfangsverstärker;
C_AING: Koppelkapazität für den negativen Pol des Empfangssignals;
C_AINS: Koppelkapazität für den positiven Pol des Empfangssignals;
C_bat: Stützkondensator für die Betriebsspannung (V_bat );
C_DRV: Treiberkapazität;
C_EMC: Hilfskapazität;
C_m: Ausgang der rechten Halbbrücke (T₃ , T₄ );
C_P: Ausgang der linken Halbbrücke (T₁ , T₂ );
C_TR: Transducer-Kapazität;
C_TRp: Parallelkapazität im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);
C_TRs: Serienkapazität im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);
DRV: Treiberausgang;
GND: Bezugspotenzial;
L_DRV: zusätzliche Ausgangsinduktivität zur Einstellung des kritischen Resonanzfalles des schwingungsfähigen Systems vierter Ordnung aus Transducer-Kapazität (C_TR ), Transducer (TR), ohmschen Ausgangswiderstand (R_DRV ) und Ausgangsinduktivität (L_DRV );
L_TRs: Serieninduktivität im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);
R_DRV: ohmscher Ausgangswiderstand der Treiberschaltung (Treiberausgangswidertand) zur Einstellung der Bandbreite;
R_TRs: Serienwiderstand im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);
SdT: Stand der Technik;
t: Zeit;
T₁: erster Transistor (High-Side-Transistor) der linken Halbbrücke (T₁ , T₂ ) zwischen der Betriebsspannung (V_bat ) und dem Bezugspotenzial (GND) mit Ausgang C_p ;
T₂: zweiter Transistor (Low-Side-Transistor) der linken Halbbrücke (T₁ , T₂ );
T₃: dritter Transistor (High-Side-Transistor) der rechten Halbbrücke (T₃ , T₄ ) zwischen dem Treiberausgang (DRV) und dem Bezugspotenzial (GND) mit Ausgang C_m ;
T₄: vierter Transistor (Low-Side-Transistor) der rechten Halbbrücke (T₃ , T₄ ) zwischen dem Treiberausgang (DRV) und dem Bezugspotenzial (GND) mit Ausgang C_m ;
T₅: fünfter Transistor der Treiberschaltung;
TR: Transducer;
TR-: negativer Anschluss des Transducers (TR) an das Bezugspotenzial (GND). Der Begriff „negativ“ ist nur zu Bezeichnungszwecken gewählt, um den Anschluss vom anderen Anschluss, dem positiven Transducer-Anschluss (TR+) in dieser Beschreibung eindeutig zu unterscheiden;
TR+: positiver Anschluss des Transducers (TR) an den Treiberausgang (DRV) über den Treiberausgangswiderstand (R_DRV ) und die Ausgangsinduktivität (L_DRV ). Der Begriff „positiv“ ist nur zu Bezeichnungszwecken gewählt, um den Anschluss vom anderen Anschluss, dem negativen Transducer-Anschluss(TR-) in dieser Beschreibung eindeutig zu unterscheiden;
V_bat: Betriebsspannung;
V_SS: Spitze-zu-Spitze-Wert der Spannung zwischen dem positiven Transducer-Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem negativen Transducer-Anschluss (TR-) des Transducers (TR);

Claims

Betriebsschaltung für einen Transducer (TR) - mit einer Ansteuerschaltung (C_bat, T₁, T₂, T₃, T₄, T₅) und - mit einer Transducer-Kapazität (C_TR), - wobei die Ansteuerschaltung einen ersten Anschluss (GND) aufweist und - wobei die Ansteuerschaltung einen zweiten Anschluss (DRV) aufweist und - wobei die Ansteuerschaltung einen Treiberausgangswiderstand (R_DRV) aufweist, der auch ganz oder teilweise durch den Ausgangswiderstand der Ansteuerschaltung an ihrem zweiten Ausgang (DRV) und/oder einen zusätzlichen Treiberausgangswiderstand, der in Serie zu ihrem zweiten Ausgang geschaltet ist, gebildet wird und - wobei ein positiver Anschluss (TR+) des Transducers (TR) so mit dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung verbunden ist, dass der Treiberausgangswiderstand (R_DRV) wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung geschaltet betrachtet werden kann, und - wobei ein negativer Anschluss (TR-) des Transducers (TR) mit dem ersten Anschluss (GND) der Ansteuerschaltung verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, - dass die Betriebsschaltung eine Ausgangsinduktivität (L_DRV) aufweist, diewirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung in Serie mit dem Treiberausgangswiderstand (R_DRV) geschaltet betrachtet werden kann, und - dass der Wert dieser Ausgangsinduktivität (L_DRV) so bemessen ist, • dass ein erster Serienschwingkreis aus Serieninduktivität (L_TRs) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und Serienkapazität (C_TRs) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und • dass ein zweiter Serienschwingkreis aus Ausgangsinduktivität (L_DRV) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (C_TR) und Parallelkapazität (C_TRp) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) kritisch gekoppelt sind.
Betriebsschaltung für einen Transducer (TR) nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, - dass die Betriebsschaltung dazu vorgesehen ist nach dem Ende einer Ansteuerphase den Transducer (TR) mit einer Wechselspannungsamplitude zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem negativen Anschluss (TR-) des Transducers (TR) zu betreiben, die einen Spitze-zu-Spitze-Wert aufweist, der zu Beginn der Ausschwingphase des Transducers (TR) betragsmäßig mehr als das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (V_bat) gegen ein Bezugspotenzial (GND) beträgt.
Übertragerfreie Betriebsschaltung zur Ansteuerung eines Transducers (TR) insbesondere nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch, - dass sie einen kapazitiven Energiespeicher (C_DRV) und einen induktiven Energiespeicher (L_DRV) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Transducers (TR) mit den Schritten - Bereitstellen des Transducers (TR); - Koppeln des Transducers (TR) mit der Mittenanzapfung (TR+) eines ersten Serienschwingkreises (L_DRV, C_TR, C_TRp) aus einer Ausgangsinduktivität (L_DRV) und der Parallelschaltung einer Transducer-Kapazität (C_DRV) und der Parallelkapazität (C_TRp) des Transducers (TR) und mit einem Bezugspotenzial (GND, TR-), wobei der erste Serienschwingkreis (L_DRV, C_TR) ebenfalls mit dem Bezugspotenzial (GND) gekoppelt ist; - Wahl des Werts der Ausgangsinduktivität (L_DRV) und des Werts der Transducer-Kapazität (C_TR) des ersten Serienschwingkreises (L_DRV, C_TR, C_TRp) in der Art, dass die Kopplung zwischen einem zweiten Serienresonanzkreis, bestehend aus der Serieninduktivität (L_TRs) des Transducers (TR) und der Serienkapazität (C_TRs) des Transducers (TR), einerseits und dem ersten Serienresonanzkreis, bestehend aus der Ausgangsinduktivität (L_DRV) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (C_DRV) und Parallelkapazität (C_TRp) des Transducers (TR), andererseits, kritisch ist; - Ansteuerung dieser beiden gekoppelten Serienresonanzkreise mit einer Wechselspannung, wobei die Spitze-zu-Spitze Spannung der zur Ansteuerung genutzten Wechselspannung in zumindest einem Zeitraum kleiner ist als die messbare Wechselspannung zwischen einem ersten Anschluss (TR+) und einem zweiten Anschluss (TR-) des Transducers (TR).