DE19714609A1

DE19714609A1 - Charging and discharging piezoelectric element, e.g for fuel injector of IC engine

Info

Publication number: DE19714609A1
Application number: DE19714609A
Authority: DE
Inventors: Joerg Reineke; Alexander Hock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-10-15

Abstract

The procedure for charging and discharging a piezoelectric element (1) has the charging and discharging taking place at least partly through a transformer (2). The charge current and discharge current are passed at least partly through the same transformer. The transformer is used as a component of a charge current circuit which can be closed by a charge switch (3) and a discharge current circuit which can be closed by a discharge switch (4). On the finish of the charging of the piezoelectric element (11), magnetic energy stored in the transformer is fed back through a secondary winding of the transformer into a capacitor serving to buffer the supply voltage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri schen Elements, wobei sowohl das Laden als auch das Entladen zumindest teilweise über einen Transformator erfolgt.The present invention relates to a method according to the Preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 9, d. H. a procedure and a device for loading and unloading a piezoelectric elements, both loading and unloading at least partially via a transformer.

Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer daran angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.In the case of the piezoelectric elements considered in more detail here elements are particularly, but not exclusively Lich around piezoelek used as actuators or actuators trical elements. Piezoelectric elements can be used for use such purposes because they are known to Have property depending on one of them contracting or expanding applied voltage.

Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu fige Bewegungen auszuführen hat.The practical realization of actuators by piezo electrical elements prove particularly then from before part if the actuator in question quickly and / or frequently has to make cautious movements.

Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1 verwiesen.The use of piezoelectric elements as an actuator proves itself among other things with fuel injectors for Internal combustion engines as advantageous. The applicability of piezoelectric elements in fuel injectors for example EP 0 371 469 B1 and EP 0 379 182 B1 referenced.

Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche sich, wie vorstehend teilweise bereits angedeutet wurde, ent sprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellenden oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.Piezoelectric elements are capacitive consumers, which itself, as has already been partially indicated above speaking of the respective state of charge or of it contracting or applying voltage and expand.

Zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements sind zwei grundlegende Prinzipien bekannt, nämlich das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand und das Laden und Entladen über eine Induktanz (über ein als Induktanz wir kendes Element), wobei sowohl der ohmsche Widerstand als auch die Induktanz unter anderem dazu dienen, den beim Laden auf tretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Ent ladestrom zu begrenzen.For loading and unloading a piezoelectric element known two basic principles, namely charging and Discharge through an ohmic resistor and charging and Discharge via an inductance (via an inductance we kendes element), where both the ohmic resistance and the inductance, among other things, serve the purpose of charging on charging current and the Ent occurring during discharge limit charging current.

Die erste Variante, d. h. das Laden und Entladen über einen ohmschen Widerstand ist in Fig. 4 veranschaulicht.The first variant, ie charging and discharging via an ohmic resistor, is illustrated in FIG. 4.

Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element, welches in der Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet ist, ist mit einem Ladetransistor 102 und einem Entlade transistor 103 verbunden.The piezoelectric element to be charged or discharged, which is denoted by the reference symbol 101 in FIG. 4, is connected to a charge transistor 102 and a discharge transistor 103 .

Der Ladetransistor 102 wird durch einen Ladeverstärker 104 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit einer positiven Versorgungs spannung; der Entladetransistor 103 wird durch einen Entlade verstärker 105 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das piezoelektrische Element 101 mit Masse. The charging transistor 102 is driven by a charging amplifier 104 and connects the piezoelectric element 101 with a positive supply voltage in the on state; The discharge transistor 103 is controlled by a discharge amplifier 105 and connects the piezoelectric element 101 to ground in the switched-on state.

Im durchgeschalteten Zustand des Ladetransistors 102 fließt über diesen ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen wird. Mit zunehmender Ladung des piezo elektrischen Elements 101 steigt die sich an diesem einstel lende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch des sen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ladetransistors 102, also ein Unterbrechen oder Beenden des Ladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und da mit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektri schen Elements 101 im wesentlichen unverändert beibehalten werden.In the switched-on state of the charging transistor 102 , a charging current flows through it, through which the piezoelectric element 101 is charged. With increasing charge of the piezoelectric element 101 , the voltage at this setting increases, and accordingly its outer dimensions also change. A blocking of the charging transistor 102 , that is, an interruption or termination of the charging process, causes the charge stored in the piezoelectric element 101 or the voltage resulting therefrom and therefore also the current external dimensions of the piezoelectric element 101 to be retained essentially unchanged .

Im durchgeschalteten Zustand des Entladetransistors 103 fließt über diesen ein Entladestrom, durch welchen das piezo elektrische Element 101 entladen wird. Mit zunehmender Ent ladung des piezoelektrischen Elements 101 sinkt die sich an diesem einstellende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch dessen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Entlade transistors 103, also ein Unterbrechen oder Beenden des Ent ladevorganges bewirkt, daß der Ladungszustand des piezoelek trischen Elements 101 bzw. die sich an diesem dadurch ein stellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Ab messungen des piezoelektrischen Elements 101 im wesentlichen unverändert beibehalten werden.In the switched-on state of the discharge transistor 103 , a discharge current flows through it, through which the piezoelectric element 101 is discharged. With increasing discharge of the piezoelectric element 101 , the voltage which is established thereon decreases, and accordingly its external dimensions also change. Locking the discharge transistor 103 , that is, interrupting or ending the discharge process causes the state of charge of the piezoelectric element 101 or the resulting voltage and thus the current external dimensions of the piezoelectric element 101 to remain essentially unchanged to be kept.

