DE19918607A1 - Ansteuerschaltung eines piezokeramischen Umformers zur Steuerung einer Eingangsspannung und zugehöriges Dämpfungssteuerverfahren - Google Patents

Ansteuerschaltung eines piezokeramischen Umformers zur Steuerung einer Eingangsspannung und zugehöriges Dämpfungssteuerverfahren

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Abstract

Eine Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers zur Steuerung einer Eingangsspannung umfaßt: eine Lampe; einen PCT (piezo-keramischen Umformer) für das Ansteuern der Lampe; eine PCT-Ansteuerschaltung für das Ansteuern des PCT; einen Spannungsverdopplungsgleichrichter für das Gleichrichten einer Ausgansspannung; eine Verstärkerschaltung für das summierende Ausgeben einer Dämpfungsspannung und der Ausgangsspannung; einen Phasendetektor für das Vergleichen der Phase des Eingangssignals des Spannungsverdopplungsgleichrichters und der PCT-Ansteuerschaltung; eine Modulationsschaltung, die immer konstant eine Amplitude einer Basiskomponente erhalten kann, wenn die Eingangsspannung von Vmin auf Vmax geändert wird, durch das Steuern eines Verhältnisses des Signals, das durch die PCT-Ansteuereinheit geliefert wird, gemäß den Ausgangssignalen des Phasendetektors und der Verstärkungsschaltung. Gemäß der Ansteuerschaltung des piezoelektrischen Elements kann der Inverter durch das Vermindern der Komponenten der Schaltvorrichtung miniaturisiert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung eines piezo-kerami­ schen Umformers und ein zugehöriges Dämpfungssteuerverfahren und insbe­ sondere eine Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers zur Steuerung einer Eingangsspannung und ein zugehöriges Dämpfungssteuerver­ fahren, die ohne Verwendung eines DC-DC-Wandlers (Gleichspannungs- Gleichspannungs-Wandler) auskommen.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
In letzter Zeit wurde eine Technologie für das Herstellen eines Notebook- Computers mit einer LCD (Flüssigkristallanzeige), der klein und dünn ist, ra­ pide entwickelt, und somit ist es notwendig, einen Hintergrundlichtinverter herzustellen, der eine kleine Größe und einen hohen Wirkungsgrad hat, um das Hintergrundlicht für die LCD zu verwenden.
Ein magnetischer Umformer, der bei einem konventionellen DC-DC-Inverter für ein Hintergrundlicht verwendet wurde, weist jedoch Grenzen auf, wenn man ihn klein machen und einen hohen Wirkungsgrad erreichen will.
Obwohl ein Inverter, der einen PCT (Piezo-keramischen Umformer) verwen­ det, um die obigen konventionellen Probleme zu verbessern, vor einigen Jahren untersucht wurde, so gab es doch auch mehrere Probleme in der Hinsicht, daß die Ansteuerschaltung sehr kompliziert ist und einen anderen DC-DC-Wandler benötigt, um eine an eine PCT Ansteuerschaltung angelegte Spannung konstant aufrecht zu halten, da in der Anwendungsschaltung eine Eingangsspannung einen breiten variablen Bereich aufweist.
Das heißt, allgemeine Typen des PCT, die in der Praxis verwendet werden, sind die folgenden:
  • 1. Ein Aufwärts-Abwärts-DC-DC-Wandler + ein Gegentaktinverter,
  • 2. Ein DC-DC-Wandler + einpoliger quasi-resonanter Inverter,
  • 3. ein DC-DC-Wandler + ein Halbbrücken-Inverter,
  • 4. ein DC-DC-Wandler + ein einpoliger quasi-resonanter Rücklauf-Inverter.
Da die obigen Typen alle durch zweipolige Inverter betrieben werden, muß eine Schaltvorrichtung und eine Steuerschaltung in jedem einpoligen Inverter verwendet werden, und so wird die Schaltung sehr kompliziert.
Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm eines konventionellen piezo-keramischen Umformers mit einem Halbbrücken-Inverter.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist wird, wenn eine Eingangsspannung von Vmax auf Vmin geändert wird, eine konstante Spannung am Punkt A der Schaltung her­ gestellt und an die Transistoren Q1 und Q2 für das Ansteuern eines PCT als Schaltvorrichtung gegeben, und in der Schaltung wird das AN/AUS-Zeitver­ hältnis der Transistoren Q1 und Q2 immer konstant gesteuert, und somit wird eine konstante Spannung an Punkt B, der den Eingangsanschluß des PCT dar­ stellt, angelegt, so daß eine Lampe betrieben wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Obwohl, um die Komplikation einer konventionellen Steuerschaltung zu ver­ meiden, in mehreren Halbleiterfirmen Steuerschaltungen, die auf einem Chip integriert sind, als einpolige DC-AC-Inverter verwendet werden, hat dies doch den Nachteil, daß mehrere Schaltvorrichtungen verwendet werden müssen.
Um die obigen Probleme zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Er­ findung darin, eine Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers bereitzustellen, die eine Eingangsspannung steuern kann, in welcher die Zahl der Schaltvorrichtungen vermindert ist und in welcher kein DC-DC-Wandler verwendet wird.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ansteuer­ schaltung eines piezo-keramischen Umformers zu liefern, die eine Eingangs­ spannung steuern kann, in welcher, wenn eine Eingangsspannung stark geän­ dert wird, eine konstante Spannung, die für eine Ansteuerschaltung eines piezo­ keramischen Umformers benötigt wird, erhalten werden kann.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Dämp­ fungssteuerverfahren einer Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Um­ formers zu liefern, in welchem als zusätzliche Operationen als ein neues Dämpfiingskonzept die Helligkeit des Hintergrundlichtes der LCD geändert wird, indem der Ausgangsstrom geändert wird, und eine Resonanzfrequenz und eine Betriebsfrequenz eines PCT durch die Temperatur und den Einfluß der Nachbarschaft gestört wird, so daß eine automatische Nachfolge der Reso­ nanzfrequenz erfolgt.
Um die obigen Aufgaben zu lösen, wird eine Ansteuerschaltung eines piezo­ keramischen Umformers bereit gestellt, die folgendes umfaßt: eine Lampe, ein PCT (piezo-keramischer Umformer) für das Ansteuern der Lampe; eine PCT- Ansteuereinheit für das Ansteuern des PCT; ein Spannungsverdopplungs­ gleichrichter für das Gleichrichten einer Ausgangsspannung; eine Verstärker­ schaltung für das summierende Ausgeben einer Dämpfungsspannung und der Ausgangsspannung; einen Phasendetektor für das Vergleichen der Phase des Eingangssignals des Spannungsverdopplungsgleichrichters und der PCT-An­ steuerschaltungseinheit; eine Modulationsschaltung, die immer eine konstante Amplitude einer Basiskomponente erhalten kann, wenn die Eingangsspannung von Vmin auf Vmax geändert wird, indem das Verhältnis eines Signals, das von der PCT-Ansteuereinheit geliefert wird, gemäß den Ausgangssignalen des Phasendetektors und der Verstärkungsschaltung gesteuert wird.
Und es wird ein Dämpfungssteuerverfahren einer Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers bereit gestellt, das die folgenden Schritte um­ faßt: Bestimmen von Dx (Dx: ein Verhältnis einer Schaltereinschaltzeit zu ei­ ner Periode bei einer Eingangsspannung von Vx) für das Erzeugen des maxi­ malen Ausgangsstromes Iomax aus einer Eingangsspannung Vx, was einen Strom liefert, der eine gewünschte Helligkeit aufweist, indem der Wert von Dx für das Dämpfen vermindert wird.
