DE19854789A1 - Method and device for loading and unloading a piezoelectric element - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10, d. h. ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a Device according to the preamble of the claim 10, d. H. a method and apparatus for loading and discharging a piezoelectric element.
Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Elementen handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließlich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelektrische 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 ones considered in more detail here Elements are particularly, but not exclusively to act as actuators used piezoelectric elements. Piezoelectric Elements can be used for such purposes, because they are known to have the property depending on a voltage applied to it contract or expand.
Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezoelektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vorteil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häufige Bewegungen auszuführen hat.The practical implementation of actuators Piezoelectric elements in particular prove to be then advantageous if the actuator in question has to make fast and / or frequent 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 Actuator proves itself among other things with fuel Injection nozzles for internal combustion engines as advantageous. For the use of piezoelectric elements in Fuel injectors, for example, are based on the EP 0 371 469 B1 and EP 0 379 182 B1.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche sich, wie vorstehend bereits angedeutet wurde, entsprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran einstellenden oder angelegten Spannung zusammenziehen und ausdehnen.Piezoelectric elements are capacitive consumers, which, as already indicated above, according to the respective state of charge or voltage that adjusts or is applied to it contract and expand.
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 auftretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden Entladestrom zu begrenzen. Eine solche Anordnung ist in Fig. 7 veranschaulicht.The charging and discharging of a piezoelectric element can take place, inter alia, via a component having inductive properties such as, for example, a coil, this coil primarily serving to limit the charging current occurring during charging and the discharging current occurring during discharging. Such an arrangement is illustrated in FIG. 7.
Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element ist in der Fig. 7 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet. Es ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 102 schließbaren Ladestromkreises und eines über einen Entladeschalter 106 schließbaren Entladestromkreises, wobei der Ladestromkreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters 102, einer Diode 103, einer Ladespule 104, des piezoelektrischen Elements 101, und einer Spannungsquelle 105 besteht, und wobei der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des Entladeschalters 106, einer Diode 107, einer Entladespule 108 und des piezoelektrischen Elements 101 besteht.The piezoelectric element to be charged or discharged is designated by reference number 101 in FIG. 7. It is part of a charging circuit that can be closed via a charging switch 102 and a discharging circuit that can be closed via a discharging switch 106 , the charging circuit consisting of 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 Ladestromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom fließen kann. Die Diode 103 und der Ladeschalter 102 sind gemeinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.The diode 103 of the charging circuit prevents a current discharging the piezoelectric element from flowing in the charging circuit. The diode 103 and the charging switch 102 can be implemented together as a semiconductor switch.
Die Diode 107 des Entladestromkreises verhindert, daß im Entladestromkreis ein das piezoelektrische Element ladender Strom fließen kann. Die Diode 107 und der Ladeschalter 106 sind wie die Diode 103 und der Ladeschalter 102 gemeinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.The diode 107 of the discharge circuit prevents a current charging the piezoelectric element from flowing in the discharge circuit. The diode 107 and the charging switch 106 , like the diode 103 and the charging switch 102, can be implemented together as a semiconductor switch.
Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 102 geschlossen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 geladen wird; die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen 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 in the charging circuit, through which the piezoelectric element 101 is charged; the charge stored in the piezoelectric element 101 or the voltage resulting therefrom and thus also the current external dimensions of the piezoelectric element 101 are retained essentially unchanged after the latter has been charged.
Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter 106 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Entladestrom, durch welchen das piezoelektrische Element 101 entladen wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements 101 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezo elektrischen Elements 101 werden nach dem Entladen desselben im wesentlichen unverändert beibehalten.If the normally open discharge switch 106 is closed, a discharge current flows in the discharge circuit, through which the piezoelectric element 101 is discharged; the state of charge of the piezoelectric element 101 and which at this voltage by adjusting the current and thus also the external dimensions of the piezoelectric element 101 after unloading thereof substantially unchanged.
Durch die in der Fig. 7 gezeigte Anordnung läßt sich das piezoelektrische Element 101 mit relativ geringem Aufwand laden und entladen.Due to the arrangement shown in FIG. 7, the piezoelectric element 101 can be charged and discharged with relatively little effort.
Allerdings ist es bei dieser und anderen Anordnungen zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen bislang noch nicht gelungen, das Laden und Entladen so ablaufen zu lassen, daß der Ladezustand des piezoelektrischen Elements nach dem Laden und Entladen desselben und/oder die Zeit, während welcher das piezoelektrische Element geladen oder entladen werden muß, um einen bestimmten Ladungszustand zu erreichen, immer und überall genau die gewünschten Werte annehmen.However, it is with this and other arrangements for loading and unloading piezoelectric elements so far not been able to load and unload like this to let the charge state of the piezoelectric element after charging and discharging the same and / or the time during which the piezoelectric element can be charged or discharged must, in order to achieve a certain state of charge, always take exactly the desired values everywhere.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 derart weiterzubilden, daß das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen stets wunschgemäß schnell und weit durchgeführt werden kann.The present invention is therefore based on the object based on the procedure according to the preamble of Claim 1 or the device according to the Preamble of claim 10 such to train that loading and unloading piezoelectric elements always fast as desired and can be done widely.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) und durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 10 (Vorrichtung) beanspruchten Merkmale gelöst.This object is achieved by the im characterizing part of claim 1 (method) and by the in the characteristic part of the Claim 10 (device) claimed features solved.
