DE19814594A1 - Charging and discharging piezoelectric element to desired voltage - Google Patents
Charging and discharging piezoelectric element to desired voltageInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri schen Elements.The present invention relates to a method according to the Preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 8, d. H. a procedure and a device for loading and unloading a piezoelectric elements.
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 cunning 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 bereits angedeutet wurde, entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellen den oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.Piezoelectric elements are capacitive consumers, which as already indicated above, accordingly the respective state of charge or adjust to it contract and expand the or applied voltage.
Das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements kann unter anderem über ein induktive Eigenschaften aufweisendes Bauelement wie beispielsweise eine Spule erfolgen, wobei diese Spule in erster Linie dazu dient, den beim Laden auf tretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Ent ladestrom zu begrenzen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 11 veranschaulicht.The charging and discharging of a piezoelectric element can be carried out, inter alia, via an inductive component such as, for example, a coil, this coil primarily serving to limit the charging current occurring during charging and the charging current occurring during discharging. Such an arrangement is illustrated in FIG. 11.
Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element ist in der Fig. 11 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet. Es ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 102 schließ baren Ladestromkreises und eines über einen Entladeschalter 106 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestomkreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 102, einer Diode 103, einer Ladespule 104, des piezoelektrischen Elements 101, und einer Spannungsquelle 105 besteht, und wobei der Entlade stromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters 106, einer Diode 107, einer Entladespule 108 und des piezo elektrischen Elements 101 besteht.The piezoelectric element to be charged or discharged is designated by reference number 101 in FIG. 11. It is part of a charging circuit which can be closed via a charging switch 102 and a discharging circuit which can be closed via a discharge switch 106 , the charging circuit comprising a series circuit of the charging switch 102 , a diode 103 , a charging coil 104 , the piezoelectric element 101 , and a voltage source 105 , and wherein the discharge circuit consists of a series circuit of the discharge switch 106 , a diode 107 , a discharge coil 108 and the piezoelectric element 101 .
Die Diode 103 des Ladestromkreises verhindert, daß im Lade stromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom fließen kann; die Diode 107 des Entladestromkreises verhin dert, daß im Entladestromkreis ein das piezoelektrische Ele ment ladender Strom fließen kann. The diode 103 of the charging circuit prevents a current that discharges the piezoelectric element from flowing in the charging circuit; the diode 107 of the discharge circuit prevents that a piezoelectric element charging current can flow in the discharge circuit.
Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 102 geschlos sen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen wird; die im piezo elektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktu ellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.If the normally open charging switch 102 is closed, a charging current flows through the charging circuit, through which the piezoelectric element 101 is charged; the electrical charge stored in the piezoelectric element 101 or at this thereby adjusting voltage and thus also the economic refreshes external dimensions of piezoelectric element 101 after loading thereof maintained substantially unchanged.
Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter 106 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Entlade strom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 ent laden wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 101 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelek trischen Elements 101 werden nach dem Entladen desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.If the normally open discharge switch 106 is closed, a discharge current flows through the discharge circuit through which the piezoelectric element 101 is charged; the state of charge of the piezoelectric element 101 or the voltage resulting therefrom and thus also the current external dimensions of the piezoelectric element 101 are maintained essentially unchanged after the same has been discharged.
Ein derartiges Laden und Entladen von piezoelektrischen Ele menten ist vorteilhaft, weil es mangels nennenswerter ohm scher Widerstände im Ladestromkreis und im Entladestromkreis verlustleistungsarm und unter nur relativ geringer Wärme entwicklung erfolgen kann.Such charging and discharging of piezoelectric ele ment is advantageous because there is no significant ohm shear resistances in the charging circuit and in the discharging circuit Low power loss and with only relatively low heat development can take place.
Andererseits sind aber das Ausmaß und der zeitliche Verlauf des Ladens und des Entladens häufig nicht ideal. Störend sind vor allem zeitlich variierende Lade- und Entladegeschwindig keiten, mehr oder weniger stark ausgeprägte Einschwingvor gänge und ein nur teilweises oder zu starkes Laden und/oder Entladen des piezoelektrischen Elements, wodurch beim Ent laden sogar ein Aufladen mit entgegengesetzter Polarität er folgen kann.On the other hand, however, are the extent and the course over time loading and unloading are often not ideal. Are annoying above all, time-varying loading and unloading speed , more or less pronounced transient response aisles and only partial or excessive charging and / or Discharge of the piezoelectric element, whereby the Ent even charge with opposite polarity can follow.
Zur Behebung dieser Nachteile kann vorgesehen werden, das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements getaktet, d. h. unter wiederholtem Öffnen und Schließen des Ladeschal ters während des Ladens bzw. unter wiederholtem Öffnen und Schließen des Entladeschalters während des Entladens durch zuführen.To remedy these disadvantages, it can be provided that Charging and discharging of the piezoelectric element clocked, d. H. with repeated opening and closing of the charging cradle ters during charging or with repeated opening and Close the discharge switch during the discharge respectively.
Durch das getaktete Laden bzw. Entladen ändern sich die Funk tion und Wirkungsweise der Ladespule 104 und der Entladespule 108.The clocked charging and discharging change the function and mode of operation of the charging coil 104 and the discharge coil 108 .
Beim nicht getakteten Laden bzw. Entladen wirken die Lade spule 104 und die Entladespule 108 als das induktive Element eines im Zusammenwirken mit dem piezoelektrische Element ge bildeten LC-Reihenschwingkreises, wobei die Induktivität des induktiven Elements und die Kapazität des piezoelektrischen Elements den Verlauf und den Umfang des Ladens und des Ent laden bestimmen (geladen und entladen wird jeweils nur mit der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwingkreisschwingung, denn ein Weiterschwingen des Schwingkreises wird durch die im Ladestromkreis und Entladestromkreis enthaltenen Dioden unterbunden).When charging or discharging is not clocked, the charging coil 104 and the discharge coil 108 act as the inductive element of an LC series resonant circuit formed in cooperation with the piezoelectric element, the inductance of the inductive element and the capacitance of the piezoelectric element being the shape and the extent determine the charging and discharging (charging and discharging is only carried out with the first current half-wave of the first resonant circuit oscillation, because further oscillation of the resonant circuit is prevented by the diodes contained in the charging and discharging circuits).
