DE2408828A1

DE2408828A1 - Treiberschaltungen fuer einen als elektromechanischer wandler wirkenden kristall

Info

Publication number: DE2408828A1
Application number: DE19742408828
Authority: DE
Inventors: Norman David Kline; Russell John Weinschenk
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-03-16
Filing date: 1974-02-23
Publication date: 1974-09-26
Also published as: FR2221877A1; FR2221877B1; DE2408828C2; JPS49123238A; CA1010948A; JPS5240170B2; GB1452176A; US3800170A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: RO 973 004

Treiberschaltungen für einen als elektromechanischer Wandler wirkenden Kristall

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung für einen als elektromechanischer Wandler wirkenden Kristall, der elektrisch im wesentlichen als eine Kapazität darstellbar ist. Derartige Kristalle, z.B. piezoelektrische Kristalle, finden bevorzugt Anwendung als elektromechanische Betätigungsglieder für Hochgeschwindigkeitsdrucker und ähnliche Vorrichtungen. Wegen der bei solchen Vorrichtungen gewöhnlich erforderlichen großen Anzahl von Betätigungsgliedern ist man bestrebt, die Leistungsaufnahme bzw. die Gesamtverlustleistung möglichst gering zu halten. Für die Anwendung in Hochgeschwindigkeitsdruckern ist neben der gewöhnlich hohen Betriebsspannung solcher Kristalle auch eine hohe Arbeitsfrequenz erforderlich.

Zur Steuerung der Spannungsübertragung auf derartige Kristalle hat man sich in der Vergangenheit jeweils eines Netzwerkes bedient, das mit Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und Dioden aufgebaut war. Ein Steuerimpuls schaltete den Transistor ein, wodurch die auf dem Kondensator bereitgestellte Ladung sehr schnell an den Kristall übertragen wurde. Die Rückflanke des Steuerimpulses schaltete den Transistor aus und leitete so die Endladung des Kristalls ein. Um die Endladezeit klein zu hal-

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ten, sollte der Widerstand des Steuernetzwerkes dabei einerseits einen sehr geringen Wert aufweisen. Um jedoch die Leistungsaufnahme und damit die Verlustleistung möglichst gering zu halten, wäre andererseits ein relativ hochohmiger Widerstand erforderlich. Diese beiden Anforderungen stehen einander entgegen und es mußte stets ein Kompromiß eingegangen werden. Bezüglich dieser Anordnungen ist festzustellen, daß, obwohl bei eingeschaltetem Transistor der Ladungsübergang vom Kondensator auf den Kristall sehr schnell vor sich geht, dieser Steuertransistor über die gesamte Dauer des Steuerimpulses eingeschaltet bleibt, wobei in dem zugehörigen Lastwiderstand über diese ganze Zeit Verlustleistung verbraucht wird.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, derartige Treiberschaltungen zu verbessern, d.h. insbesondere eine Treiberschaltung anzugeben, die es erlaubt, einen mit hohen Arbeitsspannungen zu betreibenden Kristall mit möglichst geringer Verlustleistung bei relativ hohen Wiederholungsfrequenzen zu betreiben. Dabei soll die Treiberschaltung zum einen wirtschaftlich kostengünstig und zum anderen technologisch einfach zu realisieren sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Treiberschaltung der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Art vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb einer derartigen Teiberschaltung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Zusammengefaßt sieht die Erfindung vor, daß zur Verringerung der Leistungsaufnahme der Auf- bzw. Entladepfad für den Kristall jeweils nur für die zum Auf- bzw. Entladen erforderliche Zeit eingeschaltet ist. Dabei werden der Auf- und Entladepfad des Kristalls getrennt gesteuert, so daß relativ niederohmige Arbeitswiderstände eingesetzt werden können, die bezüglich ihres Einflusses auf die Erzielung schneller Anstiegs- und Abfallflanken und damit bezüglich der Erreichung einer hohen Arbeitsfrequenz vorteil-

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haft sind. Obwohl diese Arbeitswiderstände relativ niederohniig gewählt werden können, ist die Verlustleistung dennoch minimal, da die Thyristoren lediglich für eine kurze Zeitspanne leitend sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Erfindung;

Fig. 2 einige zugehörige Spannungsverläufe/ und

Fig. 3 in einem Spannungs-/Impulsbreitendiagramm den

für eine Anwendung der Erfindung bei Tintenstrahldruckern günstigsten Arbeitsbereich.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt einen Schaltkreis zum wiederholten Auf- und Endladen eines Kristalls 10. Der Kristall 10 ist ein piezoelektrischer Kristall konventioneller Art, mit dessen Hilfe in diesem Fall elektrische Energie in eine mechanische Bewegung umgewandelt wird. Der Kristall 10 weist einen äquivalenten Kapazitätswert auf, der im wesentlichen von seiner Geometrie bestimmt ist. Der äquivalente Kapazitätswert bestimmt sich zu