Demnach ist vorgesehen,
Accordingly, it is provided
- - daß der das piezoelektrische Element ladende Ladestrom bzw. der das piezoelektrische Element entladende Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des piezoelektrischen Elements eingestellt wird (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 1) bzw.- That the loading the piezoelectric element Charging current or the piezoelectric element discharging discharge current taking into account the Capacitance of the piezoelectric element set is (characterizing part of claim 1) or
- - daß eine Steuer- oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche dazu ausgelegt ist, den das piezoelektrische Element ladenden Ladestrom bzw. den das piezoelektrische Element entladenden Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des piezoelektrischen Elements einzustellen (kennzeich nender Teil des Patentanspruchs 10).- That a control or regulating device is provided which is designed for the piezoelectric element charging current or the discharge current discharging the piezoelectric element considering the capacity of the to set the piezoelectric element (marked nender part of claim 10).
Dadurch können Einflüsse von Toleranzen, Veränderungen und Schwankungen der Kapazität des piezoelektrischen Elements auf den Umfang und die Geschwindigkeit des Ladens und Entladens desselben eliminiert werden. Dies ist sehr bedeutsam, weil die Kapazität des piezoelektrischen Elements und damit auch die sich beim Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements einstellende Spannung bzw. die Zeit, während welcher das piezoelektrische Element geladen bzw. entladen werden muß, um eine vorbestimmte Spannung zu erreichen, und schließlich auch die durch das Laden bzw. Entladen bewirkte Längenänderung des piezoelektrischen Elements stark von verschiedenerlei Faktoren wie beispielsweise der Temperatur, der vom piezoelektrischen Element aufzubringenden Kraft, dem Alter des piezoelektrischen Elements etc. abhängen. Durch die Eliminierung dieser Abhängigkeiten kann erreicht werden, daß der Ladezustand des piezoelektrischen Elements nach dem Laden und Entladen desselben und/oder die Zeit, während welcher das piezoelektrische Element geladen oder entladen werden muß, um einen bestimmten Ladungszustand zu erreichen, immer und überall genau die gewünschten Werte annehmen.This can influence tolerances, changes and fluctuations in the capacitance of the piezoelectric Element on the scope and speed of the Loading and unloading of the same can be eliminated. This is very significant because of the capacity of the piezoelectric element and thus also the Charging and discharging the piezoelectric element adjusting voltage or the time during which charged or discharged the piezoelectric element to reach a predetermined voltage, and finally also by loading or unloading caused change in length of the piezoelectric element strongly of various factors such as the temperature from the piezoelectric element force to be applied, the age of the piezoelectric Elements etc. By eliminating this Dependencies can be achieved that the State of charge of the piezoelectric element after Loading and unloading the same and / or the time during which charged the piezoelectric element or must be discharged to a certain state of charge to achieve exactly the desired, always and everywhere Accept values.
Dies erweist sich in zweifacher Hinsicht als vorteilhaft: einerseits, weil das piezoelektrische Element das dieses enthaltende System immer exakt gleich anregt, und andererseits weil dadurch verhindert wird, daß das das piezoelektrische Element enthaltende System aufgrund von Abweichungen vom wunschgemäßen Bewegungsablauf des piezoelektrischen Elements (zu schnelles oder zu langsames und/oder zu weites oder zu geringes Ausdehnen oder Zusammenziehen desselben) in Schwingungen versetzt wird.This proves to be twofold advantageous: on the one hand, because the piezoelectric Element that system containing this always exactly stimulates immediately, and on the other hand because it prevents it that the piezoelectric element containing System due to deviations from the desired Sequence of movements of the piezoelectric element (zu fast or too slow and / or too far or too slight expansion or contraction) Vibrations is set.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der folgenden Beschreibung und den Figuren entnehmbar.Advantageous developments of the invention are the Subclaims, the following description and the Figures can be removed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigenThe invention is based on Embodiments with reference to the Drawing explained in more detail. Show it
Fig. 1 zwei Anordnungen zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements mit einstellbarem Lade- bzw. Entladestrom, Fig. 1 shows two arrangements for charging and discharging a piezoelectric element with adjustable charge or discharge,
Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 3 geschlossen) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden Verhältnisse, FIG. 2 shows an illustration for explaining the conditions that occur during a first charging phase (charging switch 3 closed) in the arrangement according to FIG. 1, FIG.
Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 3 wieder geöffnet) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellenden Verhältnisse, Fig. 3 is a diagram for explaining the up (opened again charge switch 3) during a second charging phase in the arrangement according to FIG. 1, adjusting conditions,
Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der sich während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 5 geschlossen) in der Anordnung nach Fig. 1 einstellen den Verhältnisse, Fig. 4 is a diagram for explaining (closed discharge switch 5) during a first discharging phase set in the arrangement according to Fig. 1 of the ratios,
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 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und Stromverläufen, Fig. 6 shows the time course of in operation of the arrangement of FIG. 1-adjusting voltage and current profiles,
Fig. 7 eine herkömmliche Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, und Fig. 7 shows a conventional arrangement for charging and discharging a piezoelectric element, and
Fig. 8 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der Anordnung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und Stromverläufen. FIG. 8 shows the time course of voltage and current courses occurring during operation of the arrangement according to FIG. 1.
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 piezoelektrischen 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 is described in more detail below for example as actuators in fuel Injection nozzles (especially in so-called common rails Injectors) of internal combustion engines. On such use of the piezoelectric elements however, there is no restriction; the piezoelectric elements can basically in any device for any purpose be used.