Beim getakteten Laden und Entladen werden die Ladespule 104 und der Entladespule 108 hingegen als ein Energie-Zwischen speicher verwendet, der abwechselnd von der Stromversorgungs quelle (beim Laden) bzw. vom piezoelektrischen Element (beim Entladen) zugeführte elektrische Energie (in Form von magne tischer Energie) speichert und - nach einer entsprechenden Schalterbetätigung - die gespeicherte Energie in Form von elektrischer Energie an das piezoelektrische Element (beim Laden) bzw. einen anderen Energiespeicher oder einen elektri schen Verbraucher (beim Entladen) abgibt, wobei die Zeit punkte und die Dauer (und damit auch der Umfang) der Energie speicherung und der Energieabgabe durch die Schalterbetäti gung(en) bestimmt werden. In the case of clocked charging and discharging, the charging coil 104 and the discharging coil 108, on the other hand, are used as an energy buffer store which alternately supplies electrical energy (in the form of magnetic table) from the power supply source (when charging) or from the piezoelectric element (when discharging) Energy) stores and - after a corresponding switch operation - the stored energy in the form of electrical energy to the piezoelectric element (when charging) or another energy storage device or an electrical consumer (when discharging), the time points and the duration ( and thus also the extent) of the energy storage and the energy output are determined by the switch actuation (s).
Dadurch kann das piezoelektrische Element in beliebig vielen, beliebig großen und in beliebigen zeitlichen Abständen auf einanderfolgenden Stufen wunschgemäß weit geladen und ent laden werden.As a result, the piezoelectric element can be any size and at any time intervals successive stages are loaded and ent as desired will load.
Als Folge dessen können sowohl das Ausmaß als auch der zeit liche Verlauf des Ladens und/oder des Entladens wunschgemäß beeinflußt werden, und zwar weitgehend unabhängig von den technischen Daten des die induktiven Eigenschaften aufweisen den Bauelements und des piezoelektrischen Elements.As a result, both the extent and the time Liche course of loading and / or unloading as desired be influenced, largely independently of the technical data of the inductive properties the component and the piezoelectric element.
Die Genauigkeit, mit welcher das piezoelektrische Element durch ein derartiges Laden und Entladen auf eine gewünschte Spannung gebracht wird, ist aber immer noch nicht in allen Fällen ausreichend.The accuracy with which the piezoelectric element by such loading and unloading to a desired one But tension is still not in everyone Cases sufficient.
Eine noch höhere Genauigkeit ist beispielsweise oftmals er forderlich, wenn das piezoelektrische Element als Aktor in einer Kraftstoff-Einspritzdüse einer Brennkraftmaschine ver wendet wird. Die Spannung, auf die das piezoelektrische Element durch das Laden und Entladen gebracht wird, bestimmt nämlich die Kraftstoffmenge, die pro Einspritzvorgang ein gespritzt wird, und für eine optimale Funktion der Brenn kraftmaschine muß diese Kraftstoffmenge mit hoher Genauigkeit einer vorgegebenen Soll-Kraftstoffmenge entsprechen, was insbesondere bei kleinen Kraftstoffmengen (wie sie beispiels weise bei der Voreinspritzung vorkommen) bislang nicht immer voll zufriedenstellend gelungen ist.For example, he is often even more precise required if the piezoelectric element as an actuator in a fuel injector of an internal combustion engine is applied. The voltage on which the piezoelectric Element brought by the loading and unloading is determined namely the amount of fuel that per injection is injected, and for optimal function of the firing Engine must this amount of fuel with high accuracy a predetermined target fuel amount, what especially with small amounts of fuel (as for example wise occur in the pre-injection) so far not always succeeded completely satisfactorily.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 derart weiterzubilden, daß das piezoelektrische Element auf einfache Weise exakt auf einen wunschgemäßen Wert geladen und entladen werden kann. The present invention is therefore based on the object the method according to the preamble of claim 1 and the device according to the preamble of claim 8 to develop such that the piezoelectric element simply loaded exactly to a desired value and can be discharged.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. die im kenn zeichnenden Teil des Patentanspruchs 8 (Vorrichtung) bean spruchten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by the the part of claim 1 (method) or in the drawing part of claim 8 (device) bean characteristics resolved.
Demnach ist vorgesehen,
Accordingly, it is provided
- - daß der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang bereits eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element beendet wird (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.- That the loading or unloading is already a certain time before the desired voltage is reached on piezoelectric element is terminated (characteristic Part of claim 1) or
- - daß eine Lade- oder Entlade-Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den Ladevorgang bzw. den Ent ladevorgang bereits eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element zu be enden (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 8).- That a loading or unloading control device is provided is, which is designed to the loading process or the Ent charging a certain time before reaching the desired voltage on the piezoelectric element to be end (characterizing part of claim 8).