Der Ladetransistor 102 und der Entladetransistor 103 wirken für den Ladestrom bzw. für den Entladestrom wie steuerbare ohmsche Widerstände. Die dadurch gegebene Steuerbarkeit des Ladestroms und des Entladestroms ermöglicht es, den Lade vorgang und den Entladevorgang genau wunschgemäß ablaufen zu lassen. Der durch den Ladetransistor 102 fließende Ladestrom und der durch den Entladetransistor 103 fließende Entlade strom erzeugen dort jedoch nicht unerhebliche Verlustleistun gen. Die in den Transistoren verbrauchte Verlustenergie ist pro Lade-Entladezyklus mindestens doppelt so hoch wie die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Energie. Diese hohe Verlustenergie bewirkt eine sehr starke Aufheizung des Ladetransistors 102 und des Entladetransistors 103, was er kennbar ein Nachteil ist.The charging transistor 102 and the discharging transistor 103 act like controllable ohmic resistors for the charging current and for the discharging current. The controllability of the charging current and the discharging current which this gives enables the charging process and the discharging process to be carried out exactly as desired. However, the charging current flowing through the charging transistor 102 and the discharging current flowing through the discharging transistor 103 generate not inconsiderable power losses there. The loss of energy consumed in the transistors per charging / discharging cycle is at least twice as high as the energy stored in the piezoelectric element 101 . This high loss energy causes the charging transistor 102 and the discharging transistor 103 to heat up very strongly, which is clearly a disadvantage.

Nicht zuletzt deshalb kommt häufig die vorstehend bereits er wähnte zweite Variante zum Laden und Entladen des piezoelek trischen Elements, d. h. das Laden und Entladen über eine Induktanz zum Einsatz. Legt man auf eine einfache und genaue Steuerbarkeit des Lade- und Entladeverlaufs Wert, so wird als die besagte Induktanz (das als Induktanz wirkende Element) die Primärwicklung eines Transformators verwendet. Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über Transformatoren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.Not least because of this, the above-mentioned second variant for charging and discharging the piezoelectric element, ie charging and discharging via an inductance, is often used. If you value simple and precise controllability of the charging and discharging process, the primary winding of a transformer is used as the said inductance (the element acting as inductance). The charging and discharging of a piezoelectric element via transformers is described below with reference to FIG. 5.

Das durch die Anordnung gemäß Fig. 5 zu ladende bzw. zu ent ladende piezoelektrische Element ist dort mit dem Bezugs zeichen 201 bezeichnet. Es ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 202 schließbaren Ladestromkreises und eines über einen Entladeschalter 207 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestromkreis aus einer Serienschaltung des Lade schalters 202, des piezoelektrischen Elements 201, einer Spannungsquelle (Batterie 203, Gleichspannungswandler 204 und Pufferkondensator 205), und der Primärwicklung eines Lade- Transformators 206 besteht, und wobei der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters 207, der Primärwicklung eines Entlade-Transformators 208, und des piezoelektrischen Elements 201 besteht.The piezoelectric element to be charged or charged by the arrangement according to FIG. 5 is designated there with the reference character 201 . It is a component of a charging switch 202 closable charging circuit and a closable via a discharge switch 207, the discharge circuit, wherein the charging circuit comprises a series circuit of the charging switch 202, the piezoelectric element 201, a voltage source (battery 203, DC voltage converter 204 and buffer capacitor 205), and the Primary winding of a charging transformer 206 , and wherein the discharge circuit consists of a series circuit of the discharge switch 207 , the primary winding of a discharge transformer 208 , and the piezoelectric element 201 .

Im geschlossenen Zustand des Ladeschalters 202 fließt über die Primärwicklung des Lade-Transformators 206 ein Ladestrom, über welchen das piezoelektrische Element 201 geladen wird. Nach dem Öffnen des Ladeschalters 202, also nach dem Unter brechen oder Beenden des Ladevorganges bleiben die im piezo elektrischen Element 201 gespeicherten Ladungen bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 201 erhalten. Die zum Zeitpunkt des Öffnen des Ladeschalters 202 im Lade-Transformator 206 gespeicherte magnetische Ener gie wird in Form von elektrischer Energie über die Sekundär wicklung des Lade-Transformators 206 und eine dieser nach geschaltete Diode 209 in die Batterie 203 zurückgespeist.In the closed state of the charging switch 202 , a charging current flows via the primary winding of the charging transformer 206 , via which the piezoelectric element 201 is charged. After the opening of charging switch 202, after the interrupt or stop the charging process in the electrical piezo element 201 remain stored charges or which received this by adjusting voltage and hence the current external dimensions of the piezoelectric element two hundred and first At the time of opening of charging switch 202 in the charging transformer 206 stored magnetic energy Ener is in form of electrical energy via the secondary winding of the charging transformer 206, and a diode connected to this fed back into the battery 209 203rd

Im geschlossenen Zustand des Entladeschalters 207 fließt über die Primärwicklung des Entlade-Transformators 208 ein Ent ladestrom, über welchen das piezoelektrische Element 201 ent laden wird. Nach dem Öffnen des Entladeschalters 207, also nach dem Unterbrechen oder Beenden des Entladevorganges bleibt der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 201 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezo elektrischen Elements 201 im wesentlichen unverändert erhal ten.In the closed state of the discharge switch 207 , a discharge current flows via the primary winding of the discharge transformer 208 , via which the piezoelectric element 201 is charged. After opening of the discharge switch 207, after the interrupt or stop the discharging operation of the charge state of the piezoelectric element 201 and which thereby adjusting voltage and hence the current external dimensions of the piezoelectric element 201 is substantially ten unchanged preserver at this remains.

Eine Schaltung dieser Art und ein Verfahren zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente unter Verwendung derarti ger Schaltungen ist beispielsweise aus der JP 06153537 A bekannt. Das aus dieser Druckschrift bekannte und vorstehend dem grundlegenden Prinzip nach beschriebene Verfahren ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1; die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrich tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.A circuit of this type and a method for charging and Discharge piezoelectric elements using suchi ger circuits is for example from JP 06153537 A. known. The known from this document and above the basic principle according to the procedure described is a Method according to the preamble of claim 1; the Circuit for performing the method is a Vorrich tion according to the preamble of claim 9.