Es wird davon ausgegangen, daß sich die piezoelektrischen Elemente im Ansprechen auf das Laden ausdehnen und im Ansprechen auf das Entladen zusammenziehen. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt ist.It is assumed that the piezoelectric elements in response to charging expand and in response to unloading contract. The invention is self-evident however, it can also be used when the reverse is the case is.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung zeichnen sich unter anderem dadurch aus, daß der das piezoelektrische Element ladende Ladestrom und der das piezoelektrische Element entladende Entladestrom unter Berücksichtigung der Kapazität des piezoelektrischen Elements eingestellt werden.The described method and the described Among other things, devices are characterized by that the charging current charging the piezoelectric element and the one that discharges the piezoelectric element Discharge current taking into account the capacity of the piezoelectric element can be adjusted.
Eine Anordnung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements mit einstellbarem Lade- und Entladestrom ist in Fig. 1 gezeigt und wird nachfolgend unter Bezugnahme darauf beschrieben.An arrangement for charging and discharging a piezoelectric element with an adjustable charge and discharge current is shown in FIG. 1 and is described below with reference to it.
Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel zu laden gilt, ist in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.The piezoelectric element which is to be charged in the example under consideration is designated by the reference symbol 1 in FIG. 1.
Wie aus der Fig. 1a ersichtlich ist, liegt der eine der Anschlüsse des piezoelektrischen Elements 1 dauerhaft auf Masse (ist mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle verbunden), wohingegen der andere der Anschlüsse des piezoelektrischen Elements über eine (zugleich als Ladespule und Entladespule wirkende) Spule 2 und eine Parallelschaltung aus einem Lade schalter 3 und einer Diode 4 mit dem zweiten Pol der Spannungsquelle und über die Spule 2 und eine Parallel schaltung aus einem Entladeschalter 5 und einer Diode 6 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden ist.As can be seen from FIG. 1a, one of the connections of the piezoelectric element 1 is permanently grounded (is connected to a first pole of a voltage source), whereas the other of the connections of the piezoelectric element is connected via a (which also acts as a charging coil and a discharge coil) Coil 2 and a parallel circuit of a charging switch 3 and a diode 4 with the second pole of the voltage source and via the coil 2 and a parallel circuit of a discharge switch 5 and a diode 6 is connected to the first pole of the voltage source.
Die Spannungsquelle besteht aus einer Batterie 7 (beispielsweise 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 umgesetzt 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. This arrangement converts the battery voltage (for example 12 V) into an essentially any other DC voltage and provides it as a supply voltage.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in Fig. 1b dargestellt. Bereits in Fig. 1a beschriebene Elemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist zwischen den Schaltern 3 und 5 und dem piezoelektrischen Element ein Filtermittel 10 und eine Diode 20 angeordnet. Die Anode der Diode 20 ist mit dem einen Anschluß des piezoelektrischen Elements 1 verbunden. Die Kathode der Diode 20 ist mit der Spule 2 verbunden. Das Filtermittel 20 ist zum einen mit den beiden Anschlüssen der Diode 20 und zum anderen mit den beiden Anschlüssen der Diode 6 verbunden.A particularly advantageous embodiment is shown in Fig. 1b. Elements already described in FIG. 1a are identified by corresponding reference symbols. In this embodiment, a filter means 10 and a diode 20 are arranged between the switches 3 and 5 and the piezoelectric element. The anode of the diode 20 is connected to one terminal of the piezoelectric element 1 . The cathode of the diode 20 is connected to the coil 2 . The filter means 20 is connected on the one hand to the two connections of the diode 20 and on the other hand to the two connections of the diode 6 .
Das am Ausgang der Endstufe geschaltete Filtermittel bewirkt eine Glättung der Stromverläufe und der Spannungsverläufe. Hierdurch ergibt sich ein Verlauf des Stroms und der Spannung entsprechend einer Schwingkreisansteuerung. Dadurch können die elektromagnetischen Störungen minimiert werden. Die beim Abschalten des Ladeschalters 3 und/oder des Endladeschalters 5 auftretenden Spitzen im Stromverlauf werden dadurch geglättet. The filter means connected at the output of the output stage smoothes the current profiles and the voltage profiles. This results in a profile of the current and the voltage in accordance with an oscillation circuit control. This allows the electromagnetic interference to be minimized. The peaks in the current profile which occur when the charging switch 3 and / or the discharge switch 5 are switched off are thereby smoothed.
Die Diode 20 besitzt eine Schutzfunktion. Die Diode 20 verhindert negative Spannungen, die das piezoelektrische Element beschädigen können.The diode 20 has a protective function. The diode 20 prevents negative voltages that can damage the piezoelectric element.
In der dargestellten Ausführungsform umfaßt das Filtermittel 20 eine Induktivität, die in Reihe mit der Spule 2 geschaltet ist. Ferner ist eine Kapazität 11 parallel zu den Dioden 20 bzw. 6 geschaltet.In the embodiment shown, the filter means 20 comprises an inductance which is connected in series with the coil 2 . Furthermore, a capacitance 11 is connected in parallel to the diodes 20 and 6 , respectively.
Bei einer vereinfachten Ausführungsform kann die Induktivität 12 auch weggelassen werden. Dies gilt auch für die Diode 20.In a simplified embodiment, the inductor 12 can also be omitted. This also applies to the diode 20 .
