DE4239058C1 - Steuerschaltung und Verfahren zur Ansteuerung eines oder mehrerer Piezokristalle in einem piezoelektrischen Antriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines oder mehrerer Piezokristalle in einem piezoelektri­ schen Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ansteuerung eines oder mehrerer Piezokristalle in einem piezoelektrischen Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Eine solche Steuerschaltung und ein solches Verfahren sind aus dem Dokument "Patent Abstracts of Japan", Sect. E, Bd. 10 (1986), Nr. 158 (E-395) zur JP 60-237869 A bekannt. Dort sind eine Steuerschaltung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Piezokristalles beschrieben, bei dem ein Piezokri­ stallanschluß über Steuerbauelemente selektiv mit auf zwei unterschiedlichen Potentialen liegenden Versorgungsspan­ nungsleitungen verbindbar ist.

Darüber hinaus ist auch bekannt, piezoelektrische Antriebs­ systeme beispielsweise in Vibrationsgrenzstandsensoren zur Schüttgutdetektion einzusetzen. Solche piezoelektrischen Antriebssysteme besitzen bei wechselspannungsmäßiger Erre­ gung eine hohe Blindstromaufnahme, da die hierbei eingesetz­ te Piezokeramik eine große Dielektrizitätskonstante auf­ weist, die zu einer hohen Eigenkapazität des Antriebssystems führt. Diese Blindstromkomponente kann ein Vielfaches des Wirkstromanteils des Antrieb-Treibersignals betragen, so daß sich eine erhebliche Belastung des den oder die Piezokristalle an­ steuernden Endverstärkers ergibt. Zudem muß der Endverstär­ ker wegen dieses hohen Blindstromanteils dem ihn speisenden Netzteil weit mehr Energie entnehmen, als dies aufgrund der im Antrieb umgesetzten Wirkleistung tatsächlich notwendig wäre.

Insbesondere, wenn die zur Verfügung stehende Energiemenge begrenzt ist, wie es z. B. bei einem Sensor der Fall ist, der seine Energieversorgung über eine 4 bis 20 mA führende Meßstromschleife erhält oder als elektronischer Zweidraht­ schalter, der nicht schon durch seine Grundstromaufnahme die zu schaltende Last aktivieren darf, arbeiten soll, ist es notwendig, Maßnahmen zur Kompensation oder zumindest Verringerung der Blindstromaufnahme des Piezoantriebs zu ergreifen.

Die naheliegendste Möglichkeit zur Blindstromverringerung ist die Vergrößerung des Piezokristall-Elektrodenabstands, wodurch sich dessen Eigenkapazität verringert. Jedoch er­ fordert dies die Verwendung entsprechender größerer Piezo­ kristalle, die nicht nur kostenaufwendiger sind, sondern auch das Bauvolumen des gesamten Antriebssystems vergrößern.

Eine auch denkbare Kompensation der kapazitiven Komponente durch Parallelschaltung einer entsprechend ausgelegten In­ duktivität ist gleichfalls problematisch, da diese nur bei konstanter Arbeitsfrequenz und Sinusansteuerung zufrieden­ stellend wirkt. Diese Voraussetzungen sind aber beispiels­ weise bei Vibrationssensoren zur Füllgutdetektion nicht ge­ geben. Zudem unterliegen die Piezogrundkapazitäten großen Fertigungsstreuungen, so daß ein aufwendiger individueller Induktivitätsabgleich erforderlich ist, und sind auch noch stark temperaturabhängig (TK ungefähr 7.000 ppm), so daß die Kompensation nur innerhalb eines engen Temperaturbereichs gegeben wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschal­ tung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines oder mehrerer Piezokristalle in einem piezoelektrischen Antriebssystem zu schaffen, die bzw. das eine Verringerung des bei der An­ steuerung des piezoelektrischen Antriebssystems extern be­ reitzustellenden Strombedarfs ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen bzw. mit den Maßnahmen des Patentanspruchs 9 ge­ löst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird somit der erforderliche Blindstrom­ bedarf intern über entsprechende Zwischenspannungspoten­ tiale aufweisende Energiespeicher bereitgestellt, die den bei einer Entladung der Piezokapazität des oder der Piezokristalle abgegebenen Blindstrom zumindest z. T. aufnehmen, vorzugsweise zwischenspeichern, und bei einer nachfolgenden Wiederaufladung der Piezokapazität zur Verfügung stellen. Dieser Blindstromanteil muß folglich weder vom Versorgungsnetz geliefert werden noch über den Endverstärker fließen.

