DE19755601A1

DE19755601A1 - Schaltungsanordnung zum Laden und/oder Entladen von kapazitiven Lasten

Info

Publication number: DE19755601A1
Application number: DE19755601A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Sc Techn Huebner; Tobias Flaemig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 1999-06-17

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Laden und/oder Entladen von kapazitiven Lasten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei den kapazitiven Lasten handelt es sich insbesondere um piezoelektrische Elemente, die beispielsweise als Aktoren bzw. Stellglieder verwendet werden. Solche piezoelektrischen Elemente sind für derartige Zwecke besonders geeignet, da sie die Eigenschaften aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.

Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezoelektrische Elemente erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn das betreffende Stellglied und/oder der Aktor häufige Bewegungen auszuführen hat. Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied erweist sich u. a. bei Kraftstoffeinspritzdüsen 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.

Aus der DE 30 48 632 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Laden oder Entladen von Piezoaktoren bekannt. Die dort beschriebene Lösung erfordert ein Schaltelement, das den Piezoaktor nach einem Ausgleichsschwingprozeß direkt an eine zusätzliche Spannungsquelle schaltet, um die geforderte Aktorendspannung zu erreichen. Diese Lösung hat den Nachteil, daß dieser Schalter einen zusätzlichen Aufwand in der Schalteransteuerung bedeutet und während dieser Restaufladung schaltungsbedingte Verluste in der Spannungsquelle und dem Piezoaktor auftreten.

Aufgabe der Erfindung

Der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine periodische und möglichst verlustfreie Ansteuerung des Piezoaktors ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist eine periodische, verlustfreie Ansteuerung des Piezoaktors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, daß mit geringem Aufwand auch mehrere Piezoaktoren angesteuert werden können. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigt Fig. 1 die wesentlichsten Elemente der Schaltungsanordnung, Fig. 2 die wesentlichsten Elemente einer Schaltungsanordnung für mehrere Piezoaktoren, Fig. 3 verschiedene Signale über der Zeit aufgetragen zur Verdeutlichung der Funktionsweise und Fig. 4 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 sind die wesentlichen Elemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Die Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einem sogenannten Grundmodul GM und wenigstens einem Lastmodul LM. Diese beiden Module sind mit punktieren Linien gekennzeichnet.

Das Grundmodul GM umfaßt im wesentlichen eine steuerbare Spannungsquelle 100, an der die Spannung U_S anliegt. Der erste Anschluß, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies der Minuspol, der Spannungsquelle 100, steht mit einem ersten Anschluß eines ersten Kondensators 110 in Verbindung. An dem Kondensator C_BU liegt die Spannung an. Der zweite Anschluß des Kondensators ist mit einer Induktivität L verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Anschluß der Spannungsquelle und dem ersten Anschluß des Kondensators C_BU steht über ein erstes Schaltmittel S_E mit einem Ausgang b in Verbindung.

Das erste Schaltmittel S_E besitzt zwei Schaltstellungen, die mit 1 und 0 bezeichnet sind. Bei der Schaltstellung, die mit 0 bezeichnet ist, ist das Schaltmittel geöffnet, bei der mit 1 bezeichneten Stellung ist es geschlossen. In diesem Fall verbindet das Schaltmittel S_E den Verbindungspunkt zwischen der Spannungsquelle 100 und dem Kondensator C_BU mit dem Ausgang b des Grundmoduls GM.

Der zweite Anschluß der Induktivität steht mit dem Ausgang c des Grundmoduls GM in Kontakt. Der zweite Anschluß der Spannungsquelle, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies der positive Pol der Spannungsquelle, steht mit der Kathode einer dritten Diode D_L in Kontakt. Die Anode der dritten Diode D_L steht mit einem Ausgang a des Grundmoduls GM in Kontakt.