Bauelemente können auch dadurch eingespart werden, daß die Spule 2 und die Induktivität 12 eine bauliche Einheit bilden, das heißt, daß lediglich eine Spule mit einem Mittelabgriff vorgesehen ist.Components can also be saved in that the coil 2 and the inductor 12 form a structural unit, that is to say that only one coil with a center tap is provided.
Das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 erfolgen im betrachteten Beispiel getaktet. D.h., der Ladeschalter 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 discharging 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.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 .
Der Ladeschalter 3 und der Entladeschalter 5 sind, wenn und solange kein Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 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 Ladungszustand 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 the piezoelectric element 1 is not being charged or discharged. 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 Energiefluß in die Spule 2 wird dabei durch die positive Potentialdifferenz zwischen dem Kondensator 9 und dem piezoelektrischen 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 circuit comprising 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 brought about 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. 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. That is, 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 .
Entsprechend der Energiezufuhr zum piezoelektrischen Element erhöhen sich die an diesem einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen. Nach erfolgtem Energietransport von der Spule 2 zum piezoelektrischen Element 1 ist wieder der vorstehend bereits erwähnte stationäre Zustand der Schaltung nach Fig. 1 erreicht.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 reached again.
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 Energie und die neu zugeführte Energie summieren sich), und dementsprechend 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. When the charging switch 3 is closed and opened again, the energy stored in the piezoelectric element 1 increases (the energy already stored in the piezoelectric element and the newly supplied energy add up), and accordingly the voltage established at the piezoelectric element and its external dimensions increase .
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 während einer vorbestimmten Zeit und/oder 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 for a predetermined time and / or a predetermined number of times and / or the piezoelectric element 1 has reached the desired charging 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 Energietransfer 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 in the figure, 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 Element 1, dem Kondensator 9, der Diode 4 und der Spule 2 bestehender 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 Kondensator 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. That is, a closed circuit consisting of a series connection of the piezoelectric element 1 , the capacitor 9 , the diode 4 and the coil 2 is formed, in which a current i EA (t), as indicated in the figure, 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 gewünschten zeitlichen Verlauf des Entladevorgangs) wird der Entladeschalter 5 erneut geschlossen und wieder geöffnet, wobei 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 piezoelektrischen Element einstellende Spannung und dessen äußere Abmessungen 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, the processes described above being repeated. As a result of the closing and opening of the discharge switch 5 again , the energy stored in the piezoelectric element 1 continues to decrease, and accordingly the voltage established at the piezoelectric element and its external dimensions also decrease.
Wiederholt man das beschriebene Schließen und Öffnen des Entladeschalters 5 eine Vielzahl von Malen, so nehmen die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise ab (siehe hierzu die Kurve A in der Fig. 6).If the described closing and opening of the discharge switch 5 is repeated a number of times, the voltage which arises at the piezoelectric element and the expansion of the piezoelectric element gradually decrease (see curve A in FIG. 6).
Wurde der Entladeschalter 5 während einer vorbestimmten Zeit und/oder eine vorbestimmte Anzahl von Malen geschlossen und geöffnet und/oder hat das piezoelektrische 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 for a predetermined time and / or a predetermined number of times and / or the piezoelectric element has reached the desired discharge state, 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. Dies gilt nicht nur für die in der Fig. 1 gezeigte Anordnung, sondern für alle Anordnungen, durch welche ein vergleichbares Laden und/oder Entladen von piezoelektrischen Elementen durchführbar ist; die besagten Anordnungen müssen dabei im wesentlichen "nur" für ein getaktetes Laden und Entladen eines oder auch mehrerer piezoelektrischer Elemente geeignet sein.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 . This applies not only to the arrangement shown in FIG. 1, but to all arrangements by means of which a comparable charging and / or discharging of piezoelectric elements can be carried out; the said arrangements essentially have to be "only" suitable for clocked charging and discharging of one or more piezoelectric elements.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß Anordnungen nach Art der Fig. 7 nicht für ein getaktetes Laden und/oder Entladen von piezoelektrischen Elementen ausgelegt sind. Dort wirken die Lade- und Entladespulen nämlich als das induktive Element eines im Zusammenwirken mit dem piezoelektrische Element gebildeten LC- Reihenschwingkreises, wobei die Induktivität des induktiven Elements und die Kapazität des piezoelektri schen Elements allein den Verlauf und den Umfang des Ladens und des Entladens bestimmen (geladen und entladen werden kann jeweils nur mit der ersten Stromhalbwelle der ersten Schwingkreisschwingung, denn ein Weiterschwingen des Schwingkreises wird durch die im Ladestromkreis und Entladestromkreis enthaltenen Dioden unterbunden).At this point it should be noted that arrangements of the type shown in FIG. 7 are not designed for clocked charging and / or discharging of piezoelectric elements. There, the charging and discharging coils 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 solely determining the course and extent of the charging and discharging ( Charging and discharging can only be carried out with the first current half-wave of the first resonant circuit oscillation, because the oscillating circuit is prevented from oscillating further by the diodes contained in the charging and discharging circuits).