Dadurch, daß das Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements nicht erst bei Erreichen der gewünschten Spannung beendet wird, kann verhindert werden, daß das piezoelektri sche Element weiter als gewünscht geladen oder entladen wird. Das piezoelektrische Element wird nämlich durch den bei der Beendigung des Lade- bzw. Entladevorganges nicht sprungartig auf Null zurückgehenden Lade- bzw. Entladestrom auch noch eine gewisse Zeit nach der Beendigung des Lade- bzw. Entlade vorganges weiter geladen bzw. entladen. Beendet man den Lade- bzw. Entladevorgang zum richtigen Zeitpunkt vor dem Erreichen der gewünschten Spannung, so kann dadurch im Ergebnis genau die gewünschte Spannung am piezoelektrischen Element erreicht werden.The fact that the loading or unloading of the piezoelectric Elements not only when the desired voltage is reached is ended, the piezoelectric can be prevented element is loaded or unloaded further than desired. The piezoelectric element is namely by the at End of the loading or unloading process not suddenly charging or discharging current falling to zero a certain time after the end of the loading or unloading process further loaded or unloaded. If you end the loading or unloading process at the right time before reaching the desired tension, this can result in accurate reached the desired voltage on the piezoelectric element become.
Das piezoelektrische Element kann so auf einfache Weise exakt auf einen wunschgemäßen Wert geladen und entladen werden.The piezoelectric element can thus be precise in a simple manner loaded and unloaded to a desired value.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren ent nehmbar.Advantageous developments of the invention are the sub claims, the following description and the figures ent acceptable.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zei genThe invention is described below with reference to exemplary embodiments len explained with reference to the figures. It shows gene
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anord nung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, Fig. 1 shows an embodiment of the invention Anord voltage for charging and discharging a piezoelectric element,
Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 3 geschlossen) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden Verhält nisse, Fig. 2 is a diagram for explaining the (closed charging switch 3) during a first charging phase nit in the arrangement of FIG. 1 adjusting behaves
Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 3 wieder ge öffnet) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden Verhältnisse, Fig. 3 is a diagram for explaining the during a second charging phase (charge switch 3 again ge opens) in the arrangement of FIG. 1, adjusting conditions,
Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 5 ge schlossen) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellen den Verhältnisse, Fig. 4 is a view for explaining during a first discharging phase (discharge switch 5 closed ge) in the arrangement of FIG. 1 define the conditions,
Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 5 wieder geöffnet) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden Verhältnisse, Fig. 5 is a diagram for explaining the up (opened discharge 5) during a second discharging phase arising in the arrangement of FIG. 1 ratios,
Fig. 6 die zeitlichen Verläufe des Ladestroms und der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung beim Laden des piezoelektrischen Elements durch die Anordnung gemäß Fig. 1, Fig. 6 shows the temporal profiles of the charging current and the self-adjusting voltage to the piezoelectric element during charging of the piezoelectric element through the arrangement of Fig. 1,
Fig. 7 ein Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Laden des piezoelektrischen Elements durch die Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammenhänge, Fig. 7 is a characteristic diagram for illustrating the self-adjusting between different electrical parameters during charging of the piezoelectric element through the arrangement of Fig. 1 connections,
Fig. 8 ein weiteres Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Laden des piezoelektrischen Elements durch die Anord nung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammenhänge, Fig. 8 is another characteristic diagram illustrating the various electrical quantities between loading of the piezoelectric element by the voltage Anord FIG. 1 adjusting correlations,
Fig. 9 ein Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Ent laden des piezoelektrischen Elements durch die Anord nung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammenhänge, Fig. 9 is a characteristic diagram for illustrating the load between themselves different electrical quantities in the decision of the piezoelectric element by the voltage Anord FIG. 1 adjusting correlations,
Fig. 10 ein weiteres Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der sich zwischen verschiedenen elektrischen Größen beim Entladen des piezoelektrischen Elements durch die Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Zusammen hänge, und Fig. 10 shows a further characteristic curve to illustrate the between different electrical quantities when discharging the piezoelectric element by the arrangement of FIG. 1 adjoining, and
Fig. 11 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements. Fig. 11 shows a conventional arrangement for charging and discharging a piezoelectric element.
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 piezoelektri schen 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 piezoelectric However, there are no restrictions to 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 eine Anordnung be schrieben, durch die ein oder mehrere piezoelektrische Ele mente genau wunschgemäß weit geladen und entladen werden kön nen.An arrangement will now be described with reference to FIG. 1, through which one or more piezoelectric elements may be charged and discharged exactly as desired.
Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden gilt, ist in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 be zeichnet.The piezoelectric element, which is to be loaded in the example under consideration, is identified in FIG. 1 by the reference number 1 .
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt der eine der An schlüsse des piezoelektrischen Elements 1 über einen (Meß-) Widerstand 15 dauerhaft auf Masse (ist über den Widerstand 15 mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohin gegen der andere der Anschlüsse des piezoelektrischen Ele ments über eine (zugleich als Ladespule und Entladespule wir kende) Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem (im be trachteten Beispiel durch einen Transistor gebildeten) Lade schalter 3 und einer Diode 4 mit dem zweiten Pol der Span nungsquelle und über die Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem (im betrachteten Beispiel ebenfalls durch einen Transistor gebildeten) Entladeschalter 5 und einer Diode 6 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.As can be seen from FIG. 1, one of the connections to the piezoelectric element 1 is permanently connected to ground via a (measuring) resistor 15 (is connected to a first pole of a voltage source via the resistor 15 ), whereas the other one is against Connections of the piezoelectric element via a (simultaneously acting as a charging and discharging coil) coil 2 and a parallel circuit consisting of a (in the example considered by a transistor) charging switch 3 and a diode 4 with the second pole of the voltage source and via the Coil 2 and a parallel circuit consisting of a discharge switch 5 (also formed by a transistor in the example under consideration) and a diode 6 are connected to the first pole of the voltage source.
Die Spannungsquelle besteht aus einer Batterie 7 (beispiels weise einer KFZ-Batterie), einem dieser nachgeschalteten Gleichspannungswandler 8, und einem diesem nachgeschalteten, als Pufferkondensator dienenden Kondensator 9. 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 7 (for example a motor vehicle battery), one of these downstream DC voltage converters 8 , and a downstream capacitor 9 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 und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 erfolgen im betrachteten Beispiel getaktet. D. h., der Lade schalter 3 und der Entladeschalter 5 werden während des Lade- bzw. Entladevorganges wiederholt geschlossen und geöffnet.The loading and unloading of the piezoelectric element 1 are clocked in the example considered. That is, the charging switch 3 and the discharge switch 5 are repeatedly closed and opened during the charging or discharging process.