Das Lastmodul LM beinhaltet im wesentlichen den Piezoaktor PA. Parallel zu dem Piezoaktor PA ist eine erste Diode D_P geschaltet. Die Kathode der Diode D_P ist mit dem ersten Anschluß des Piezoaktors PA, der in dem dargestellten Beispiel den negativen Anschluß darstellt, verbunden. Die Anode der Diode D_P ist mit dem zweiten Anschluß des Piezoaktors PA, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies der positive Anschluß, verbunden.

Der erste Anschluß der Diode D_P bzw. der erste Anschluß des Piezoaktors PA steht mit dem Ausgang c des Lastmoduls LM in Verbindung. Der zweite Anschluß des Piezoaktors PA bzw. der Diode D_P steht über eine zweite Diode D_E mit dem Ausgang b des Lastmoduls LM in Verbindung. Dabei steht die Kathode der Diode D_E jeweils mit dem zweiten Anschluß des Piezoaktors PA bzw. der Diode D_P in Kontakt.

Ferner steht der zweite Anschluß des Piezoaktors PA über ein zweites Schaltmittel S_L mit dem Ausgang a des Lastmoduls LM in Verbindung. Das zweite Schaltmittel S_L besitzt ebenfalls zwei Schaltstellungen wobei in der mit 1 bezeichneten Schaltstellung das Schaltmittel geschlossen ist.

Das erste Schaltmittel S_E wird mit einem Ausgangssignal eines Punktes A2 und das zweite Schaltmittel S_L mit dem Ausgangssignal eines Punktes A1 beaufschlagt.

Die Ausgänge a, b und c des Lastmoduls und die Ausgänge a, b, c des Grundmoduls GM sind jeweils miteinander verbunden.

Betrachtet man das Grundmodul GM und das Lastmodul LM eines Piezoaktors PA als Einheit, so ist der Minuspol der Spannungsquelle 100 über den Kondensator C_BU in Reihe mit der Induktivität L mit dem negativen Anschluß der kapazitiven Last PA und der Anode der Diode D_P verbunden. Der Minuspol der Spannungsquelle 100 ist ferner über das erste Schaltmittel S_E mit der Kathode der Diode D_E und die Anode der Diode D_E mit dem positiven Anschluß der kapazitiven Last PA und der Kathode der Diode D_P verbunden. Der Pluspol der Spannungsquelle 100 ist mit der Anode der Diode D_L und die Kathode der Diode D_R über das zweite Schaltmittel S_L mit dem positiven Anschluß der kapazitiven Last PA verbunden.

Die Schaltmittel S_E und S_L sind vorzugsweise als elektronische Schalter, die durch eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Ansteuerbaugruppe angesteuert werden, realisiert. Vorzugsweise sind die Schaltmittel als Transistoren und/oder Thyristoren ausgebildet. Bei der Verwendung von Thyristoren sind die zweite und die dritte Diode im Thyristor enthalten.

Die Spannungsquelle 100, der Kondensator C_BU, die Induktivität L, die Diode D_RL und das erste Schaltmittel S_E bilden das Grundmodul. Die kapazitive Last PA, die Diode D_P und die Diode D_E sowie das zweite Schaltmittel S_L bilden das Lastmodul LM. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß ein Grundmodul GM zur Ansteuerung mehrerer Lastmodule LM verwendet werden kann. Dadurch können teure und Bauraum beanspruchende Bauelemente wie Kondensatoren und Induktivitäten eingespart werden.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit mehreren Lastmodulen LM dargestellt. Bereits in Fig. 1 beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Zur Vereinfachung der Schaltung sind die Lastmodule LM1 und LM2 lediglich als Block dargestellt. Die verschiedenen Lastmodule LM1 und LM2 stehen mit ihren Ausgängen a, b und c jeweils miteinander und mit den jeweiligen Ausgängen a, b, c des Grundmoduls GM in Verbindung.