Im Gegensatz hierzu wird bei zum getakteten Laden und Entladen ausgelegten Anordnungen (beispielsweise bei Anordnungen nach Art der Fig. 1) die Spule (oder ein anderes induktive Eigenschaften aufweisendes Element) als ein Energie-Zwischenspeicher verwendet, der abwechselnd von der Stromversorgungsquelle (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 elektrischen Verbraucher (beim Entladen) abgibt, wobei die Zeit punkte und die Dauer (und damit auch der Umfang) der Energiespeicherung und der Energieabgabe durch die Schalterbetätigung(en) bestimmt werden.In contrast to this, in the case of arrangements designed for clocked charging and discharging (for example in the case of arrangements of the type shown in FIG. 1), the coil (or another element having inductive properties) is used as an energy buffer, which is alternately connected to the power supply source (during charging). or from the piezoelectric element (when discharging) supplied electrical energy (in the form of magnetic 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 store or emits an electrical consumer (when unloading), the points in time and the duration (and thus also the extent) of the energy storage and the energy delivery being determined by the switch actuation (s).
Dadurch kann das piezoelektrische Element in beliebig vielen, beliebig großen und in beliebigen zeitlichen Abständen aufeinanderfolgenden Stufen wunschgemäß weit geladen und entladen werden.This allows the piezoelectric element in any many, any size and in any time Intervals between successive levels as desired be loaded and unloaded.
Nutzt man die gegebenen Möglichkeiten dahingehend aus, daß man die Schalter derart wiederholt öffnet und schließt, daß das piezoelektrische Element durch einen vorgegebenen mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung gebracht wird, so können das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen schonend für diese und einfach an die individuellen und wechselnden Verhältnisse anpaßbar durchgeführt werden.If you take advantage of the possibilities, that the switches are opened repeatedly and concludes that the piezoelectric element by a predetermined average charge or discharge current to a predetermined voltage is brought, so the charging and the discharge of piezoelectric elements gentle on these and easy on the individual and changing conditions can be carried out adaptable.
Die Betätigung des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 erfolgt durch eine in der Fig. 1 nicht gezeigte Steuer- oder Regeleinrichtung. Diese Steuer- oder Regeleinrichtung führt ein derartiges Öffnen und Schließen des Ladeschalters 3 und des Entladeschalters 5 durch, daß das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element dadurch unter Einhaltung eines vorgegebenen mittleren (Lade- bzw. Entlade-)Stromflusses auf eine vorgegebene Spannung gebracht wird.The charge switch 3 and the discharge switch 5 are actuated by a control or regulating device (not shown in FIG. 1). This control or regulating device performs such an opening and closing of the charging switch 3 and the discharge switch 5 in such a way that the piezoelectric element to be charged or discharged is brought to a predetermined voltage in compliance with a predetermined mean (charge or discharge) current flow becomes.
Hierzu werden der Ladeschalter 3 bzw. der Entladeschalter 5 zu bestimmten Zeitpunkten geöffnet und geschlossen, wobei sich die Zeiten, während welcher die jeweiligen Schalter geschlossen sind, und die Zeiten, während welcher die jeweiligen Schalter geöffnet sind, gleich oder unterschiedlich lang sein können und selbst innerhalb eines jeweiligen Lade- bzw. Entladevorganges beliebig verändert werden können.For this purpose, the charge switch 3 and the discharge switch 5 are opened and closed at certain times, 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 even can be changed as required within a respective loading or unloading process.
Der Lade- bzw. Entladestrom, der sich dabei einstellen soll, wird im betrachteten Beispiel unter Berücksichtigung der Kapazität des zu ladenden bzw. zu entladenden piezoelektrischen Elements festgelegt, wobei jedoch der Ladestrom und der Entladestrom während eines jeweiligen Lade- bzw. Entladevorganges im wesentlichen konstant gehalten werden; gegebenenfalls erforderliche Veränderungen des Lade- und/oder Ent ladestromes können bei Bedarf aber auch während eines Lade- bzw. Entladevorganges durchgeführt werden.The charging or discharging current that arises in the example under consideration Taking into account the capacity of the load to be loaded discharging piezoelectric element, however, the charging current and the discharging current during of a respective loading or unloading process in be kept substantially constant; possibly required changes to the loading and / or ent charging currents can also be used during a Charging or discharging can be carried out.
Die Kapazität des piezoelektrischen Elements, in Abhängigkeit von welcher der Ladestrom bzw. der Entladestrom verändert werden, wird im betrachteten Beispiel nicht direkt gemessen, sondern über das Ausmaß bestimmt, um das sich das piezoelektrische Element beim Laden bzw. Entladen desselben ausdehnt bzw. zusammenzieht. Dabei macht man von der Erkenntnis Ge brauch, daß die durch das Laden bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements verursachte Längenänderung desselben proportional zu der sich durch das Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elementes dort einstellenden Spannung ist, und daß die Spannung, die sich am piezoelektrischen Element einstellt, wenn dieses eine bestimmte Zeit mit einem bestimmten Strom geladen oder entladen wird, im wesentlichen aus schließlich von der Kapazität des piezoelektrischen Elementes abhängt.The capacitance of the piezoelectric element, in Depending on which of the charging current or the Discharge current can be changed in the considered Example not measured directly, but by extent determined by which the piezoelectric element at Expanding or unloading the same contracts. Here one makes of the knowledge Ge need that by loading or unloading the Piezoelectric element caused length change same proportionate to that resulting from loading or Discharge the piezoelectric element there adjusting voltage, and that the voltage that adapts to the piezoelectric element if this a certain time with a certain current is essentially loaded or unloaded finally on the capacitance of the piezoelectric Element depends.