Die sich dabei einstellenden Verhältnisse werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 erläutert, von denen die Fig. 2 und 3 das Laden des piezoelektrischen Elements 1, und die Fig. 4 und 5 das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 veranschaulichen. Bei den Darstellungen in den Fig. 2 bis 5 wurde der zur (Ent-)Ladestrommessung benö tigte Widerstand 15 unberücksichtigt gelassen; dessen Einfluß kann für die vorliegenden Betrachtungen jedoch vernachlässigt werden.The resulting conditions are explained below with reference to FIGS. 2 to 5, of which FIGS. 2 and 3 illustrate the charging of the piezoelectric element 1 , and FIGS. 4 and 5 illustrate the discharging of the piezoelectric element 1 . In the representations in FIGS. 2 to 5, the resistance 15 required for (de) charging current measurement has been disregarded; however, its influence can be neglected for the present considerations.
Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 sind, wenn und solange kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Ele ments 1 erfolgt, geöffnet. In diesem Zustand befindet sich die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung im stationären Zustand. D. h., das piezoelektrische Element 1 behält seinen Ladungs zustand im wesentlichen unverändert bei, und es fließen keine Ströme.The charge switch 3 and the discharge switch 5 are open when and as long as there is no charging or discharging of the piezoelectric element 1 . In this state, the circuit shown in FIG. 1 is in the stationary state. That is, the piezoelectric element 1 maintains its state of charge substantially unchanged, and no currents flow.
Mit dem Beginn des Ladens des piezoelektrischen Elements 1 wird der Ladeschalter 3 wiederholt geschlossen und geöffnet; der Entladeschalter 5 bleibt hierbei geöffnet.With the start of charging the piezoelectric element 1 , the charging switch 3 is repeatedly closed and opened; the discharge switch 5 remains open.
Beim Schließen des Ladeschalters 3 stellen sich die in der Fig. 2 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, dem Kondensator 9 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 2 durch Pfeile angedeuteter Strom iLE(t) fließt. Dieser Stromfluß be wirkt, daß in der Spule 2 Energie gespeichert wird. Der Ener giefluß in die Spule 2 wird dabei durch die positive Poten tialdifferenz zwischen dem Kondensator 9 und dem piezoelek trischen Element 1 bewirkt.When the charging switch 3 is closed, the relationships shown in FIG. 2 are established. That is, a closed circuit consisting of a series connection of the piezoelectric element 1 , the capacitor 9 and the coil 2 is formed, in which a current i LE (t), as indicated in FIG. 2, flows. This current flow be that 2 energy is stored in the coil. The energy flow into the coil 2 is caused by the positive potential difference between the capacitor 9 and the piezoelectric element 1 .
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Ladeschalters 3 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 3 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1, der Diode 6 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Fig. 3 durch Pfeile angedeuteter Strom iLA(t) fließt. Dieser Stromfluß be wirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in das piezoelektrische Element 1 fließt. Entsprechend der Ener giezufuhr zum piezoelektrischen Element erhöhen sich die an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum piezo elektrischen Element 1 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 er reicht.When the charging switch 3 is opened shortly (for example a few μs) after the charging switch 3 is closed, the conditions shown in FIG. 3 are established. In other words, a closed circuit consisting of a series connection of the piezoelectric element 1 , the diode 6 and the coil 2 is formed, in which a current i LA (t), as indicated in FIG. 3, flows. This current flow acts that energy stored in the coil 2 flows completely into the piezoelectric element 1 . Corresponding to the energy supply to the piezoelectric element, the voltage setting thereon and its external dimensions increase. After the energy has been transported from the coil 2 to the piezoelectric element 1 , the above-mentioned stationary state of the circuit according to FIG. 1 is sufficient.
Dann oder auch schon vorher oder auch erst später (je nach dem gewünschten zeitlichen Verlauf des Ladevorgangs) wird der Ladeschalter 3 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie zu (die im piezoelektrischen Element bereits gespeicherte Ener gie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und dem entsprechend nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen zu. Then or even before or only later (depending on the desired time course of the charging process), the charging switch 3 is closed again and opened again, the processes described above being repeated. By re-closing and opening the charging switch 3 , the energy stored in the piezoelectric element 1 increases (the energy already stored in the piezoelectric element and the newly added energy add up), and accordingly the voltage that is set at the piezoelectric element and its external voltage Dimensions too.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ladeschalters 3 eine Vielzahl von Malen, so steigen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise an (siehe hierzu die Kurve A der später noch genauer erläuterten Fig. 6).If the described closing and opening of the charging switch 3 is repeated a number of times, the voltage which arises at the piezoelectric element and the expansion of the piezoelectric element increase gradually (see curve A of FIG. 6, which will be explained in more detail later).
Wurde der Ladeschalter 3 eine vorbestimmte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektrische Element 1 den gewünschten Ladezustand erreicht, so wird das Laden des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Ladeschalters 3 beendet.If the charging switch 3 has been closed and opened a predetermined number of times and / or the piezoelectric element 1 has reached the desired charge state, the charging of the piezoelectric element is ended by leaving the charging switch 3 open.
Soll das piezoelektrische Element 1 wieder entladen werden, so wird dies durch ein wiederholtes Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 bewerkstelligt; der Ladeschalter 3 bleibt hierbei geöffnet.If the piezoelectric element 1 is to be discharged again, this is accomplished by repeatedly closing and opening the discharge switch 5 ; the charging switch 3 remains open.