Die steuerbare Spannungsquelle 100 wird dabei von einem Regler K angesteuert, der eine Steuerspannung U_ST bereitstellt. Die Steuerspannung U_ST wird von dem Regler K ausgehend von dem Vergleich zwischen einem Sollwert und U_Q und einem Istwert, der der momentanen Spannung u_BU an dem Kondensator C_BU entspricht, gebildet. Hierzu werden diese beiden Signale einem Verknüpfungspunkt 210 zugeleitet. Ausgehend von dieser Differenz bestimmt der Regler K das Ansteuersignal AST zur Ansteuerung der gesteuerten Spannungsquelle 100.

Der Sollwert U_Q wird von einer Ansteuerbaugruppe 220 bereitgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Steuereinrichtung, die ausgehend von verschiedenen Signalen verschiedener Sensoren 230 und 235 die Spannung U_Q bereitstellt. Ferner steuert die Ansteuerbaugruppe das erste und das zweite Schaltmittel an. Hierzu stellt die Ansteuerbaugruppe 220 Signale bereit, die sie auf den Punkt A1 und den Punkt A2 ausgibt.

Den Sollwert für die Spannung U_ST wird ausgehend von verschiedenen Betriebsparametern, die mit den Sensoren 230 und 235 erfaßt werden, bestimmt. Dienen die Piezoaktoren zu Steuerung einer Brennkraftmaschine werden beispielsweise die Drehzahl N der Brennkraftmaschine und der Fahrerwunsch FP verwendet.

Zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird auf Fig. 3 verwiesen. In Fig. 3a sind die wesentlichen Elemente der Schaltungsanordnung dargestellt. Die Schaltungselemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet. Der Kondensator C_BU ist in Fig. 3a als Spannungsquelle dargestellt. Zusätzlich sind in Fig. 3a die Ströme, die beim Laden und Entladen des Piezoaktors PA fließen, dargestellt.

Der Strom, der beim Laden des Piezoaktors PA fließt, ist mit i_L bezeichnet und mit einer durchgezogenen Linie mit Pfeil dargestellt. Der Strom, der beim Entladen fließt, ist mit i_E bezeichnet und mit einer gestrichelten Linie mit Pfeil dargestellt. Der Piezoaktor PA weist die Kapazität C_PA auf. An ihm liegt die veränderliche Spannung u_PA. An der Spannungsquelle 100 liegt die Spannung U_S und an dem Kondensator C_BU die Spannung U_BU.

Der Verlauf der Spannung u_PA ist in Fig. 3b über der Zeit t aufgetragen. Ferner ist in Fig. 3b das Ansteuersignal bzw. die Schalterstellung des zweiten Schaltmittels S_L und des ersten Schaltmittels S_E aufgetragen.

Der Maximalwert, den die Spannung am Piezoaktor PA erreichen kann, ist mit U_PAmax bezeichnet. Zum Zeitpunkt t_0L beginnt die Ladung des Kondensators. Hierzu wechselt das zweite Schaltmittel S_L von seiner Schaltstellung 0 in die Schaltstellung 1. Dies bedeutet, der Stromfluß durch den Piezoaktor beginnt, das heißt, der Strom i_L(t) fließt. Bei geschlossenem Schalter S_L erfolgt der Stromfluß von der Spannungsquelle 100 durch die Diode D_L das zweite Schaltmittel S_L den Piezoaktor PA die Induktivität L und den Kondensator C_BU. Gleichzeitig steigt die Spannung u_PA am Piezoaktor PA an. Zum Zeitpunkt t₁ erreicht die Spannung u_PA den Maximalwert U_PAmax. Der Ladevorgang ist nun abgeschlossen.

Während des Zeitraums zwischen dem Zeitpunkt t_0L und dem Zeitpunkt t₁ erfolgt die Ladung des Piezoaktors diese Zeit wird als Ladezeit t_L bezeichnet. Die Ansteuerung des zweiten Schaltmittels S_L wird zu einem späteren Zeitpunkt, der nach dem Zeitpunkt t₁ und vor dem Zeitpunkt t_0L liegt, zurückgenommen. Dabei geht das zweite Schaltmittel S_L in die Schaltstellung 0 über.