Der Zusammenhang zwischen der Längenänderung des
piezoelektrischen Elements, der sich am
piezoelektrischen Element einstellenden Spannung, und
der Kapazität des piezoelektrischen Elements läßt sich
mathematisch durch
The relationship between the change in length of the piezoelectric element, the voltage established at the piezoelectric element, and the capacitance of the piezoelectric element can be mathematically explained
ausdrücken, wobei
Δl die Längenänderung am piezoelektrischen Element
d33 die piezoelektrische Ladungskonstante
u die sich am piezoelektrischen Element
einstellende Spannung
Cp die Kapazität des piezoelektrischen Elements
in der (Ent-)Ladestrom beim aktuellen (Ent-)
Ladevorgang, und
tn die (Ent-)Ladezeit beim aktuellen (Ent-)
Ladevorgang
repräsentieren.express where
Δl is the change in length on the piezoelectric element
d 33 is the piezoelectric charge constant
u the voltage established at the piezoelectric element
C p is the capacitance of the piezoelectric element
i n the (discharge) charging current during the current (discharge) charging process, and
t n the (un) charging time for the current (un) charging process
represent.
Entspricht die Längenänderung, die das piezoelektrische Element beim Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements mit einem vorbestimmten Lade- oder Entladestrom nach einer bestimmten Zeit erreicht, nicht einem Soll-Wert, so wird aus der Abweichung des Ist- Wertes vom Soll-Wert ein Korrekturfaktor berechnet, mit dem der verwendete Lade- oder Entladestrom multipliziert werden muß, um den Strom zu ermitteln, mit dem das piezoelektrische Element die vorbestimmte Zeit geladen oder entladen werden muß, um die Soll- Längenänderung zu erfahren; der zu verwendende Lade- oder Entladestrom kann selbstverständlich auch durch Nachschlagen in einer entsprechenden Tabelle oder auf sonstige Art und Weise ermittelt werden. Um zu große Sprünge im Lade- bzw. Entladestrom zu vermeiden, können Dämpfungsfaktoren und/oder Schwellenwerte für den Korrekturfaktor und/oder den Lade- oder Entladestrom vorgesehen werden.Corresponds to the change in length that the piezoelectric Element when loading or unloading the piezoelectric Elements with a predetermined loading or Discharge current reached after a certain time, not a target value, the deviation of the actual Value of the target value a correction factor is calculated with which the charging or discharging current used must be multiplied to determine the current with which the piezoelectric element the predetermined Time must be loaded or unloaded in order to Experience length change; the load to be used or discharge current can of course also through Look up in an appropriate table or on other ways can be determined. Too big To avoid jumps in the charging or discharging current Damping factors and / or threshold values for the Correction factor and / or the charging or discharging current be provided.
Noch einfacher ist es, wenn die Anpassung des Lade-
bzw. Entladestromes an die Kapazität des
piezoelektrischen Elements nicht basierend auf der
Längenänderung des piezoelektrischen Elements, sondern
basierend auf der Zeit erfolgt, während welcher das
piezoelektrische Element geladen bzw. entladen werden
muß, bis sich an diesem eine vorbestimmte Spannung
einstellt. Der besagte Korrekturfaktor, mit dem der
beim (n-1)ten Lade- bzw. Entladevorgang verwendete
Strom in-1 multipliziert werden muß, um zu ermitteln,
mit welchem Strom in das piezoelektrische Element beim
nächsten (n-ten) Lade- oder Entladevorgang die
vorbestimmte Zeit geladen oder entladen werden muß, um
auf die vorbestimmte Spannung gebracht zu werden,
ergibt sich dann zu
It is even easier if the adaptation of the charging or discharging current to the capacitance of the piezoelectric element is not based on the change in length of the piezoelectric element, but based on the time during which the piezoelectric element has to be charged or discharged until sets a predetermined voltage there. The said correction factor by which the current i n-1 used in the (n-1) th charging or discharging process must be multiplied in order to determine the current i n with which the piezoelectric element is charged during the next (n th) charging or discharge process the predetermined time must be charged or discharged in order to be brought to the predetermined voltage, then results in
wobei
tn-1 die Zeit ist, während welcher das
piezoelektrische Element mit dem Strom in-1 geladen oder
entladen werden mußte, um auf die vorbestimmte Spannung
gebracht zu werden, und
tsoll die Zeit ist, nach welcher das piezoelektrische
Element beim Laden oder Entladen auf die vorbestimmte
Spannung gebracht sein sollte.in which
t n-1 is the time during which the piezoelectric element had to be charged or discharged with the current i n-1 in order to be brought to the predetermined voltage, and
t should be the time after which the piezoelectric element should be brought to the predetermined voltage during charging or discharging.
D.h., der beim n-ten Lade- oder Entladevorgang zu
verwendende Lade- bzw. Entladestrom in errechnet sich
zu
That is, the charging or discharging current i n to be used in the nth charging or discharging process is calculated
Auch hier können natürlich Dämpfungsfaktoren oder Schwellenwerte für den Korrekturfaktor und/oder den Lade- oder Entladestrom vorgesehen werden.Here, too, damping factors or Threshold values for the correction factor and / or the Charging or discharging current can be provided.