Beim Dämpfungssteuerverfahren einer Ansteuerschaltung eines piezo-kerami-. sehen Umformers wird der Wert von Dx erhalten durch:
wobei eine Amplitude, die dieselbe Amplitude wie die Amplitude einer Basis­ frequenzkomponente ist, die man durch eine Spannung von Vmin und einem Wert von D1 bei einer Eingangsspannung von Vx erhält, erzielt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ansteuerschaltung eines piezo-kerami­ schen Umformers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ansteuerschaltung eines PCT gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine Ansicht, die die Wellenform am Punkt B gemäß der in Fig. 2 dargestellten Eingangsspannung zeigt;
Fig. 4 ist ein Entwurfsansicht für das Expandieren der in Fig. 3 dargestellten Wellenform durch Fourier-Reihen;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die eine kennzeichnenden Kurve gemäß einem Ein­ gangs- und Ausgangs-Verstärkungsverhältnis zur Frequenz eines PCT zeigt; und
Fig. 6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung für das Ansteuern eines piezo-keramischen Umformers gemäß der konventionellen Art.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die obige Aufgabe und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Be­ schreibung, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen be­ trachtet wird. In den Zeichnungen der vorliegenden Erfindung bezeichnen glei­ che Bezugszahlen dieselben Teile, und somit wird auf eine wiederholte Erläu­ terung verzichtet.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Ansteuerschaltung eines piezo-kerami­ schen Umformers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, so bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Spannungs­ verdopplungsgleichrichter für das Gleichrichten einer Ausgangsspannung, 2 bezeichnet einen Summierungsverstärker für das Erzeugen eines Ausgangs­ signals durch das Summieren einer Dämpfungsspannung und eines Ausgangs­ stroms, 3 bezeichnet eine Tastverhältnisvariationsschaltung für das Verstärken eines Fehlers eines Signals, das aus dem Summierverstärker 2 ausgegeben wird, und 4 bezeichnet einen Phasendetektor für das Detektieren einer relativen Phase eines Ausgangssignals einer Ansteuereinheit 8 eines PCT (piezo-kerami­ scher Umformer), die nachfolgend beschrieben wird, und des Spannungsver­ dopplungsgleichrichters 1.
Die Bezugszahl 5 bezeichnet einen VCO (spannungsgesteuerter Oszillator) für das Ändern der Schwingungsfrequenz eines Ausgangssignals des Phasende­ tektors 4 durch seine Steuerspannung. Die Bezugszahl 6 bezeichnet eine Säge­ zahnoszillatorschaltung für das Ausbilden eines Sägezahns im Verhältnis zur Zeit durch die Spannung oder den Strom, die oder der vom VCO 5 ausgegeben wird, die Bezugszahl 7 bezeichnet eine PWM-(Pulsbreitenmodulations)- Schaltung, in welcher Impulse mit einer konstanten Breite periodisch gemäß dem Ausgangssignal der Tastverhältnisvariationsschaltung 3 und der Säge­ zahnoszillatorschaltung 6 ausgegeben werden. Und die Bezugszahl 8 bezeich­ net eine PCT-Ansteuerschaltung, deren Erläuterung nachfolgend im Detail er­ folgt. Die Bezugszahl 9 bezeichnet einen piezo-keramischen Umformer und die Bezugszahl 10 bezeichnet eine Lampe.
Nachfolgend wird die PCT-Ansteuerschaltung 8 im Detail unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben.
Die PCT-Ansteuerschaltung umfaßt einen Inverter, zwei Transistoren Q1 und Q2 und ein LC-Filter.
Obwohl die Basiskonstruktion der Fig. 2 ähnlich der der Fig. 6 ist, unter­ scheiden sich die AN/AUS-Steuerverfahren der Transistoren Q1 und Q2 voll­ ständig. Außerdem muß in der Konstruktion der Fig. 6 ein Ansteuerumformer verwendet werden, während in Fig. 2 der Ansteuerumformer nicht verwendet wird.
Außerdem muß bei der Konstruktion der Fig. 6 immer eine konstante Span­ nung durch das Steuern der Eingangsspannung am Punkt A geliefert werden. Gemäß der Konstruktion der Steuerschaltung der vorliegenden Erfindung wird, obwohl eine variable Eingangsspannung am Punkt A geliefert wird, immer eine konstante Spannung am Punkt B ausgegeben.
Das heißt, in Fig. 2 muß der Betriebszustand der Transistoren Q1 und Q2, der an und aus geschaltet wird, folgendermaßen gesteuert werden: Wenn der Tran­ sistor Q1 in jeder Periode angeschaltet wird, so wird der Transistor Q2 not­ wendigerweise bei einer anderen Periode angeschaltet, das heißt, die Perioden der An- und Aus-Zeiten der Transistoren Q1 und Q2 zur Variation der Ein­ gangsspannung sind verschieden.
Die Wellenform am Punkt B ist in Fig. 4 gezeigt.
Das heißt, die Schaltung wird so gesteuert, daß wenn eine Eingangsspannung hoch ist, die Anschaltzeit des Transistors Q1 kurz ist, und wenn eine Eingangs­ spannung niedrig ist, die Anschaltzeit des Transistors Q1 lang ist. Somit wird auf eine folgende Theorie geschlossen.