Dabei wird der Auflade- und Entladevorgang der Piezokapazi­ tät in mehrere Stufen unterteilt und die Piezokapazität in jeder Stufe um einen Spannungsteilbetrag umgeladen. Bei al­ len Ladestufen, bei denen der jeweils aussteuerbare Endwert einen Teilspannungswert des Gesamtspannungshubs darstellt, pendelt die beim Auf- und Entladevorgang benötigte bzw. freigesetzte Ladungsmenge zwischen der Piezokapazität und dem Zwischenspannungspotential hin und her. Daher werden alle für die Aufladung auf eine Teilspannung benötigten Ströme von dem jeweiligen Blindstromspeicher geliefert und bei einer nachfolgenden Entladung wieder in diesen zurück­ gespeist. Folglich verringert sich die blindstrombedingte Belastung des Netzteils auf den Kehrwert der Spannungsstu­ fenzahl, aus denen sich der Ladevorgang zusammensetzt.

Vorzugsweise ist das zumindest eine Zwischenspannungspoten­ tial (Blindstromspeicher) durch zumindest zwei Kondensato­ ren abgestützt oder gebildet, die in Reihe zwischen die beiden Versorgungsspannungsleitungen geschaltet sind und deren Verbindungsanschlüsse mit den Schaltkreisen verbunden sind. Hierdurch wird in einfacher Weise erreicht, daß der durchschnittliche Potentialwert an dem oder den Verbin­ dungspunkten zwischen den Kondensatoren stets ein bestimm­ ter Bruchteil der Versorgungsspannung ist, so daß selbst bei gezielten oder unbeabsichtigten Versorgungsspannungsän­ derungen eine automatische Anpassung der jeweiligen Poten­ tialwerte resultiert.

Vorteilhafterweise weist jeder Schaltkreis zwei Reihen­ schaltungen mit jeweils einer Diode und einem Transistor auf, die zwischen den zugehörigen Zwischenspannungspoten­ tial-Anschluß und eine zu dem zumindest einen Anschluß des oder der Piezokristalle führende, potentialmäßig umschalt­ bare Leitung eingefügt sind, wobei die Dioden in entgegen­ gesetzter Richtung geschaltet sind. Durch gezielte Ein- /Ausschaltung der Transistoren läßt sich damit das Pendeln der Lade- und Entladeströme gezielt steuern, wobei über die Dioden die jeweils zulässige Stromrichtung bestimmt wird.

Eine selbsttätige Aktivierung und Deaktivierung der Transi­ storen läßt sich ohne Notwendigkeit externer Steuersignale dadurch erreichen, daß die Basis und ein weiterer Anschluß, vorzugsweise der Emitter, jedes Transistors über einen in die Leitung geschalteten Widerstand miteinander verbunden werden, so daß der am Widerstand bei einer eingangsseitigen Potentialumschaltung auftretende Spannungsabfall eine ge­ zielte Durchschaltung oder Sperrung des jeweiligen Transi­ stors bewirkt.

Vorzugsweise ist der (oder bei mehreren Widerständen jeder) Widerstand mit zwei Dioden-Transistor-Reihenschaltungen verbunden, die, bezogen auf ihren gemeinsamen Verbindungs­ punkt, entgegengesetzte Leitrichtung haben. Durch diese ge­ meinsame Potentialsteuerung zweier Reihenschaltung ist si­ chergestellt, daß diese jeweils mit demselben Steuerpoten­ tial beaufschlagt werden und selektiv bei einem Auf- oder Entladevorgang leitend werden.

Wenn mehrere Zwischenpotentiale gewünscht werden, kann dies unter Bereitstellung einer entsprechenden Anzahl von Stütz­ kondensatoren dadurch erreicht werden, daß in die Leitung mehrere seriell geschaltete, jeweils mit zumindest einer Reihenschaltung verbundene Widerstände eingefügt werden. Hierdurch läßt sich bei geringem Schaltungsaufwand der ex­ tern bereitzustellende Blindstrombedarf erheblich reduzie­ ren.

Beispielsweise lassen sich vier Spannungsstufen mit nur vier Stützkondensatoren und drei in die Leitung eingefügten Widerständen erreichen, wobei der mittlere Widerstand einen höheren Widerstandswert als der mit dem Piezokristallan­ schlag verbundene Widerstand und dieser wiederum einen hö­ heren Widerstandswert als der dritte Widerstand aufweist. Durch diese Widerstandswahl wird ein korrektes Durchschal­ ten der einzelnen mit den Widerständen verbundenen Schal­ tungen sichergestellt.

Durch eine vorzugsweise zusätzlich vorgesehene Gegenkopp­ lung zwischen dem zumindest einen Piezokristallanschluß und dem Eingang eines eingangsseitigen Operationsverstärkers lassen sich trotz des in einzelne Stufen unterteilten Lade­ vorgangs auch Sinussignale unverzerrt übertragen.