Wie bei der Verwendung der Schaltung gemäß der Fig. 4 läßt sich auch bei der Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 5 innerhalb gewisser Grenzen auf relativ einfache Weise ein wunschgemäßer Verlauf des Ladevorganges und des Entlade vorganges einstellen. As in the use of the circuit according to FIG. 4, a desired course of the charging and discharging process can also be set within certain limits in a relatively simple manner when using the circuit according to FIG. 5.

Da bei Schaltungen gemäß der Fig. 5 sowohl der Ladestrom kreis als auch der Entladestromkreis frei von nennenswerten ohmschen Widerständen sind, ist die durch das Laden und Ent laden des piezoelektrischen Elements (die durch das Fließen des Ladestroms und des Entladestroms durch ohmsche Wider stände) erzeugte Wärmeenergie äußerst gering.Since circuits according circle of FIG. 5, both the charging current and the discharging circuit are free from appreciable ohmic resistances is generated by loading and unloading load of the piezoelectric element (which stands by the flow of the charging current and the discharge current through ohmic Wider) Thermal energy extremely low.

Andererseits wird aber für die praktische Realisierung der artiger Schaltungen insbesondere wegen der nicht unerheb lichen Größe des Lade-Transformators 206 und des Entlade- Transformators 208 relativ viel Platz benötigt, wodurch das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen über Transformatoren in bestimmten Fällen nicht oder jedenfalls nicht ohne weiteres möglich ist.On the other hand, however, a relatively large amount of space is required for the practical implementation of the type of circuits, in particular because of the not inconsiderable size of the charging transformer 206 and the discharge transformer 208 , as a result of which the charging and discharging of piezoelectric elements via transformers is not, or in any case, at least is not easily possible.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 9 derart weiterzubilden, daß damit auch unter beengten Verhältnissen ein wunschgemäß beeinflußbares und zugleich effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ermöglicht wird.The present invention is therefore based on the object the method according to the preamble of claim 1 or the device according to the preamble of the patent claims 9 in such a way that also under cramped conditions a desired influenceable and at the same time efficient charging and discharging piezoelectric Elements.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 9 (Vorrichtung) be anspruchten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by the the part of claim 1 (method) or by the in characterizing part of claim 9 (device) be claimed features solved.

Demnach ist vorgesehen, daß der Ladestrom und der Entlade strom zumindest teilweise über den selben Transformator ge leitet werden (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw. daß zumindest ein Transformator derart angeordnet ist, daß sowohl der Ladestrom als auch der Entladestrom über die sen geleitet werden können (kennzeichnender Teil des Patent anspruchs 9).Accordingly, it is provided that the charging current and the discharge current ge at least partially over the same transformer are directed (characterizing part of claim 1) or that at least one transformer is arranged in such a way that both the charging current and the discharging current over the sen (characteristic part of the patent claims 9).

Das zumindest teilweise Laden bzw. Entladen des piezoelektri schen Elements über ein für den Lade- oder Entladestrom im wesentlichen als eine Induktanz wirkendes Element, genauer gesagt über einen Transformator ermöglicht es, den Ladestrom pfad und den Entladestrompfad im wesentlichen frei von elek trischen Verbrauchern zu halten, wodurch einerseits sehr we nig Energie verbraucht wird (weil die Verlustleistung gering ist und weil Energie zur Spannungsquelle zurückgeführt oder in einen Pufferkondensator umgespeichert werden kann), und wodurch andererseits die beim Laden bzw. Entladen auftretende Erwärmung der Schaltung äußerst gering gehalten werden kann. Im Ergebnis können dadurch die einzelnen Bauteile (ein schließlich der Stromversorgung) für relativ geringe Leistun gen ausgelegt werden, und die bislang mitunter erforderlichen Maßnahmen zur Kühlung können entweder gänzlich entfallen oder zumindest im Umfang sehr gering werden.The at least partial charging or discharging of the piezoelectric elements over a for the charging or discharging current in the essentially as an inductance element, more precisely said about a transformer allows the charging current path and the discharge current path essentially free of elec to keep tric consumers, which on the one hand we very little energy is consumed (because the power loss is low and because energy is returned to the voltage source or can be stored in a buffer capacitor), and whereby, on the other hand, that which occurs during loading or unloading Heating of the circuit can be kept extremely low. As a result, the individual components (a finally the power supply) for relatively low performance be interpreted, and the previously sometimes necessary Measures for cooling can either be omitted entirely or at least be very small in scope.

Das Leiten des Ladestroms und des Entladestroms über den sel ben Transformator, ermöglicht es darüber hinaus, die Anzahl der Bauteile, genauer gesagt die Anzahl der Transformatoren minimal zu halten, was sich aufgrund der nicht unerheblichen Größe dieser Elemente erkennbar sehr deutlich auf die Größe der betrachteten Anordnung auswirkt.Conducting the charge current and the discharge current over the sel ben transformer, it also allows the number of the components, more precisely the number of transformers to keep to a minimum what is due to the not inconsiderable The size of these elements can be seen very clearly on the size of the arrangement under consideration.

Damit ist es auf einfache und elegante Art und Weise möglich, auch unter beengten Verhältnissen ein wunschgemäß beeinfluß bares und effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente durchzuführen.This makes it possible in a simple and elegant way a desired influence even in confined spaces barely and efficiently charging and discharging piezoelectric Perform items.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber hinaus auch ein facher und billiger herstellbar als dies bei herkömmlichen Vorrichtungen der Fall ist. The device according to the invention is also a easier and cheaper to manufacture than conventional ones Devices is the case.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigenThe invention is described below with reference to exemplary embodiments len explained with reference to the drawing. It demonstrate

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs gemäßen Schaltung, Fig. 1 shows a first embodiment of a loading and unloading of piezoelectric elements by the novel process according to Inventive suitable circuit,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von sich während des Lade betriebs der Schaltung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und Stromverläufen, Fig. 2 shows the time course of during the charging operation of the circuit of FIG. 1-adjusting voltage and current profiles,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs gemäßen Schaltung, Fig. 3 shows a second embodiment of a loading and unloading of piezoelectric elements by the novel process according to Inventive suitable circuit,

Fig. 4 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über für den Lade- und Entladestrom als ohmsche Widerstände wirkende Elemente, und Fig. 4 shows a conventional circuit for charging and discharging a piezoelectric element via acting for the charging and discharging current as ohmic resistances elements, and

Fig. 5 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements über Transformato ren. Fig. 5 shows a conventional circuit for charging and discharging a piezoelectric element via Transformato ren.

Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im folgenden näher beschrieben wird, sind beispielsweise als Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelek trischen Elemente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.The piezoelectric elements, their loading and unloading in the the following is described in more detail, for example as Actuators in fuel injectors (especially in so-called common rail injectors) of internal combustion engines applicable. On such use of the piezoelek However, there are no restrictions to trical elements; the piezoelectric elements can basically be used in any Devices can be used for any purpose.

Es wird davon ausgegangen, daß sich die piezoelektrischen Elemente im Ansprechen auf das Laden ausdehnen und im An sprechen auf das Entladen zusammenziehen. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies ge rade umgekehrt ist.It is believed that the piezoelectric Expand elements in response to loading and in on talk about unloading contract. The invention is but of course also applicable if this is ge is just the opposite.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein erstes Ausfüh rungsbeispiel einer Schaltung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens zum Laden und Entladen von piezo elektrischen Elementen beschrieben.A first embodiment of a circuit for carrying out the method according to the invention for charging and discharging piezoelectric elements will now be described with reference to FIG. 1.

Die piezoelektrischen Elemente, die es im betrachteten Bei spiel zu laden gilt, sind in parallel geschalteten Piezo zweigen 11, 12, . . . 1n enthalten und mit den Bezugszeichen 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ bezeichnet.The piezoelectric elements, which are to be loaded in the example considered, are in parallel piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n contain and with the reference numerals 11 ₁ , 12 ₁ . . . 1 n ₁ denotes.

Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält in Reihe zu dem jeweiligen piezoelektrischen Element 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ einen Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ mit parallel geschalteter Diode 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃. Über die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ ist bestimmbar, ob das im jeweiligen Piezozweig 11, 12, . . . 1n enthaltene piezoelektrische Element 11 ₁, 12 ₁ . . . 1n₁ geladen werden soll (zugeordneter Auswahlschalter geschlos sen) oder nicht (zugeordneter Auswahlschalter geöffnet).Each of the piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n contains in series with the respective piezoelectric element 11 ₁ , 12 ₁ . . . 1 n ₁ a selection switch 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n ₂ with diode 11 ₃ , 12 ₃ , connected in parallel. . . 1 n ₃ . Via the selector switches 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n _{2 it} can be determined whether this is in the respective piezo branch 11 , 12 ,. . . 1 n contained piezoelectric element 11 ₁ , 12 ₁ . . . 1 n _{1 should be} loaded (assigned selection switch closed) or not (assigned selection switch open).

Die Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ und die parallel ge schalteten Dioden 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ können jeweils als elek tronische Schalter (z. B. MOS-FETs) mit parasitären Dioden realisiert werden. The selection switches 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n ₂ and the parallel connected diodes 11 ₃ , 12 ₃ ,. . . 1 n ₃ can each be implemented as electronic switches (e.g. MOS-FETs) with parasitic diodes.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt das jeweils eine Ende der Piezozweige 11, 12, . . . 1n dauerhaft auf Masse (ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohin gegegen das andere Ende der Piezozweige 11, 12, . . . 1n über die Primärwicklung N1 eines Transformators 2 und einen Lade schalter 3 mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle sowie ebenfalls über die Primärwicklung N1 des Transformators 2 und einen Entladeschalter 4 mit dem ersten Pol der Spannungs quelle verbunden ist.As can be seen from FIG. 1, one end of the piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n permanently to ground (is connected to a first pole of a voltage source), whereas the other end of the piezo branches 11 , 12 ,. . . 1 n is connected via the primary winding N1 of a transformer 2 and a charging switch 3 to the second pole of the voltage source and also via the primary winding N1 of the transformer 2 and a discharge switch 4 to the first pole of the voltage source.

Die Spannungsquelle besteht aus einer Batterie 5 (beispiels weise einer KFZ-Batterie), einem dieser nachgeschalteten Gleichspannungswandler 6, und einem diesem nachgeschalteten, als Pufferkondensator dienenden Kondensator 7. Durch diese Anordnung wird die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleichspannung umge setzt und als Versorgungsspannung bereitgestellt.The voltage source consists of a battery 5 (for example a motor vehicle battery), one of these downstream DC voltage converters 6 , and a downstream capacitor 7 serving as a buffer capacitor. With this arrangement, the battery voltage (for example 12 V) is converted into an essentially any other DC voltage and provided as a supply voltage.

Das Laden der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ er folgt durch einen (Lade-)Stromfluß und wird durch das Schließen des Ladeschalters 3 eingeleitet.The loading of the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ it follows through a (charging) current flow and is initiated by closing the charging switch 3 .

Welches bzw. welche der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ bei geschlossenem Ladeschalter 3 geladen werden, wird, wie vorstehend bereits angedeutet wurde, durch die den jewei ligen piezoelektrischen Elementen zugeordneten Auswahlschal ter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ bestimmt; es werden jeweils all diejeni gen piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ geladen, deren Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ während des Ladevorganges geschlossen sind.Which or which of the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ are charged with the charging switch 3 closed, as already indicated above, through the selection switches 11 ₂ , 12 ₂ , assigned to the respective piezoelectric elements. . . 1 n ₂ determined; it will all diejeni gene piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ loaded, the selection switches 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n ₂ are closed during the charging process.