ρ _β 8_f85 »A-K
<~ T

mit A = Fläche in in ,

K - Materialkonstante,

T = Dicke in m

C = Kapazität in pF

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Mittels der (Kochspannungs-)Treiberschaltung 20 wird die Spannung auf den Kristall IO übertragen und dieser anschließend wieder entladen. Die Leistungsfähigkeit des Kristalls 10 als elektromechanischer Wandler steht in Zusammenhang mit der zugehörigen Spannungsübertragung und mit der resultierenden Impulsbreite des beim Laden und Entladen des Kristalls 10 erzeugten Spannungsimpulses. Diese Kristallspannungsimpulse sind in Fig. 2 im Spannungsverlauf H illustriert. Mittels genauer Steuerung der Impulsbreite kann für den Kristall ein geeigneter Arbeitsbereich als elektromechanischer Wandler festgelegt werden. Beispielsweise kann der Kristall in einem Tintenstrahldrucker Anwendung finden. Dabei muß der Kristall so betrieben werden, daß der Tintenstrahldrucker bei jedem Impuls lediglich einen einzelnen Tintentropfen erzeugt. Fig. 3 illustriert, daß es für eine ordnungsgemäße Arbeitsweise eines derartigen Kristalls zu dem genannten Zweck einen durch Spannungs- und Impulsbreitenangaben definierten Arbeitsbereich gibt.

Die Treiberschaltung 20 für den Kristall umfaßt einen Impulsgenerator 25, der Steuerimpulse entsprechend dem Spannungsverlauf A in Fig. 2 liefert. Der Steuerimpuls wird gleichzeitig an die monostabile Kippschaltung 30 und den Inverter 35 angelegt. Die Vorderflanke des Steuerimpulses schaltet zunächst die monostabile Kippschaltung 30 ein, deren Ausgangssignal auf die Steuerelektrode des Thyristors (im folgenden SCR=Silicon Controlled Rectifier genannt) Tl geführt ist. Die Anode von Tl ist über den Widerstand Rl mit einer positiven Spannungsquelle V und die Kathode über die Diode Dl mit dem Kristall verbunden. Der Wert der Betriebsspannung V kann in Abhängigkeit vom Kristalltyp und anderen Schaltungsparanietern unterschiedlich gewählt werden.

Das in Fig. 2 als Spannungsverlauf B dargestellte Ausgangssignal der monostabilen Kippschaltung 30 macht die Steuerelektrode von Tl positiv und schaltet somit Tl ein. Der weitere SCR T2,

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dessen Anode über den Widerstand R2 und die Diode Dl mit der Kathode von Tl verbunden ist, wird jedoch zu diesem Zeitpunkt nicht eingeschaltet, da seine Steuerelektrode im wesentlichen auf Massepotential gehalten wird und sein dV/dt-Wert (d.h. sein Ansprechverhalten auf Spannungsänderungen) so ist, daß beim Einschalten von Tl er selbst nicht einschaltet.

Ist Tl gezündet bzw. eingeschaltet, lädt sich der Kristall 10 etwa auf die Betriebsspannung V auf. Der Aufladepfad wird dabei von der Spannungsquelle V über den Widerstand Rl, den SCR Tl die Diode Dl und den Kristall 10 zum Massepotential hin gebildet.

Die Zeitkonstante des RC-Netzwerkes aus dem Widerstand Rl und dem Kristall 10 ermöglicht, daß der SCR Tl eingeschaltet wird. Wenn jedoch der Kristall 10 voll aufgeladen ist, fällt der Strom durch Tl auf einen Wert ab, der nicht mehr zur Aufrechterhaltung des Leitfähigkeitszustandes von Tl ausreicht, so daß Tl ausgeschaltet wird, über den an die Steuerelektrode von Tl angeschlossenen Widerstand R3 wird die Steuerelektrode auf Massepotential gehalten. Gegenüber dem Fall einer potentialmäßig nicht fixierten Steuerelektrode (floating gate) wird Tl damit in die Lage versetzt, höheren Spannungsveränderungen dV/dt standzuhalten. Die Diode Dl schützt die Steuerelektrode von Tl gegenüber der relativ hohen Anodenspannung von Tl.

Die Impulsdauer des vom Impulsgenerator 25 gelieferten Steuerimpulses ist größer als die Halte- bzw. Speicherzeit der monostabilen Kippschaltung 30; seine Rückflanke wird im Inverter invertiert, um die monostabile Kippschaltung 40 einzuschalten. Das in Fig. 2 als Spannungsverlauf C dargestellte Ausgangssignal der monostabilen Kippschaltung 40 macht die Steuerelektrode des SCR T2 so ausreichend positiv, daß T2 eingeschaltet bzw. gezündet wird. Damit wird für den Kristall 10 ein Entladepfad bereitgestellt. Dieser Entladepfad führt von der oberen Anschlußseite des Kristalls 10 über den Widerstand R2, den SCR