Die Wellenform der Fig. 3 kann als Fourier-Reihen durch Bezugnahme auf Fig. 4 folgendermaßen expandiert werden.
In Formel (1)
Zu dieser Zeit wird A von der Spannung Vmin zur Spannung von Vmax geän­ dert. Wenn bei der Spannung Vmin die Anschaltzeit des Transistors Q1 gesteu­ ert wird, und das Tastverhältnis D, das ein Verhältnis einer Pulsbreite und eine Pulsperiode darstellt, so gesteuert wird, daß es den Wert D1 annimmt (D1 max. 50%), und wenn die Eingangsspannung auf die Spannung Vmax geändert wird wenn der Wert von D so gesteuert wird, daß er die gleiche Größe der Basis­ komponente hat, wenn die Spannung der Wellenform des Wertes von D expan­ diert wird, so wird sie gemäß der Basisfrequenzkomponente erhalten, das heißt a11 = a12, unabhängig von der Eingangsspannung V.
Das heißt, wenn die Eingangsspannung innerhalb der Spannung Vmin und Vmax geändert wird, so kann man immer erreichen, daß die Basisfrequenz­ komponente eine konstante Amplitude hat, so daß die Eingangsleitungsrege­ lung möglich ist. Das kann als folgende Formel (2) expandiert werden.
Das heißt, sie kann allgemein dargestellt werden als
Hier stellt sich Dx bei a11 = a1x folgendermaßen dar:
Die obige Formel 3 stellt einen allgemeinen Wert für das Berechnen eines Tastverhältnisses dar, in welcher eine Amplitude, die dieselbe ist wie die Am­ plitude der Basisfrequenzkomponente, die man durch die Spannung Vmin er­ hält, und D1 bei einer Eingangsspannung von Vx erhalten werden können.
Eine unten gezeigte Tabelle zeigt das Verhältnis einer Pulsbreite zu einer Ein­ gangsspannung, wobei mehrere Werte, die durch den obigen allgemeinen Wert erhalten werden, beschrieben sind.
(Dx: ein Verhältnis der Anschaltzeit von DT zu einer Periode T bei einer Ein­ gangsspannung von Vx)
Das heißt, in Fig. 2 wird ein Verhältnis der Anschaltzeit der PWM-Schaltung 7 gesteuert, um die Wellenform des Punktes B als 8 V, 50%, IOV, 29,5%, . . ., 20 V, 13% zu erhalten, und wenn die Basisfrequenzkomponente durch ein LC-Filter der PCT-Ansteuerschaltung 8 hindurchgeht, so erhält man am Punkt C immer eine Sinuswelle mit a1 = 3,6 Vrms.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die PCT-Ansteuerschaltung 8 so ge­ staltet, daß der gewünschte Strom Iomax durch diese Sinuswelle zur Lampe 10 fließt, so daß ohne die Verwendung eines einpoligen DC-DC-Wandlers ein DC-AC-Wandler gestaltet werden kann, der die Eingangsleitungsregulierung innerhalb eines breiten Bereiches steuern kann.
Nachfolgend wird ein Dämpfungsverfahren der vorliegenden Erfindung erläu­ tert. Wie oben erwähnt wurde, wird in der Schaltung der vorliegenden Erfin­ dung das Tastverhältnis gemäß der Änderung der Eingangsspannung so gesteu­ ert, daß man den maximalen Ausgangsstrom Iomax erhält. Wenn bestimmt wird, daß Dx dem maximalen Ausgangsstrom Iomax bei einer Spannung von Vx entspricht, so wird in der vorliegenden Erfindung der Wert von Dx für eine Dämpfung vermindert, und so fließt ein Strom gemäß der gewünschten Hellig­ keit.
Das heißt, in Fig. 1 werden der Spannungsverdopplungsgleichrichter 1 und der Summierverstärker 2 so gestaltet, daß Dx der PWM-Schaltung 7 durch das Signal der Tastverhältnisvariationsschaltung 3 vermindert wird.
Das Verfahren für das Erzielen einer optimalen Frequenz des PCT wird in Ver­ bindung mit Fig. 5 erläutert.
In Fig. 5 stellt fo eine Resonanzfrequenz des PCT dar und fr ist eine Be­ triebsfrequenz der Schaltung.