Die Auswahl der zu ladenden piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ durch Schließen der zugeordneten Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ und das Aufheben der Auswahl durch Öffnen der betreffenden Auswahlschalter wird in der Regel außerhalb des Ladevorganges (vor dem Schließen bzw. nach dem Öffnen des Ladeschalters 3) erfolgen; in bestimmten Fällen, zum Beispiel wenn mehrere der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ gleichzeitig unterschiedlich stark aufgeladen werden sollen, kann das Öffnen und Schließen der Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ jedoch auch während des Ladevorganges (bei geschlos senem Ladeschalter 3) erfolgen.The selection of the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ by closing the assigned selection switches 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n ₂ and the deselection by opening the relevant selector switch will usually take place outside the charging process (before closing or after opening the charging switch 3 ); in certain cases, for example when several of the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n _{1 to} be charged to different degrees at the same time, the opening and closing of the selection switches 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n ₂ but also during the charging process (with the charging switch 3 closed).

Beim vorliegend betrachteten Beispiel werden die piezoelek trischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ in aufeinanderfolgenden Ladevorgängen einzeln geladen.In the present example, the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ individually loaded in successive charging processes.

Wird der Ladeschalter 3 geschlossen, so können durch den Gleichspannungswandler 6 bereitgestellte oder im Kondensator 7 gespeicherte Ladungen über die Primärwicklung N1 des Trans formators 2 zum zu ladenden piezoelektrischen Element fließen. Der Ladestromfluß wird durch die Differenz der elektrischen Potentiale am Kondensator 7 und dem zu ladenden piezoelektrischen Element bewirkt, wobei der Stromanstieg durch die Primärwicklung N1 des Transformators 2 begrenzt wird.If the charging switch 3 is closed, charges provided by the DC / DC converter 6 or stored in the capacitor 7 can flow via the primary winding N1 of the transformer 2 to the piezoelectric element to be charged. The charge current flow is brought about by the difference between the electrical potentials on the capacitor 7 and the piezoelectric element to be charged, the rise in current being limited by the primary winding N1 of the transformer 2 .

Wie aus der nachfolgend noch genauer beschriebenen Fig. 2 ersichtlich ist, steigt der Ladestrom (der durch die Primär wicklung N1 des Transformators 2 fließende Strom) beim vor liegend betrachteten Beispiel nach dem Schließen des Lade schalters 3 bis zu dessen erneutem Öffnen im wesentlichen linear an; dies ermöglicht es, den maximal auftretenden Lade strom und das Ausmaß des Ladens des piezoelektrischen Ele ments durch die Dauer, während welcher der Ladeschalter 3 ge schlossen gehalten wird, festzulegen bzw. zu begrenzen.As can be seen from the Fig. 2 described in more detail below, the charging current (flowing through the primary winding N1 of the transformer 2 current) increases in the example considered before after the closing of the charging switch 3 until it reopens essentially linearly ; this makes it possible to determine or limit the maximum charging current occurring and the extent of charging of the piezoelectric element by the duration during which the charging switch 3 is kept closed.

Wenn und so lange ein Ladestrom fließt (Ladungen zum zu ladenden piezoelektrischen Element transportiert werden), wird das zu ladende piezoelektrische Element zunehmend ge laden, wodurch die sich am piezoelektrischen Element ein stellende Spannung ansteigt und die Ausdehnung des piezo elektrischen Elements zunimmt.If and for as long as a charging current flows (charges to charging piezoelectric element), the piezoelectric element to be charged is increasingly ge load, which is the on the piezoelectric element voltage increases and the expansion of the piezo electrical element increases.

Sofern der Ladestromfluß nicht von sich aus wieder auf Null abfällt (weil insbesondere wegen des zunehmenden Ladens des piezoelektrischen Elements die den Ladestromfluß bewirkende Potentialdifferenz zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Kondensator 7 kontinuierlich abnimmt und schließlich ganz verschwindet), dauert das Laden des zu ladenden piezoelektri schen Elements an, bis der Ladestromfluß durch ein (bei spielsweise nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit oder bei Erreichen eines maximalen Ladestroms oder bei Erreichen einer vorbestimmten Spannung am piezoelektrischen Element er folgendes) Öffnen des Ladeschalters 3 unterbrochen bzw. be endet wird.If the charging current flow does not fall back to zero on its own (because, in particular because of the increasing charging of the piezoelectric element, the potential difference causing the charging current flow between the piezoelectric element and the capacitor 7 decreases continuously and finally disappears completely), the charging of the piezoelectric element to be charged takes place Elements until the charge current flow is interrupted or ended (for example after a predetermined time has passed or when a maximum charge current has been reached or when a predetermined voltage on the piezoelectric element is reached) when the charging switch 3 is opened or ended.

Das Beenden des Ladestromflusses durch Öffnen des Ladeschal ters 3 hat dabei mehrerlei Auswirkungen: Einerseits sinkt der gegebenenfalls noch vorhandene Ladestrom (der durch die Pri märwicklung N1 des Transformators 2 fließende Strom) dadurch relativ schnell auf Null ab, wobei die im piezoelektrischen Element akkumulierten Ladungen, die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezo elektrischen Elements jedoch im wesentlichen unverändert bei behalten werden. Andererseits wird die im Transformator 2 ge speicherte magnetische Energie in Form eines über die Sekun därwicklung N2 des Transformators 2 und eine dieser nach geschaltete Diode 8 fließenden Stromes in den Kondensator 7 zurückgespeist, wodurch sprunghafte Veränderungen und/oder Schwingungen des Ladestroms und/oder der sich am zu ladenden piezoelektrischen Element einstellenden Spannung zuverlässig verhindert werden können. The termination of the charging current flow by opening the charging switch 3 has several effects: On the one hand, the charging current which may still be present (the current flowing through the primary winding N1 of the transformer 2 ) thereby drops relatively quickly to zero, the charges accumulated in the piezoelectric element however, the voltage that is established at the piezoelectric element and the expansion of the piezoelectric element are essentially unchanged. On the other hand, the magnetic energy stored in the transformer 2 is fed back into the capacitor 7 in the form of a current flowing through the secondary winding N2 of the transformer 2 and a diode 8 connected to the latter, thereby causing sudden changes and / or vibrations of the charging current and / or the at the voltage to be charged setting the piezoelectric element can be reliably prevented.