Beim Schließen des Entladeschalters 5 stellen sich die in der Fig. 4 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Element 1 und der Spule 2 bestehender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Figur durch Pfeile angedeuteter Strom iEE(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die im piezoelek trischen Element gespeicherte Energie (ein Teil derselben) in die Spule 2 transportiert wird. Entsprechend dem Energie transfer vom piezoelektrischen Element 1 zur Spule 2 nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen ab.When the discharge switch 5 is closed, the conditions shown in FIG. 4 are established. That is, a closed circuit consisting of a series connection of the piezoelectric element 1 and the coil 2 is formed, in which a current i EE (t), as indicated by arrows, flows. This current flow causes the energy stored in the piezoelectric element (part of it) is transported into the coil 2 . Corresponding to the energy transfer from the piezoelectric element 1 to the coil 2 , the voltage established at the piezoelectric element and its external dimensions decrease.
Beim kurz (beispielsweise einige µs) nach dem Schließen des Entladeschalters 5 erfolgenden Öffnen desselben stellen sich die in der Fig. 5 gezeigten Verhältnisse ein. D. h., es wird ein aus einer Reihenschaltung aus dem piezoelektrischen Ele ment 1, dem Kondensator 9, der Diode 4 und der Spule 2 beste hender geschlossener Stromkreis gebildet, in welchem ein wie in der Figur durch Pfeile angedeuteter Strom iEA(t) fließt. Dieser Stromfluß bewirkt, daß in der Spule 2 gespeicherte Energie vollständig in den Kondensator 9 zurückgespeist wird. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum Kondensa tor 9 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 erreicht.When the discharge switch 5 is opened shortly (for example a few μs) after the discharge switch 5 is closed, the conditions shown in FIG. 5 are established. In other words, a closed circuit consisting of a series circuit comprising the piezoelectric element 1 , the capacitor 9 , the diode 4 and the coil 2 is formed, in which a current i EA (t ) flows. This current flow causes energy stored in the coil 2 to be completely fed back into the capacitor 9 . After the energy has been transported from the coil 2 to the capacitor 9 , the above-mentioned stationary state of the circuit according to FIG. 1 is reached again.
Dann oder auch schon vorher oder erst später (je nach dem ge wünschten zeitlichen Verlauf des Entladevorgangs wird der Entladeschalter 5 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wo bei sich die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen. Durch das erneute Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 nimmt die im piezoelektrischen Element 1 gespeicherte Energie weiter ab, und dementsprechend nehmen die sich am piezoelek trischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Ab messungen ebenfalls ab.Then or even before or only later (depending on the desired chronological course of the discharge process, the discharge switch 5 is closed again and opened again, where the processes described above are repeated. By closing and opening the discharge switch 5 , the discharge takes place in the piezoelectric Element 1 stored energy continues to decrease, and accordingly the voltage set at the piezoelectric element and its external dimensions also decrease.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Ent ladeschalters 5 eine Vielzahl von Malen, so nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise ab.If one repeats the described closing and opening of the charging switch 5 a large number of times, the voltage arising at the piezoelectric element and the expansion of the piezoelectric element gradually decrease.
Wurde der Entladeschalter 5 eine vorbestimmte Anzahl von Ma len geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektri sche Element den gewünschten Entladezustand erreicht, so wird das Entladen des piezoelektrischen Elements durch Offenlassen des Entladeschalters 5 beendet.If the discharge switch 5 has been closed and opened a predetermined number of times and / or the piezoelectric element has reached the desired discharge state, then the discharge of the piezoelectric element is ended by leaving the discharge switch 5 open.
Das Ausmaß und der Verlauf des Ladens und des Entladens sind durch die Häufigkeit und die Dauer des Öffnens und Schließens des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 bestimmbar, wobei sich die Zeiten, während welcher die jeweiligen Schal ter geschlossen sind, und die Zeiten, während welcher die jeweiligen Schalter geöffnet sind, gleich oder unterschied lich lang sein können und selbst innerhalb eines jeweiligen Lade- bzw. Entladevorganges beliebig verändert werden können.The extent and the course of the loading and unloading can be determined by the frequency and the duration of the opening and closing of the charging switch 3 and the discharging switch 5 , the times during which the respective switches are closed and the times during which the respective switches are open, can be of the same or different lengths and can even be changed as desired within a respective charging or discharging process
Die Betätigung des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 wird durch eine Regeleinrichtung 10 veranlaßt; die von der Regeleinrichtung 10 ausgegebenen Schalterbetätigungssignale werden dem Ladeschalter 3 und dem Entladeschalter 5 über Treiber 11 und 12 zugeführt.The actuation of the charge switch 3 and the discharge switch 5 is caused by a control device 10 ; the switch actuation signals output by the control device 10 are fed to the charge switch 3 and the discharge switch 5 via drivers 11 and 12 .
Die Regeleinrichtung 10 öffnet und schließt den Ladeschalter 3 und den Entladeschalter 5 unter anderem in Abhängigkeit von der sich am piezoelektrischen Element 1 einstellenden Span nung und der Größe des Ladestromes bzw. Entladestromes; die sich am piezoelektrischen Element 1 einstellende Spannung erhält die Regeleinrichtung 10 von einer Spannungsmeßeinrich tung 13, und die Größe des Ladestromes bzw. Entladestromes von einer Strommeßeinrichtung 14.The control device 10 opens and closes the charge switch 3 and the discharge switch 5, inter alia, depending on the voltage which arises at the piezoelectric element 1 and the size of the charge current or discharge current; the voltage established at the piezoelectric element 1 is received by the control device 10 from a voltage measuring device 13 , and the size of the charging current or discharge current from a current measuring device 14 .
Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 werden so betä tigt, daß der Ladestrom bzw. der Entladestrom zwischen einem Maximalwert imax und einem Minimalwert imin Pendeln. Der Maxi malwert imax und der Minimalwert imin werden dabei so fest gelegt, daß das piezoelektrische Element 1 durch das Laden bzw. Entladen innerhalb einer bestimmten Zeit auf eine be stimmte Spannung gebracht wird.The charge switch 3 and the discharge switch 5 are actuated in such a way that the charge current or the discharge current oscillate between a maximum value i max and a minimum value i min . The maximum value i max and the minimum value i min are set so that the piezoelectric element 1 is brought to a certain voltage by loading or unloading within a certain time.
Wird das piezoelektrische Element wie vorliegend als Aktor in
einer Kraftstoff-Einspritzdüse eines Common Rail Injectors
einer Brennkraftmaschine eingesetzt, so variieren die be
stimmte Zeit und die bestimmte Spannung insbesondere in
Abhängigkeit von
If the piezoelectric element, as in the present case, is used as an actuator in a fuel injector of a common rail injector of an internal combustion engine, the specific time and the specific voltage will vary in particular as a function of
- 1. der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge, 1. the amount of fuel to be injected per injection process,
- 2. der Motordrehzahl,2. the engine speed,
- 3. dem Druck im Rail, und3. the pressure in the rail, and
- 4. der Motortemperatur.4. the engine temperature.
Der sich beim Laden des piezoelektrischen Elements ergebende Verlauf des Ladestromes und die sich als Folge dessen am piezoelektrischen Element einstellende Spannung sind in Fig. 6 veranschaulicht, wobei der Ladestromverlauf durch die Kurve B und der Spannungsverlauf durch die Kurve A repräsentiert werden.The course of the charging current which results during charging of the piezoelectric element and the voltage which is established as a result at the piezoelectric element are illustrated in FIG. 6, the charging current course being represented by curve B and the voltage course being represented by curve A.
Aus der Fig. 6 sind auch die Verhältnisse ersichtlich, die sich einstellen, wenn der Ladevorgang zum Zeitpunkt tA durch Öffnen und Geöffnetlassen des Ladeschalters 3 beendet wird.The ratios are shown in the Fig. 6, the selected when the charging time t A is stopped by opening and open allowing the charging switch 3.
Die Beendigung des Ladevorganges bewirkt, daß der Ladestrom auf Null zurückgeht. Wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, vollzieht sich der Rückgang des Ladestromes dabei jedoch nicht etwa sprungartig, sondern nur allmählich innerhalb einer Zeitspanne t0. Dies hat zur Folge, daß die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung auch nach dem Beenden des Ladevorganges weiter ansteigt, wobei dieser wei tere Anstieg andauert, bis der Ladestrom auf Null abgesunken ist; die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung steigt innerhalb der Zeitspanne t0 von der zum Zeitpunkt tA eingenommenen Größe UA auf den sich nicht mehr ändernden Wert UEnd.The termination of the charging process causes the charging current to drop to zero. As can be seen from FIG. 6, however, the drop in the charging current does not take place abruptly, but only gradually within a period of time t 0 . This has the consequence that the voltage which is established at the piezoelectric element continues to rise even after the end of the charging process, this further increase continuing until the charging current has dropped to zero; the established at the piezoelectric element clamping voltage increases within the time period t 0 of the time t A size occupied U A on the no longer changing value U End.
Entsprechendes gilt auch für das Entladen des piezoelektri schen Elements.The same applies to the discharge of the piezoelectric elements.
Die Regeleinrichtung 10 ist im vorliegend betrachteten Bei spiel dazu ausgelegt, das Laden des piezoelektrischen Ele ments (durch Öffnen und Geöffnetlassen des Ladeschalters 3) bzw. das Entladen des piezoelektrischen Elements (durch Öff nen und Geöffnetlassen des Entladeschalters 5) zu einem Zeit punkt zu beenden, zu dem davon ausgegangen werden kann, daß die Spannung UEnd, die sich durch das nach dem Beenden des Lade- bzw. Entladevorganges erfolgende weitere Laden bzw. Entladen des piezoelektrische Element ergibt, genau die ge wünschte Spannung ist, auf die das piezoelektrische Element durch das Laden bzw. Entladen desselben gebracht werden soll.The control device 10 in the present case is designed to end the loading of the piezoelectric element (by opening and leaving the charging switch 3 open) or the discharge of the piezoelectric element (by opening and leaving the discharge switch 5 open) at a time , to which it can be assumed that the voltage U End , which results from the further charging or discharging of the piezoelectric element after the end of the charging or discharging process, is precisely the desired voltage to which the piezoelectric element is brought by loading or unloading the same.
Dies wird im vorliegend betrachteten Beispiel dadurch reali siert, daß unter Berücksichtigung des momentanen (Ent-) Ladestromes i(t) und der sich momentan am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung up(t) fortlaufend die (End-) Spannung uEnd bestimmt wird, die sich ergeben würde, wenn der (Ent-)Ladevorgang durch Öffnen und Geöffnetlassen des (Ent-) Ladeschalters augenblicklich beendet werden würde, und daß der (Ent-)Ladevorgang beendet wird, sobald die End-Spannung uEnd die (Soll-)Spannung erreicht hat, auf die das piezoelek trische Element durch das (Ent-)Laden gebracht werden soll. Anders als in solchen Fällen üblich wird also nicht die mo mentane Ist-Spannung, sondern die im Voraus ermittelte End- Spannung uEnd mit der Soll-Spannung verglichen.In the example considered here, this is realized in that the (end) voltage u End is continuously determined taking into account the instantaneous (discharge) charging current i (t) and the voltage u p (t) currently occurring at the piezoelectric element, which would result if the (un) charging process was ended immediately by opening and leaving the (un) charging switch open, and that the (un) charging process was ended as soon as the end voltage u end the (target) Has reached voltage to which the piezoelectric element is to be brought by the (un) charging. Unlike in such cases, it is not the current actual voltage that is compared, but the final voltage u End determined in advance with the target voltage.