Zum Zeitpunkt t_0E beginnt das Entladen des Piezoaktors. Ab diesem Zeitpunkt fällt die Spannung u_PA ausgehend von ihrem Maximalwert U_PAmax ab. Zum Zeitpunkt t₂ erreicht sie den Wert 0. Dies bedeutet, der Piezoaktor ist zum Zeitpunkt t₂ entladen. Nach dem Zeitpunkt t₂ wird die Ansteuerung des ersten Schaltmittels S_E wieder auf 0 zurückgenommen.

Der Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt t_0E und dem Zeitpunkt t₂ wird als Entladezeit t_E bezeichnet. Während dieser Zeit fließt der Strom i_E(t) durch den Kondensator C_BU, die Induktivität L, den Piezoaktor PA, die Diode D_E und das erste Schaltmittel S_E.

Das Prinzip der Schaltung nach Fig. 3 beruht darauf, daß Piezoaktoren stark kapazitives elektrisches Klemmenverhalten besitzen. Im vereinfachten elektrischen Ersatzmodell kann der Piezoaktor PA als Kondensator mit der Kapazität C_PA betrachtet werden. Diese Kapazität C_PA bildet mit der Induktivität L einen Schwingkreis. Für den Auf- und Entladevorgang ergeben sich über eine Halbperiode näherungsweise sinus- bzw. cosinusförmige Strom- und Spannungsverläufe. Für die folgenden Formeln gelten:

Die Auf- und Entladezeiten sind durch den Schwingungskreiskennwert ω_PA vorgegeben. Für ω_PA gilt die Beziehung

In der Realität sind Piezoaktoren verlustbehaftet. Um diese Aktorverluste im zyklischen Auf- und Entladebetrieb auszugleichen, muß die Summe der Quellenspannung (U_BU + U_S) bei der Aufladung größer sein als die Quellenspannung U_BU zur Entladung. Die Mittelwerte der Spannungen U_S und U_BU sind auf feste Werte eingestellt, so daß sowohl die gewünschte Aktorendspannung U_PAmax als auch die minimale Aktorspannung im Ergebnis der Ausgleichschwingprozesse erreicht werden.

Der Piezoaktor nimmt aufgrund seiner elektrischen Kapazität C_PA bei der Aufladung auf die Spannung U_PAmax eine definierte Energiemenge W_PAzu auf, die sich gemäß der folgenden Formel ergibt:

Bei der Entladung gibt er die Energiemenge W_PAab an die Spannungsquelle zurück. Der Verlustfaktor V beschreibt den relativen Verlustanteil der elektrischen Energie, die während eines vollständiges Auf- und Entladezyklusses scheinbar im Piezoaktor verbleibt. Für diesen Verlustfaktor V gilt die Formel

In Fig. 3a wird deutlich, daß während der Aufladung des Piezoaktors dem als Spannungsquelle dienende Kondensators C_BU Energie entnommen und während der Entladung zugeführt wird. Der als Spannungsquelle wirkende Kondensator ist somit ein Energiespeicher, der im zyklischen Auf- und Entladebetrieb stets die gleiche Energiemenge W_BU abgibt und wieder aufnimmt. Für diesen Wert W_BU gilt die Formel

W_BUab = W_BUzu = U_BU ².C_PA.

Der Spannungsquelle 100 hingegen wird elektrische Energie während der Aufladung des Piezoaktors nur entnommen. Sie dient somit zur Kompensation von Energieverlusten, die insbesondere im Piezoaktor beim zyklischem Auf- und Entladen auftreten. Für diese Verlustenergie W_Sab gilt die Beziehung:

W_Sab = U_S ².C_PA

Für eine periodische, verlustfreie Ansteuerung des Piezoaktors stellt sich aufgrund der Aktorverluste ein Spannungsverhältnis V ein, für das die folgende Gleichung gilt:

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Bereits in den früheren Figuren beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Diode D_L und das zweite Schaltmittel S_L sind als Thyristor Th_L ausgebildet.