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— δ —

T2 zum Massepoteiitial. Wenn der Kristall IO entladen wird, sinkt der Stromfluß durch T2 auf einen Wert, der nicht mehr zur Aufrechterhaltung des Leitzustandes von T2 ausreicht. Somit schaltet T2 aus, wenn der Kristall 10 entladen ist. Bei ausgeschaltetem T2 wird dessen Steuerelektrode über den Widerstand R4 auf Massepotential gehalten.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden ein Kristall mit einer äquivalenten Kapazität von O_fOO68 iiF sowie Widerstände Rl und R2 von jeweils 50 Ω benutzt. Die Betriebsspannung V beträgt etwa 225 V. Die Widerstände R3 und R4 haben jeweils einen Widerstandswert von 9 ΚΩ. Der Impulsgenerator" 25 liefert fortlaufende Steuerimpulse mit einer Frequenz von ungefähr 10 KHz. Die Impulsbreite der Steuerimpulse beträgt etwa 8 üs, während die Breite der von den monostabilen Kippschaltungen und 40 gelieferten Impulse etwa 5 us beträgt. Der durch den SCR Tl zum Aufladen des Kristalls 10 fließende Strom steigt sehr schnell an und fällt expotentiell ab, was aus dem Spannungsverlauf D in Fig. 2 hervorgeht. Gleiches gilt für den Strom durch T2 entsprechend dem Spannungsverlauf E in Fig. Die Verlustleistung in den Widerständen Rl und R2 ist in den Diagrammen F bzw. G illustriert.

Aus dem oben Gesagten wird deutlich, daß die Thyristoren Tl und T2 nicht über die gesamte Periodenzeit der Steuerimpulse (vgl. Impulsverlauf A in Fig. 2) eingeschaltet sind. Es ist weiter ersichtlich, daß Tl und T2 jeweils nur für Zeitabschnitte leitend sind, die den Auflade- und Entladezeiten des Kristalls 10 entsprechen. Die Verlustleistung wird auf diese Weise sehr gering gehalten, weil Tl und T2 nur für relativ kurze Zeiten eingeschaltet sind. Schließlich wird eine sehr genaue zeitliche Steuerung der Kristallimpulsbreiten erzielt.

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Claims

P A T E H -T A M S P R Ü C II a

I.j Treiberschaltung für einen als elektromechanischer Wandler wirkenden Kristall, der elektrisch im wesentlichen als eine Kapazität darstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kristall (10) ein aus der Reihenschaltung eines Thyristors (Tl) und eines Widerstandes (Rl) aufgebauter Aufladepfad zum einen Pol der Betriebsspannung (V) und ein dazu im Gegentakt betriebener entsprechend aufgebauter Endladepfad zum anderen Pol der Betriebsspannung vorgesehen ist, daß die Steuerelektroden der Thyristoren (Tl, T2) mit dem Ausgang einer jeweils zugeordneten monostabilen Kippschaltung (30, 40) verbunden sind, deren Einschaltsignale für den Aufladevorgang von der einen, vorzugsweise der Vorderflanke und für den Entladevorgang von der anderen Flanke der von einem gemeinsamen Impulsgenerator (25) erhaltenden Steuerimpulse abgeleitet sind, und daß die Impulsbreite(n) der Steuerimpulse (A in Fig. 2) größer-esf ist (sind) als die Speicherzeiten (vgl. B, C in Fig. 2) der monostabilen Kippschaltungen.

2, Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Rückflanke der Steuerimpulse betriebenen monostabilen Kippschaltung (40) einem Inverter (35) vorgeschaltet ist.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Auf- bzw. Entladepfades so gewählt ist, daß mit beendetem Auf- bzw. Entladevorgang der Thyristorstrom unter den zur Aufrechterhaltung des Leitzustandes des jeweiligen Thyristors (Tl, T2) erforderlichen Mindestwert absinkt.

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4. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen den Ausgang und die Anode des Aufladethyristors (Tl) eingeschaltete in Aufladerichtung gepolte Diode (Dl).

5. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der Thyristoren (Tl, T2) über je einen relativ hohen Widerstand (R3, R4) mit einem die Thyristoren sperrenden Potential, vorzugsweise Massepotential, verbunden sind.

6. Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jeweils in die Kathodenleitung der Thyristoren (Tl, T2) eingeschaltete relativ niederohmige Widerstände (Rl, R2).

7. Verfahren zum Betrieb der Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerung der dem Aufladepfad zugeordneten monostabilen Kippschaltung (30) mittels der einen, vorzugsweise der Vorderflanke und die Triggerung der dem Entladepfad zugeordneten monostabilen Kippschaltung (40) mittels der anderen Flanke der von einem gemeinsamen Impulsgenerator (25) erhaltenden Steuerimpulse (A in Fig. 2) durchgeführt wird, und daß die Speicherzeiten (en), der monostabilen Kippschaltungen(en) kleiner gewählt ist (sind) als die Impulsbreite der eingangsseitigen Steuerimpulse.

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