Da der Ladestromkreis im wesentlichen frei von ohmschen Widerständen ist, kann die Verlustleistung beim Laden des piezoelektrischen Elements gering gehalten werden; es findet keine oder allenfalls eine vernachlässigbar geringe Wärme entwicklung statt.Since the charging circuit is essentially free of ohmic Is resistors, the power loss when charging the piezoelectric element can be kept low; it finds little or no negligible heat development instead.

Die mehreren piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ kön nen in aufeinanderfolgenden Ladevorgängen unabhängig vonein ander geladen werden.The plurality of piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ can be loaded independently of one another in successive charging processes.

Das Entladen des piezoelektrischen Elements erfolgt durch einen (Entlade-)Stromfluß im Entladestromkreis und wird durch das Schließen des Entladeschalters 4 eingeleitet.The piezoelectric element is discharged by a (discharge) current flow in the discharge circuit and is initiated by closing the discharge switch 4 .

Durch das Schließen des Entladeschalters 4 werden unabhängig von der Stellung der Auswahlschalter 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ sämt liche ganz oder teilweise geladenen piezoelektrischen Ele mente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ entladen; der Entladestrom kann über die parallel zu den Auswahlschaltern 11 ₂, 12 ₂, . . . 1n₂ an geordneten Dioden 11 ₃, 12 ₃, . . . 1n₃ fließen.By closing the discharge switch 4 regardless of the position of the selection switches 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n ₂ all fully or partially charged piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . Unload 1 n ₁ ; the discharge current can be switched in parallel with the selection switches 11 ₂ , 12 ₂ ,. . . 1 n ₂ on ordered diodes 11 ₃ , 12 ₃ ,. . . 1 n ₃ flow.

Wird der Entladeschalter 4 geschlossen, so können in den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ gespeicherte Ladungen über die Primärwicklung N1 des Transformators 2 und den Entladeschalter 4 gegen Masse abfließen. Der Entlade stromfluß wird durch die Potentialdifferenz zwischen den piezoelektrischen Elementen 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ und Masse be wirkt, wobei der Stromanstieg durch die Primärwicklung N1 des Transformators 2 begrenzt wird.If the discharge switch 4 is closed, then in the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ stored charges flow through the primary winding N1 of the transformer 2 and the discharge switch 4 to ground. The discharge current flow is determined by the potential difference between the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ and mass acts, the current rise being limited by the primary winding N1 of the transformer 2 .

Sofern der Entladestromfluß nicht von sich aus wieder auf Null abfällt (weil wegen des zunehmenden Entladens der piezo elektrischen Elemente die den Entladestromfluß bewirkende Potentialdifferenz zwischen den piezoelektrischen Elementen und Masse kontinuierlich abnimmt und schließlich ganz ver schwindet), dauert das Entladen piezoelektrischen Elemente an, bis der Entladestromfluß durch ein (beispielsweise nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit oder bei Erreichen eines maximalen Entladestroms oder bei Erreichen einer vor bestimmten Spannung an den piezoelektrischen Elementen erfol gendes) Öffnen des Entladeschalters 4 unterbrochen bzw. be endet wird.Unless the discharge current flow drops back to zero on its own (because due to the increasing discharge of the piezoelectric elements, the potential difference between the piezoelectric elements and the mass causing the discharge current flow continuously decreases and finally completely disappears), the discharge of piezoelectric elements continues until the Discharge current flow is interrupted by a (for example after a predetermined time has elapsed or when a maximum discharge current has been reached or when a voltage at the piezoelectric elements is reached before a certain voltage) opening of the discharge switch 4 or ends.

Das Beenden des Entladestromflusses durch Öffnen des Entlade schalters 4 hat dabei mehrerlei Auswirkungen: Einerseits sinkt der gegebenenfalls noch vorhandene Entladestrom (der durch die Primärwicklung N1 des Transformators 2 fließende Strom) dadurch relativ schnell auf Null ab, wobei der momen tane Ladezustand der piezoelektrischen Elemente, die sich an den piezoelektrischen Elementen einstellende Spannung und die Ausdehnung der piezoelektrischen Elemente jedoch im wesent lichen unverändert beibehalten werden. Andererseits wird die im Transformator 2 gespeicherte magnetische Energie in Form eines über die Sekundärwicklung N3 des Transformators 2 und eine dieser nachgeschaltete Diode 9 fließenden Stromes in den Kondensator 7 zurückgespeist, wodurch sprunghafte Veränderun gen und/oder Schwingungen des Entladestroms und/oder der sich am zu ladenden piezoelektrischen Element einstellenden Span nung zuverlässig verhindert werden können.The termination of the discharge current flow by opening the discharge switch 4 has several effects: On the one hand, the discharge current that may still be present (the current flowing through the primary winding N1 of the transformer 2 ) thereby drops relatively quickly to zero, the current state of charge of the piezoelectric elements, however, the voltage that is established at the piezoelectric elements and the expansion of the piezoelectric elements are essentially kept unchanged. On the other hand, stored in the transformer 2 magnetic energy in the form is fed back to a current flowing through the secondary winding N3 of the transformer 2, and one of these downstream diode 9 flow into the condenser 7, gene whereby abrupt modifier Derun and / or vibrations of the discharge current and / or at about charging piezoelectric element adjusting voltage can be reliably prevented.

Da der Entladestromkreis im wesentlichen frei von ohmschen Widerständen ist, kann die Verlustleistung beim Entladen des piezoelektrischen Elements gering gehalten werden; es findet keine oder allenfalls eine vernachlässigbar geringe Wärme entwicklung statt.Since the discharge circuit is essentially free of ohmic Is resistors, the power loss when discharging the piezoelectric element can be kept low; it finds little or no negligible heat development instead.

Die geringe Verlustleistung beim Laden und beim Entladen so wie die teilweise Zurückspeisung von Energie in den Konden sator 7 lassen die Schaltung gemäß Fig. 1 sehr effizient arbeiten und ermöglichen es, die Spannungsquelle (insbeson dere die Batterie 5 und den Gleichspannungswandler 6) nur für relativ kleine Leistungen auszulegen.The low power loss during charging and discharging as well as the partial recovery of energy in the capacitor 7 let the circuit according to FIG. 1 work very efficiently and make it possible to use the voltage source (in particular the battery 5 and the DC-DC converter 6 ) only relatively to interpret small services.