Entsprechend ist die Diode D_E und das erste Schaltmittel S_E als zweiter Thyristor Th_E ausgebildet.

Der Regler K und die Spannungsquelle 100 sind durch eine Baugruppe bestehend aus einer Spannungsquelle U_Q, die den Sollwert vorgibt, verschiedener Widerstände R1, R2, R3 und R4, einem Verstärker 400 und einen Kondensator 410 realisiert. Der Kondensator besitzt die Kapazität C_S.

In der dargestellten Ausführungsform ist der positive Pol der Spannungsquelle U_Q über einen ersten Widerstand R1 mit dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 400 verbunden. Ferner liegt an diesem Eingang des Verstärkers ein zweiter Widerstand R2, der diesen Eingang über die Induktivität L mit dem ersten Anschluß des Piezoaktors PA verbindet.

Der invertierende Eingang des Verstärkers 400 steht über ein dritten Widerstand R3 mit dem negativen Anschluß der Spannungsquelle U_Q in Verbindung. Ferner steht der invertierende Eingang des Verstärkers 400 über ein Widerstand R4 mit dem Ausgang des Verstärkers 400 in Verbindung. Der Ausgang des Verstärkers steht ferner mit einem zweiten Anschluß des Kondensators 410 in Verbindung, der zweite Anschluß des Kondensators 410 ist ferner mit der Anode des Thyristors Th_L verbunden. Der zweite Anschluß des Kondensators 410 steht mit dem negativen Anschluß der Spannungsquelle U_Q sowie mit der Kathode des Thyristors Th_E und dem Kondensator 110 in Verbindung.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zur unipolaren Spannungsansteuerung von piezoelektrischen Vielschichtaktoren, die üblicherweise auch als Piezoaktoren bezeichnet werden. Durch die geringen Leistungsverluste der Ansteuerschaltung ist diese Schaltung für hochdynamische, periodische Auf- und Entladevorgänge von Hochleistungspiezoaktoren besonders geeignet. Bei einer hinreichend großen Kapazität des Kondensators C_BU, beträgt deren Spannung U_BU nur die Hälfte der Endspannung an den Klemmen des Piezoaktors.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Laden und/oder Entladen von kapazitiven Lasten, insbesondere von Piezoaktoren (PA), mit Energierückspeisung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Anschluß einer Spannungsquelle (100) über einen Energiespeicher (C_BU) in Reihe mit einer Induktivität (L), mit einem ersten Anschluß der kapazitiven Last (PA) und einem ersten Anschluß einer ersten Diode (D_P) verbunden ist, daß der erste Anschluß der Spannungsquelle (100) über ein erstes Schaltmittel (S_E) mit einem ersten Anschluß einer zweiten Diode (D_E) und der zweite Anschluß der zweiten Diode (D_E) mit dem zweiten Anschluß der kapazitiven Last (PA) und einem zweiten Anschluß der ersten Diode (D_P) verbunden ist und daß ein zweiter Anschluß der Spannungsquelle (100) mit einem ersten Anschluß einer dritten Diode (D_L) und der zweite Anschluß der dritten Diode (D_L) über ein zweites Schaltmittel (S_L) mit einem zweiten Anschluß der kapazitiven Last (PA) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel als elektronische Schalter, insbesondere Feldeffekttransistoren oder Thyristoren ausgebildet sind, die durch eine Ansteuerbaugruppe geschaltet werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (110) als Kondensator ausgebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle, der Energiespeicher (110), die Induktivität (L), die dritte Diode (D_L) und das erste Schaltmittel (S_E) ein Grundmodul (GM) bilden, das mit wenigstens einem Lastmodul (LM), bestehend aus je einer kapazitiven Last (PA), der zweiten Diode (D_E), der ersten Diode (D_P) und dem zweiten Schaltmittel (S_L), verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (100) als steuerbare Spannungsquelle ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Spannungsquelle (100) der Ausgang eines Regler ist, dessen Eingänge mit dem Istspannungssignal des Energiespeichers und einem Sollwertgeber verbunden sind.