Im allgemeinen erhält man das maximale Verhältnis des PCT, wenn die Be­ triebsfrequenz fr der Schaltung mit der Resonanzfrequenz fo des PCT zusam­ menfällt. Wenn die Schaltung im Zustand fo = fr betrieben wird, so kann die Schaltung bei einer Frequenz des VCO betrieben werden, die etwas niedrig ist im Verhältnis zur Frequenz von fo durch die Eigenschaft der Temperatur des VCO und des PCT und das Milieu in der Nachbarschaft, etc..
Im obigen Fall ist, da die Leistung des PCT gestört wird, in der vorliegenden Erfindung die Betriebsfrequenz des Inverters höher als die Resonanzfrequenz des PCT.
Dafür wird in Fig. 1 der vorliegenden Erfindung ein Phasendetektor 4 für das Vergleichen der Wellenformen der Eingangs- und Ausgangsspannungen des PCT vorgesehen, so daß, obwohl die Resonanzfrequenz des PCT durch die Temperatur und das Milieu in der Nachbarschaft geändert wird, die Schaltung mit der Betriebsfrequenz von fr < fo betrieben wird.
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß der Ansteuerschaltung des piezo­ elektrische Elements der vorliegenden Erfindung der Inverter durch das Ver­ mindern der Komponenten der Schaltvorrichtung miniaturisiert werden.
Während die Erfindung hier unter Bezug auf eine Ausführungsform, die als die beste Art ihrer Ausführung in der Praxis angesehen wird, gezeigt und beschrie­ ben wurde, sollte verständlich sein, daß verschiedene Änderungen beim Anpas­ sen der Erfindung an verschiedene Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den breiteren erfinderischen Konzepten, die hier beschrieber sind und die von den folgenden Ansprüchen umfaßt werden, abzuweichen.

Claims (5)

1. Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers zur Steuerung einer Eingangsspannung, umfassend:
eine Lampe;
einen PCT (piezo-keramischer Umformer) für das Ansteuern der Lampe;
eine PCT-Ansteuervorrichtung für das Ansteuern des PCT;
einen Spannungsverdopplungsgleichrichter für das Gleichrichten einer Ausgangsspannung;
eine Verstärkungsvorrichtung für das summierende Ausgeben einer Dämpfungsspannung und der Ausgangsspannung;
eine Phasendetektionsvorrichtung für das Vergleichen der Phase des Eingangssignals des Spannungsverdopplungsgleichrichters und der PCT-An­ steuervorrichtung;
eine Modulationsvorrichtung, die eine Amplitude einer Basiskompo­ nente immer konstant halten kann, wenn die Eingangsspannung von Vmin auf Vmax geändert wird, durch das Steuern eines Verhältnisses eines Signals, das durch die PCT-Ansteuervorrichtung geliefert wird, gemäß den Ausgangs­ signalen der Phasendetektionsvorrichtung und der Verstärkungsvorrichtung.
2. Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers nach Anspruch 1, wobei die PCT-Ansteuervorrichtung einen Inverter, zwei Transistoren und ein LC-Filter einschließt.
3. Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers nach Anspruch 1, wobei die Phasendetektionsvorrichtung die Phase so steuert, daß das Verhältnis der Betriebsfrequenz fr und der PCT-Resonanzfrequenz fo so ist, daß fr < fo.
4. Dämpfungssteuerverfahren einer Ansteuerschaltung eines piezo-keramischen Umformers, wobei es folgende Schritte umfaßt:
Bestimmen von Dx (Dx: ein Verhältnis der Anschaltzeit zu einer Peri­ oder bei einer Eingangsspannung von Vx) für das Erzeugen des maximalen Ausgangsstroms Iomax von einer Eingangsspannung Vx;
Bereitstellen eines Stromes, der eine gewünschte Helligkeit aufweist, durch das Vermindern des Wertes Dx für eine Dämpfung.
5. Im Verfahren zur Berechnung eines Tastverhältnisses einer Ansteuerschal­ tung eines piezo-keramischen Umformers, erhält man den Wert von Dx durch:
wobei eine Amplitude, die dieselbe Amplitude wie die einer Basiskomponente ist, erhalten wird durch eine Spannung von Vmin und einen Wert von D1 bei einer Eingangsspannung von Vx.
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