Die Tatsache, daß der nur eine Transformator 2 derart an geordnet ist, daß über dessen Primärwicklung N1 sowohl der Ladestrom als auch der Entladestrom geleitet werden können, und daß über dessen Sekundärwicklungen N2 und N3 sowohl beim Laden als auch beim Entladen eine Rückspeisung von Energie in den Kondensator 7 erfolgen kann, ermöglicht es darüber hin aus, unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Bauelemen ten, also mit einer denkbar klein aufbaubaren Schaltung ein wunschgemäß beeinflußbares und effizientes Laden und Entladen einer beliebigen Vielzahl von gleichzeitig oder nacheinander zu ladenden piezoelektrischen Elementen durchzuführen.The fact that the only one transformer 2 is arranged in such a way that both the charging current and the discharging current can be conducted via its primary winding N1, and that a feedback of energy in both during charging and discharging via its secondary windings N2 and N3 the capacitor 7 can be done, it also allows using a minimal number of components, that is, with a conceivably small circuit to perform a desired influenceable and efficient charging and discharging of any number of piezoelectric elements to be charged simultaneously or in succession.

Beim Laden eines der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁, . . . 1n₁ unter Verwendung der Schaltung nach Fig. 1 stellen sich die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe ein. Die gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind das Er gebnis einer Simulation.When loading one of the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ using the circuit according to FIG. 1, the current and voltage profiles shown in FIG. 2 are set. The current and voltage curves shown are the result of a simulation.

Von den in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungsverläu fen zeigst die oberste Kurve den Verlauf der sich an dem zu ladenden piezoelektrischen Element einstellenden Spannung U_P, die mittlere Kurve den Verlauf der sich am Kondensator 7 ein stellenden Spannung U_B, und die unteren Kurven die während und nach dem Laden des piezoelektrischen Elements durch den Transformator 2 fließenden Ströme I_T, wobei die mit dem Sym bol bezeichnete Kurve den durch die Primärwicklung N1 fließenden (Lade-)Strom und die mit dem Symbol ◊ bezeichnete Kurve den nach dem Öffnen des Ladeschalters 3 über die Sekun därwicklung N2 zum Kondensator 7 zurückgeführten Strom re präsentieren.From the current and voltage curves shown in FIG. 2, the uppermost curve shows the course of the voltage U _P which arises at the piezoelectric element to be charged, the middle curve shows the course of the voltage U _B which is established at the capacitor 7 , and the lower curves, the currents I _T flowing during and after the charging of the piezoelectric element through the transformer 2 , the curve denoted by the symbol representing the current flowing through the primary winding N1 (charging) current and the curve denoted by the symbol ◊ the after Open the charging switch 3 via the secondary winding N2 to the capacitor 7 return current presented re.

Die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind das Ergebnis des Schließens des Ladeschalters 3 bei ca. 100 µs und des anschließenden Öffnens desselben bei ca. 105 µs; die Verläufe sind bei der vorstehend vermittelten Kennt nis des Aufbaus, der Funktion und der Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 ohne weiteres verständlich und be dürfen keiner näheren Erläuterung.The current and voltage profiles shown in FIG. 2 are the result of the closing of the charging switch 3 at approx. 100 μs and the subsequent opening of the same at approx. 105 μs; the courses are readily understandable given the knowledge of the structure, the function and the mode of operation of the circuit shown in FIG. 1, and may not be further explained.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltung gemäß Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt.An advantageous development of the circuit according to FIG. 1 is shown in FIG. 3.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 entspricht weitestgehend der Schaltung gemäß Fig. 1; einander entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. D.h., auch durch die Schaltung gemäß Fig. 3 kann eine Vielzahl von piezoelek trischen Elementen gleichzeitig oder nacheinander unter Ver wendung von nur einem Transformator geladen und entladen wer den.The circuit according to FIG. 3 largely corresponds to the circuit according to FIG. 1; Corresponding elements are identified by the same reference symbols. That is, by the circuit of FIG. 3, a plurality of piezoelek tric elements simultaneously or sequentially under Ver application loaded from only one transformer and discharged who the.

Dieser Transformator, welcher in der Fig. 3 ebenfalls mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, hat zwar die selbe Funk tion wie der Transformator 2 gemäß Fig. 1, unterscheidet sich gegenüber diesem jedoch im Aufbau; er (der Transformator gemäß Fig. 3) hat nämlich nur zwei Wicklungen, wobei die Sekundärwicklung N2 wie in der Fig. 3 gezeigt über eine aus vier Dioden 10 ₁, 10 ₂, 10 ₃ und 10 ₄ bestehende Brücken- oder Graetzschaltung mit dem Kondensator 7 verbunden ist.This transformer, which is also designated in FIG. 3 by the reference numeral 2 , has the same function as the transformer 2 according to FIG. 1, but differs from this in structure; namely (the transformer according to FIG. 3) has only two windings, the secondary winding N2, as shown in FIG. 3, via a bridge or Graetz circuit with the capacitor consisting of four diodes 10 ₁ , 10 ₂ , 10 ₃ and 10 ₄ 7 is connected.

Die bei der Verwendung der Schaltung gemäß der Fig. 3 zum Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 11 ₁, 12 ₁ ,. . . 1n₁ ablaufenden Vorgänge entsprechen im wesentlichen den Vorgängen, die sich auch bei der Verwendung der Schaltung ge mäß Fig. 1 zum Laden und Entladen einstellen; auch die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe haben im wesentlichen Gültigkeit. The when using the circuit shown in FIG. 3 for charging and discharging the piezoelectric elements 11 ₁ , 12 ₁ ,. . . 1 n ₁ ongoing processes essentially correspond to the processes that also occur when using the circuit according to FIG. 1 for loading and unloading; the current and voltage profiles shown in FIG. 2 are also essentially valid.