Die Anpassung des Lade- bzw. Entladestromes an die Kapazität des zu ladenden oder zu entladenden piezoelektrischen Elementes basierend auf der Zeit, die zum Erreichen einer vorbestimmten Spannung benötigt wird, ist einfacher als eine Anpassung basierend auf der Längenänderung des piezoelektrischen Elements, weil die Messung von Spannung und Zeit einfacher ist als die Messung der Längenänderung des piezoelektrischen Elements.The adaptation of the charging or discharging current to the Capacity of the load or unload piezoelectric element based on the time needed to reach a predetermined voltage is easier than an adjustment based on the change in length of the piezoelectric element because measuring voltage and time is easier than that Measurement of the change in length of the piezoelectric Elements.
Unabhängig davon, worauf die Anpassung basiert, kann
erreicht werden, daß das piezoelektrische Element durch
das Laden und Entladen während einer vorbestimmten Zeit
eine vorbestimmte Längenänderung erfährt. Dies ist sehr
vorteilhaft, weil
Regardless of what the adaptation is based on, it can be achieved that the piezoelectric element undergoes a predetermined change in length during charging and discharging for a predetermined time. This is very beneficial because
- 1) das piezoelektrische Element das dieses enthaltende System immer exakt gleich anregt, und 1) the piezoelectric element this containing system always excites exactly the same, and
- 2) dadurch verhindert wird, daß das das piezoelektrische Element enthaltende System aufgrund von Abweichungen vom wunschgemäßen Bewegungsablauf des piezoelektrischen Elements (zu schnelles oder zu langsames und/oder zu weites oder zu geringes Ausdehnen oder Zusammenziehen desselben) in Schwingungen versetzt wird.2) is prevented that the System containing piezoelectric element of deviations from the desired movement sequence of the piezoelectric element (too fast or too fast Slow and / or too far or too little expansion or contracting the same) vibrated becomes.
Daß der so festgelegte Lade- bzw. Entladestrom tatsächlich auch fließt, kann durch eine Steuereinrichtung oder eine Regeleinrichtung erreicht werden, wobei der Stromfluß jedoch sowohl bei der Steuerung als auch bei der Regelung durch ein entsprechend häufiges und langes Öffnen und Schließen des Ladeschalters bzw. des Entladeschalters eingestellt wird.That the charging or discharging current determined in this way can actually flow through one Control device or a control device reached be, but the current flow at both Control as well as in the regulation by a accordingly frequent and long opening and closing of the charge switch or the discharge switch becomes.
Im Ergebnis gelangt man sowohl bei der Steuerung als auch bei der Regelung zu einem Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements wie es in Fig. 6 beispielhaft veranschaulicht ist.As a result, charging and discharging of the piezoelectric element is achieved both in the control and in the regulation, as is exemplarily illustrated in FIG. 6.
In der Fig. 6 repräsentiert
Represented in Fig. 6
- - die mit A bezeichnete Kurve den Verlauf der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung,- The curve labeled A the course of the piezoelectric element adjusting voltage,
- - die mit B bezeichnete Kurve den Ladestrom bzw. den Entladestrom, durch den das piezoelektrische Element geladen bzw. entladen wird,- The curve labeled B the charging current or the Discharge current through which the piezoelectric element is loaded or unloaded,
- - die mit C bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Ladeschalters, und - The curve labeled C the switching state of the Charging switch, and
- - die mit D bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Entladeschalters.- The curve labeled D the switching state of the Discharge switch.
Aus dem wie gezeigt erfolgenden wiederholten Schließen und Öffnen des Ladeschalters (Kurve C) resultiert ein zwar schwankender, aber im Mittel gleichbleibend großer Ladestrom (Kurve B), durch den sich im betrachteten Beispiel am piezoelektrischen Element eine im Mittel gleichmäßig auf einen vorgegebenen Endwert ansteigende Spannung (Kurve A) einstellt; aus dem wie gezeigt erfolgenden wiederholten Schließen und Öffnen des Entladeschalters (Kurve D) resultiert ein zwar schwankender, aber im Mittel gleichbleibend großer Entladestrom (Kurve B), durch den sich im betrachteten Beispiel am piezoelektrischen Element eine im Mittel gleichmäßig auf einen vorgegebenen Endwert abfallende Spannung (Kurve A) einstellt.From the repeated closing as shown and opening the charging switch (curve C) results in although fluctuating, but on average the same size Charging current (curve B) through which in the considered Example on the piezoelectric element one on average increasing evenly to a predetermined final value Voltage (curve A) sets; from the as shown repeated closing and opening of the Discharge switch (curve D) results in a fluctuating, but on average the same size Discharge current (curve B) through which in the considered Example on the piezoelectric element one on average falling evenly to a predetermined final value Voltage (curve A).
Der mittlere Lade- bzw. Entladestrom, aber auch die Spannung, auf die das piezoelektrische Element zu laden bzw. zu entladen ist, sind im betrachteten Beispiel variabel und können nicht nur in Abhängigkeit von der Kapazität des piezoelektrischen Elements, sondern zusätzlich insbesondere in Abhängigkeit von der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge, der Motordrehzahl, dem Druck im Rail oder der Motortemperatur festgelegt werden.The average charge or discharge current, but also the Voltage to which the piezoelectric element is charged in the example under consideration variable and can not only depend on the Capacitance of the piezoelectric element, but additionally in particular depending on the pro Injection amount of fuel to be injected Engine speed, the pressure in the rail or the Motor temperature can be set.