Die Ermittlung der End-Spannung uEnd basiert im vorliegend be
trachteten Beispiel auf der Erkenntnis, daß piezoelektrische
Elemente in erster Näherung kapazitives Verhalten aufweisen.
uEnd läßt sich damit aus
The determination of the final voltage u End is based in the example considered here on the knowledge that piezoelectric elements have capacitive behavior in a first approximation. u end up with it
berechnen, wobei
Cp die Kapazität des piezoelektrischen Elements,
i(t) den Ladestrom iL(t) bzw. den Entladestrom iE(t),
up0 die die sich zum Zeitpunkt tAdes des Öffnens und Geöffnet
lassens des (Ent-)Ladeschalters am piezoelektrischen
Element einstellende Spannung (die Spannung UA gemäß
Fig. 6),
tA den Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-)
Ladeschalters, und
t0 die Zeitspanne, innerhalb welcher der (Ent-)Ladestrom
nach dem Öffnen und Geöffnetlassens des (Ent-)Lade
schalters auf Null zurückgeht,
bezeichnen.calculate where
C p the capacitance of the piezoelectric element,
i (t) the charging current i L (t) or the discharging current i E (t),
u p0 the voltage which occurs at the time t A when the (un) charge switch is opened and opened at the piezoelectric element (the voltage U A according to FIG. 6),
t A the time of opening and leaving the (un) charge switch, and
t 0 the time span within which the (discharge) charge current drops to zero after the (discharge) charge switch has been opened and left open,
describe.
Da sich beim Laden nach dem Öffnen des Ladeschalters die in
Fig. 3 gezeigten Verhältnisse einstellen, lassen sich der
Ladestrom iL(t) und die sich am piezoelektrischen Element
einstellende Spannung up(t) zu
Since the conditions shown in FIG. 3 are established during charging after the charging switch is opened, the charging current i L (t) and the voltage u p (t) established at the piezoelectric element can be allowed
errechnen, wobei
i0 den Ladestrom zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnet
lassens des Ladeschalters, und
L die Induktivität der Spule 2
bezeichnen und
calculate where
i 0 the charging current at the time the charging switch is opened and left open, and
L the inductance of the coil 2
designate and
gilt.applies.
Damit errechnet sich die Zeitspanne t0, innerhalb welcher der
Ladestrom auf Null abgesunken ist, zu
The time period t 0 within which the charging current has dropped to zero is thus calculated
Setzt man iL(t) gemäß Gleichung (2), up(t) gemäß Gleichung
(3), und t0 gemäß Gleichung (5) in Gleichung (1) ein, so er
gibt sich die gesuchte End-Spannung uEnd zu
If i L (t) in accordance with equation (2), u p (t) in accordance with equation (3), and t 0 in accordance with equation (5) in equation (1), the end voltage u end sought is given to
Die End-Spannung uEnd ist eine Funktion des Ladestromes und der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des Ladeschal ters; sie kann entweder nach Gleichung (6) jeweils aktuell berechnet oder einer entsprechenden Zuordnungstabelle ent nommen werden.The final voltage u End is a function of the charging current and the voltage which is established at the piezoelectric element at the time the charging switch is opened and left open; it can either be calculated according to equation (6) or taken from a corresponding assignment table.
Die Ermittlung der sich beim Entladen des piezoelektrischen Elements einstellenden End-Spannung erfolgt analog zur Er mittlung der sich beim Laden des piezoelektrischen Elements einstellenden End-Spannung.The determination of when the piezoelectric is discharged Element-setting end voltage is analogous to the Er averaging itself when loading the piezoelectric element adjusting end tension.
Da sich beim Entladen nach dem Öffnen des Entladeschalters
die in Fig. 5 gezeigten Verhältnisse einstellen, lassen sich
der Entladestrom iE(t) und die sich am piezoelektrischen Ele
ment einstellende Spannung up(t) zu
Since the conditions shown in FIG. 5 are set when the discharge switch is opened after the discharge switch is opened, the discharge current i E (t) and the voltage u p (t) which is established at the piezoelectric element can be added
errechnen, wobei
CB die Kapazität des Kondensators 9,
i0 den Entladestrom zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnet
lassens des Entladeschalters,
L die Induktivität der Spule 2, und
UB0 die sich zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens
des Entladeschalters am Kondensator 9 einstellende Span
nung
bezeichnen und
calculate where
C B the capacitance of the capacitor 9 ,
i 0 the discharge current at the time the discharge switch is opened and left open,
L the inductance of the coil 2 , and
U B0 the voltage at the time of opening and opening of the discharge switch on the capacitor 9
designate and
gilt.applies.
Damit errechnet sich die Zeitspanne t0, innerhalb welcher der
Entladestrom auf Null abgesunken ist, zu
The time period t 0 within which the discharge current has dropped to zero is thus calculated
Setzt man iE(t) gemäß Gleichung (7), up(t) gemäß Gleichung (8), und t0 gemäß Gleichung (10) in Gleichung (1) ein, so läßt sich auch die sich beim Entladen zu erwartende End- Spannung exakt im voraus ermitteln.If i E (t) in accordance with equation (7), u p (t) in accordance with equation (8), and t 0 in accordance with equation (10) in equation (1), the end to be expected during discharge can also be used - Determine the tension exactly in advance.
Wie beim Laden des piezoelektrischen Elements kann die zu er mittelnde End-Spannung entweder aktuell berechnet oder einer entsprechenden Zuordnungstabelle entnommen werden.As with loading the piezoelectric element, it can be too average final voltage either currently calculated or one corresponding assignment table are taken.