Unterschiedlich ist lediglich der Weg der Ströme, durch die im Transformator gespeicherte magnetische Energie nach dem Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements in den Kon densator 7 zurückgespeist wird. Beim Transformator 2 gemäß Fig. 3 wird nämlich als Sekundärwicklung, über welche die beim Beenden des Ladens des piezoelektrischen Elements im Transformator gespeicherte magnetische Energie in den Konden sator zurückgespeichert wird, und als Sekundärwicklung, über welche die beim Beenden des Entladens des piezoelektrischen Elements im Transformator gespeicherte magnetische Energie in den Kondensator zurückgespeichert wird, die selbe Sekundär wicklung des selben Transformators, nämlich die nur eine Sekundärwicklung N2 des Transformators 2 verwendet.The only difference is the path of the currents through which magnetic energy stored in the transformer is fed back after charging and discharging the piezoelectric element into the capacitor 7 . In the transformer 2 shown in FIG. 3 is namely as a secondary winding, via which the magnetic energy stored in the transformer when the charging of the piezoelectric element is terminated is restored in the capacitor, and as a secondary winding, via which the winding is terminated in the transformer when the piezoelectric element is discharged stored magnetic energy is restored in the capacitor, the same secondary winding of the same transformer, namely the only one secondary winding N2 of the transformer 2 used.

Der sich beim Öffnen des Ladeschalters 3 einstellende Strom fluß verläuft über die Diode 10 ₃, die Sekundärwicklung N2 des Transformators 2 und die Diode 10 ₁ zum Kondensator 7; der sich beim Öffnen des Entladeschalters 4 einstellende Strom fluß verläuft über die Diode 10 ₄, die Sekundärwicklung N2 des Transformators 2 und die Diode 10 ₂ zum Kondensator 7.The current flowing when the charging switch 3 is opened runs through the diode 10 ₃ , the secondary winding N2 of the transformer 2 and the diode 10 ₁ to the capacitor 7 ; The current flowing when the discharge switch 4 is opened runs via the diode 10 ₄ , the secondary winding N2 of the transformer 2 and the diode 10 ₂ to the capacitor 7 .

Die Verwendung eines nur zwei Wicklungen umfassenden Trans formators ermöglicht es, die Schaltung gemäß Fig. 3 bei im wesentlichen gleicher Funktion und Wirkungsweise noch kleiner und einfacher auszubilden als es bei der Schaltung nach der Fig. 1 ohnehin schon der Fall ist.The use of a transformer comprising only two windings enables the circuit according to FIG. 3 to be made even smaller and simpler with essentially the same function and mode of operation than is already the case with the circuit according to FIG. 1.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch das be schriebene Verfahren und die beschriebenen Vorrichtungen zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen selbst un ter beengten Verhältnissen ein wunschgemäß beeinflußbares und zugleich effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente ermöglicht wird.In summary, it can be stated that the be written methods and the described devices for Loading and unloading piezoelectric elements themselves and un the cramped conditions a desired influenceable and at the same time efficient charging and discharging piezoelectric Elements.

Claims

1. A method for charging and discharging a piezoelectric element ( 11 ₁ , 12 ₁ ,... 1 n ₁ ), both charging and discharging being carried out at least partially via a transformer ( 2 ), characterized in that the charging current and the discharge current is at least partially conducted through the same transformer.

2. The method according to claim 1, characterized in that the transformer ( 2 ) is used as part of a by a charging switch ( 3 ) closable charging circuit and by a discharge switch ( 4 ) closable discharge circuit.

3. The method according to claim 2, characterized in that when the loading of the piezoelectric element ( 11 ₁ , 12 ₁ , ... 1 n ₁ ) in the transformer ( 2 ) stored magnetic energy via a secondary winding (N2) of the transformer in one for buffering the supply voltage serving capacitor ( 7 ) is fed back.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that when the discharge of the piezoelectric element ( 11 ₁ , 12 ₁ , ... 1 n ₁ ) in the transformer ( 2 ) stored magnetic energy via a secondary winding (N3; N2 ) of the transformer is fed back into a capacitor ( 7 ) used for buffering the supply voltage.

5. The method according to claim 3 and 4, characterized in that as a secondary winding (N2), via which the magnetic stored when the loading of the piezoelectric element ( 11 ₁ , 12 ₁ , ... 1 n ₁ ) in the transformer ( 2 ) Energy is stored back in the capacitor ( 7 ), and as secondary winding (N3; N2), via which the magnetic energy stored in the transformer when the discharge of the piezoelectric element ( 11 ₁ , 12 ₁ ,... 1 n ₁ ) is ended is restored into the capacitor, different secondary windings (N2, N3) of the same transformer ( 2 ) can be used.

6. The method according to claim 3 and 4, characterized in that as a secondary winding (N2), via which the magnetic stored when the loading of the piezoelectric element ( 11 ₁ , 12 ₁ , ... 1 n ₁ ) in the transformer ( 2 ) Energy is stored back in the capacitor ( 7 ), and as secondary winding (N3; N2), via which the magnetic energy stored in the transformer when the discharge of the piezoelectric element ( 11 ₁ , 12 ₁ ,... 1 n ₁ ) is ended is restored to the capacitor, the same secondary winding (N2) of the same transformer ( 2 ) is used.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the transformer ( 2 ) for charging and discharging a plurality of in parallel branches ( 11 , 12 , ... 1 n) provided piezoelectric elements ( 11 ₁ , 12 ₁ , ... 1 n ₁ ) is used.

8. The method according to claim 7, characterized in that the one or more piezoelectric elements ( 11 ₁ , 12 ₁ ,... 1 n ₁ ), which are to be charged during a respective charging process, via assigned selection switches ( 11 ₂ , 12 ₂ , 1 n ₂ ) can be selected.

9. A device for loading and unloading a piezoelectric element's ( 11 ₁ , 12 ₁ ,... 1 n ₁ ), both the loading and the unloading taking place at least partially via a transformer ( 2 ), characterized in that at least a transformer is arranged such that both the charging current and the discharging current can be conducted through it.