Aufgrund der selbststeuernden Arbeitsweise der einzelnen Blindleistungs-Reduktionsstufen wird eine korrekte Steuerung der Umladephasen bei äußerst geringem Bauteileaufwand erreicht, wobei z. B. auch mögliche aufwendige Signalvergleicherschaltungen mit entsprechender Verknüpfungslogik entfallen können. Für eine Halbierung der Blindstromaufnahme werden beispielsweise lediglich fünf zusätzliche Bauteile benötigt. Um dieselbe Stromaufnahmeverringerung mechanisch durch Vergrößerung der Piezokristalle zu erzielen, ergeben sich z. B. bei einem Vibrationsfüllgutsensor die über zehnfachen Kosten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerschaltung mit Halbierung der blindstrombedingten Wirkleistungsaufnahme,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Steuerschaltung mit vier Spannungsstufen, und

Fig. 3 mehrere Signalverläufe zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung zur Ansteuerung eines Piezokristalls 25 in einem piezoelek­ trischen Antriebssystem gezeigt. Ggf. kann die Steuerschal­ tung aber auch zur parallelen oder alternierenden Ansteue­ rung mehrerer Piezokristalle eingesetzt werden.

Die Steuerschaltung ist als Endverstärker ausgelegt, der mit zwei Spannungsstufen arbeitet und daher bei Vollaus­ steuerung die blindstrombedingte Wirkleistungsaufnahme auf 50% reduziert.

Ein an einem Eingangsanschluß 1 anliegendes Eingangssignal ist ein Wechselspannungssignal, das von einer Treiberfre­ quenzbestimmungs-Vorstufe erzeugt wird und vorzugsweise rechteckförmig ist, aber auch Sinus- oder Dreieckform haben kann.

Das am Eingangsanschluß 1 anliegende Eingangssignal wird über einen Serienwiderstand 4 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 5 angelegt, dessen anderer Ein­ gang auf Massepotential liegt. Der Ausgang des Operations­ verstärkers 5 ist mit einer Treiberstufe 6 verbunden, an deren Ausgangsanschluß 13 eine verstärkte Rechteckspannung abgegeben wird.

Die Treiberstufe 6 weist zwei in Reihe geschaltete Transi­ storen 8, 9 entgegengesetzten Leitungstyps auf, deren Basen gemeinsam mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 5 ver­ bunden sind. Der Transistor 8 ist mit seiner Kollektor- Emitter-Strecke in Reihe zwischen einen Widerstand 7, des­ sen anderer Anschluß mit einer auf positivem Potential +U_B liegenden Versorgungsspannungsleitung 2 verbunden ist, und einen Widerstand 11 geschaltet, der mit seinem anderen An­ schluß auf Massepotential liegt. In gleicher Weise ist der Transistor 9 mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe zwischen einen Widerstand 10, dessen anderer Anschluß mit einer auf negativem Potential -U_B liegenden Versorgungs­ spannungsleitung 3 verbunden ist, und den Widerstand 11 ge­ schaltet, so daß die Emitter der beiden Transistoren 8, 9 miteinander verbunden sind.

Mit dem Kollektor des Transistors 8 ist die Basis eines Transistors 12 verbunden, dessen Emitter mit der Versor­ gungsspannungsleitung 2 und dessen Kollektor mit dem Aus­ gangsanschluß 13 der Treiberstufe 6 verbunden ist. In glei­ cher Weise ist mit dem Kollektor des Transistors 9 die Ba­ sis eines Transistors 14 verbunden, dessen Emitter mit der Versorgungsspannungsleitung 3 und dessen Kollektor mit dem Ausgangsanschluß 13 der Treiberstufe 6 verschaltet ist.

Je nach Signalpolarität des am Eingangsanschluß 1 anliegen­ den Signals steuert der Operationsverstärker 5 somit einen der beiden über den Widerstand 11 gegengekoppelten Transi­ storen 8, 9 durch, die ihrerseits über ihren jeweiligen Kollektorstrom den jeweils zugeordneten Transistor 12 bzw. 14 durchsteuern. Durch die Widerstände 7, 10 wird sicherge­ stellt, daß die Transistoren 12, 14 bei fehlendem Basisan­ steuerungsstrom im Sperrzustand bleiben.

Am Ausgangsanschluß 13 ergibt sich somit eine verstärkte rechteckförmige Wechselspannung, deren Amplitude bei Voll­ aussteuerung nur um wenige hundert mV geringer ist als die Versorgungsspannung auf den Leitungen 2, 3.