Die sich beim Entladen einstellende End-Spannung hängt im Gegensatz zu der sich beim Laden einstellenden End-Spannung zusätzlich von der sich zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des Entladeschalters am Kondensator 9 ein stellenden Spannung UB0, also von insgesamt drei unabhängigen Variablen ab. Die Abhängigkeit von der Spannung UB0 kann je doch vernachlässigt werden, da diese Spannung gewöhnlich nur in einem sehr engen Spannungsbereich variiert und derartige Variationen keinen wesentlichen Einfluß auf die End-Spannung UEnd haben. Damit sind auch beim Entladen des piezoelektri schen Elements "nur" der Entladestrom und die sich am piezo elektrischen Element einstellende Spannung zu berücksichti gen.In contrast to the final voltage which arises during charging, the final voltage which arises during the discharge additionally depends on the voltage U B0 which occurs at the capacitor 9 at the time when the discharge switch is opened and left open, that is to say from a total of three independent variables. The dependence on the voltage U B0 can, however, be neglected, since this voltage usually only varies within a very narrow voltage range and such variations have no significant influence on the final voltage U End . This means that even when the piezoelectric element is discharged, "only" the discharge current and the voltage arising at the piezoelectric element must be taken into account.
Die Abhängigkeit der End-Spannung UEnd und der nach dem Be enden des (Ent-)Ladevorganges durch Öffnen und Geöffnetlassen des (Ent-)Ladeschalters erfolgenden Veränderung der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung vom (Ent-) Ladestrom und der sich am piezoelektrischen Element einstel lenden Spannung zum Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-)Ladeschalters sind in den Fig. 7 bis 10 als Kennlinienfelder dargestellt, wobei die Fig. 7 und 8 das Laden des piezoelektrischen Elements, und die Fig. 9 und 10 das Entladen des piezoelektrischen Elements betreffen.The dependency of the end voltage U End and the change in the voltage occurring at the piezoelectric element on the (discharge) charge current and on the piezoelectric after the end of the (discharge) charging process by opening and leaving the (discharge) charge switch open Element-setting voltage at the time of opening and leaving the (discharge) charge switch are shown in FIGS . 7 to 10 as characteristic diagrams, with FIGS. 7 and 8 the charging of the piezoelectric element, and FIGS. 9 and 10 the discharge of the piezoelectric element.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen deutlich, daß die sich einstel lende End-Spannung sehr stark vom (Ent-)Ladestrom zum Zeit punkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-)Ladeschalters abhängt und es folglich sehr bedeutsam ist, den Zeitpunkt des Öffnens und Geöffnetlassens des (Ent-)Ladeschalters nicht nur in Abhängigkeit von der sich momentan am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung, sondern auch vom momentanen (Ent-)Ladestrom abhängig zu machen. FIGS. 4 to 7 clearly show that viewed Adjustab loin end voltage very much on the (de-) charge current to the timing of the opening and open omission by the (de-) charging switch dependent and it is therefore very important, the time of opening and leaving the (discharge) charge switch open not only as a function of the voltage currently occurring at the piezoelectric element, but also as a function of the current (discharge) charge current.
In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß es nicht sinnvoll ist, den (Ent-)Ladestrom durch Verkleinern des Ban des, innerhalb dessen er pendeln kann, weniger schwanken zu lassen. Dann müßte nämlich der (Ent-)Ladeschalter häufiger und in kürzeren zeitlichen Abständen betätigt werden, was einen erheblichen Anstieg der Verlustleistung zur Folge hätte.In this context it should be borne in mind that it is not it makes sense to reduce the (un) charge current by reducing the ban that within which he can commute, fluctuate less to let. Then the (un) charge switch would have to be used more often and operated at shorter intervals, what result in a significant increase in power loss would have.
Das vorstehend beschriebene Laden und Entladen von piezoelek trischen Elementen erfolgte unter Verwendung einer Regelein richtung (der Regeleinrichtung 10). Wenn der (Ent-)Ladestrom und die sich am piezoelektrischen Element einstellende Span nung ohne aktuelle Messung derselben, also beispielsweise rechnerisch oder unter Verwendung einer Tabelle bestimmbar sind, so kann anstelle einer Regeleinrichtung auch eine Steuereinrichtung verwendet werden. Dies hätte den Vorteil, daß auf die Spannungsmeßeinrichtung 13 und die Strommeß einrichtung 14 verzichtet werden kann.The loading and unloading of piezoelectric elements described above was carried out using a control device (the control device 10 ). If the (discharge) charging current and the voltage which is established on the piezoelectric element can be determined without actual measurement of the same, for example, arithmetically or using a table, a control device can also be used instead of a control device. This would have the advantage that the voltage measuring device 13 and the current measuring device 14 can be dispensed with.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ermöglichen es unabhängig von den Einzelheiten der prakti schen Realisierung derselben, daß unter Verwendung derselben zu ladende oder zu entladende piezoelektrische Elemente exakt wunschgemäß weit geladen und entladen werden können.The described method and the described device allow it regardless of the details of the practical realization of the same, using the same piezoelectric elements to be charged or discharged exactly can be loaded and unloaded as required.
Claims (8)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19814594A DE19814594A1 (en) | 1998-04-01 | 1998-04-01 | Charging and discharging piezoelectric element to desired voltage |
| JP11089119A JPH11354853A (en) | 1998-04-01 | 1999-03-30 | Method and apparatus for charging and discharging piezoelectric element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19814594A DE19814594A1 (en) | 1998-04-01 | 1998-04-01 | Charging and discharging piezoelectric element to desired voltage |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19814594A1 true DE19814594A1 (en) | 1999-10-07 |
Family
ID=7863238
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19814594A Withdrawn DE19814594A1 (en) | 1998-04-01 | 1998-04-01 | Charging and discharging piezoelectric element to desired voltage |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11354853A (en) |
| DE (1) | DE19814594A1 (en) |
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