Bei einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Laden und das Entladen des piezoelektrischen Elements 1 mit einer mehrstufigen Ansteuerung. D.h., der Ladeschalter 3 bzw. der Entladeschalter 5 werden während des Lade- bzw. Entladevorganges mehrmals geschlossen und geöffnet. Bei der dargestellten Ausführungsform erfolgt eine zweistufige Ansteuerung, das heißt der Lade schalter 3 bzw. der Entladeschalter 5 werden jeweils zweimal angesteuert.In a further embodiment, the charging and the discharging of the piezoelectric element 1 is carried out with a multi-stage control. That is, the charging switch 3 and the discharging switch 5 are closed and opened several times during the charging or discharging process. In the illustrated embodiment, a two-stage control takes place, that is, the charge switch 3 and the discharge switch 5 are each controlled twice.
In der Fig. 8 repräsentiert
Represented in Fig. 8
- - die mit A bezeichnete Kurve den Verlauf der sich am piezoelektrischen Element einstellenden Spannung,- The curve labeled A the course of the piezoelectric element adjusting voltage,
- - die mit B bezeichnete Kurve den Ladestrom bzw. den Entladestrom, durch den das piezoelektrische Element geladen bzw. entladen wird,- The curve labeled B the charging current or the Discharge current through which the piezoelectric element is loaded or unloaded,
- - die mit C bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Ladeschalters, und- The curve labeled C the switching state of the Charging switch, and
- - die mit D bezeichnete Kurve den Schaltzustand des Entladeschalters.- The curve labeled D the switching state of the Discharge switch.
Aus dem zweimaligen Schließen und Öffnen des Ladeschalters (Kurve C) resultiert ein zweimal ansteigender und dann abfallender Ladestrom (Kurve B), durch den sich im betrachteten Beispiel am piezo elektrischen Element eine in zwei Stufen auf einen vorgegebenen Endwert ansteigende Spannung (Kurve A) einstellt; aus dem zweimaligen Schließen und Öffnen des Entladeschalters (Kurve D) resultiert ein zweimal abfallender und ansteigender Entladestrom (Kurve B), durch den sich im betrachteten Beispiel am piezoelektrischen Element eine in zwei Stufen auf einen vorgegebenen Endwert abfallende Spannung (Kurve A) einstellt. From closing and opening the Charging switch (curve C) results in two rising and then falling charging current (curve B), by the piezo in the example considered electrical element one in two stages on one predetermined final value increasing voltage (curve A) hires; from closing and opening the Discharge switch (curve D) results in two decreasing and increasing discharge current (curve B), by the in the example considered on piezoelectric element one in two stages on one predetermined final value of falling voltage (curve A) sets.
Der Lade- bzw. Entladeströme, die Zeitdauern der einzelnen Ansteuerungen aber auch die Spannung, auf die das piezoelektrische Element zu laden bzw. zu entladen ist, sind im betrachteten Beispiel variabel und können nicht nur in Abhängigkeit von der Kapazität des piezoelektrischen Elements, sondern zusätzlich insbesondere in Abhängigkeit von der pro Einspritzvorgang einzuspritzenden Kraftstoffmenge, der Motordrehzahl, dem Druck im Rail oder der Motortemperatur festgelegt werden.The charging or discharging currents, the duration of the individual controls but also the voltage to which to charge or discharge the piezoelectric element are variable and can in the example considered not only depending on the capacity of the piezoelectric element, but in addition especially depending on the pro Injection amount of fuel to be injected Engine speed, the pressure in the rail or the Motor temperature can be set.
Die Bauteile sind derart dimensioniert, daß das gewünschte Spannungsniveau jeweils mit einem Schaltvorgang erreicht wird. Dadurch können die Anzahl der Schaltvorgänge reduziert werden. Dadurch ergeben sich neben einem stetigen Spannungsverlauf geringe elektromagnetische Störungen und geringe Schaltverluste.The components are dimensioned such that the desired voltage level with a Switching process is achieved. This can reduce the number of switching operations are reduced. This results in in addition to a constant voltage curve electromagnetic interference and low Switching losses.
Ferner vereinfacht sich die Ansteuerung der Leistungsschalter erheblich. Eine komplexe Berechnung der Schaltzeiten kann entfallen.Furthermore, the control of the Circuit breakers significantly. A complex calculation the switching times can be omitted.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung ermöglichen es unabhängig von den Einzelheiten deren praktischer Realisierung, daß das Laden und das Entladen von piezoelektrischen Elementen unter allen Umständen wunschgemäß schnell und weit durchgeführt werden kann.The described method and the described Device allow it regardless of the Details of their practical realization that the Loading and unloading piezoelectric elements under all circumstances fast and far as desired can be carried out.
Claims (10)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19854789A DE19854789A1 (en) | 1998-02-10 | 1998-11-27 | Method and device for loading and unloading a piezoelectric element |
| GB9902928A GB2334164B (en) | 1998-02-10 | 1999-02-09 | Method of and means for influencing the operation of a piezo-electric element |
| JP03275299A JP5064607B2 (en) | 1998-02-10 | 1999-02-10 | Method and apparatus for charging and discharging piezoelectric elements |
Applications Claiming Priority (2)
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| DE19854789A DE19854789A1 (en) | 1998-02-10 | 1998-11-27 | Method and device for loading and unloading a piezoelectric element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19854789A1 true DE19854789A1 (en) | 1999-08-12 |
Family
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Family Applications (1)
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| DE (1) | DE19854789A1 (en) |
| GB (1) | GB2334164B (en) |
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