Der Ausgangsanschluß 13 der Treiberstufe 6 ist über einen Widerstand 15 und eine Leitung 21 mit einem Anschluß 22 des Piezokristalls 25 verbunden, dessen anderer Anschluß 26 mit Masse 20 verbunden ist. Der Anschluß 22 des Piezokristalls 25 ist weiterhin über einen Widerstand 24 und eine Leitung 23 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 5 rückgekoppelt.

Bei einer direkten Verbindung der Anschlüsse 13 und 22 würde die Steuerschaltung als üblicher linearer Wechsel­ spannungsverstärker arbeiten, der den Piezokristall 25 sym­ metrisch ansteuert. Die hierbei vom Piezokristall 25 er­ zeugte kapazitive Stromkomponente würde in diesem Fall von den Transistoren 12, 14 vollständig als Wirkleistung ver­ braucht werden und müßte daher von der die Versorgungsspan­ nungsleitungen 2, 3 speisenden Stromversorgung aufgebracht werden.

Dieser Nachteil wird beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 durch Einfügung der zusätzlichen Komponenten 15 bis 19, zumindest teilweise vermieden. Diese zusätzlichen Komponenten umfassen eine Reihenschaltung aus einem npn- Transistor 16, dessen Basis mit dem Anschluß 13 und dessen Emitter mit dem Anschluß 22 verbunden ist, und einer Diode 18, deren Anode mit Masse (Masse- oder Nullpotential) 20 und deren Kathode mit dem Kollektor des Transistors 16 verschaltet ist. Weiterhin ist eine Reihenschaltung aus einem pnp-Transistor 17, dessen Basis mit dem Anschluß 13 und dessen Emitter mit dem Anschluß 22 verbunden ist, und einer Diode 19 vorhanden, deren Kathode mit Masse 20 und deren Anode mit dem Kollektor des Transistors 17 verschaltet ist. Der Widerstand 15 liegt somit parallel zur Basis-Emitter-Strecke der Transistoren 16, 17. Weiterhin sind zwei Stützkondensatoren 27, 28 vorhanden, die in Reihe zwischen die Versorgungsspannungsleitungen 2, 3 geschaltet und mit ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt mit Masse 20 verbunden sind.

Durch die Bauelemente 15 bis 19 wird der Auf- und Entlade­ vorgang des Piezokristalls 25 in zwei Stufen unterteilt, wobei die Masse 20 als Zwischenspannungswert eingesetzt wird. Dies wird im folgenden näher erläutert, wobei von dem Startzustand ausgegangen wird, daß am Piezokristall keine Spannung abfällt. Es ergeben sich dabei die folgenden vier Umladephasen je Signalperiode:

Phase I: Das Signal am Eingangsanschluß 1 ist negativ, so daß die Transistoren 8 und 12 durchgeschaltet sind und der Piezokristall 25 über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 12 und den Widerstand 15 bis nahezu auf das Potential der Leitung 2 aufgeladen wird. Die Diode 18 und der Transistor 17 sperren dabei.

Phase II: Das Signal am Eingangsanschluß 1 wird positiv, so daß die Transistoren 8 und 12 gesperrt und die Transistoren 9 und 14 durchgeschaltet werden. Aufgrund des nun negativen Potential am Anschluß 13 schaltet der Transistor 17 durch und leitet die positive Ladung des Piezokristalls 25 über die Diode 19 auf Masse 20 und damit an die Stützkondensatoren 27, 28 ab.

Phase III: Die Spannung am Punkt 22 fällt unter das Potential der Masse 20 ab, so daß die Diode 19 sperrt. Der Transistor 14, der während der Phase II lediglich den Ansteuerstrom für den Transistor 17 liefern mußte, lädt nun über dessen Basis-Emitter-Strecke den Piezokristall 25 auf nahezu die negative Versorgungsspannung -U_B auf.

Phase IV: Das Eingangssignal am Eingangsanschluß 1 wird wieder negativ, so daß die Transistoren 9 und 14 abgeschaltet und die Transistoren 8 und 12 erneut durchgeschaltet werden. Durch das positive Potential an der Basis des Transistors 16 wird dieser gleichfalls in den Leitzustand gebracht und leitet über die Diode 18 die negative Piezoladung auf die Masse 20 ab. Der Transistor 12 muß in dieser Phase lediglich den äußerst geringen Ansteuerstrom für den Transistor 16 bereitstellen.

Der vorstehend beschriebene Ablauf wiederholt sich dann erneut mit Phase I beginnend zyklisch.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Piezokristall 25 bipolar betrieben, wobei der Anschluß 26 fest auf Massepotential liegt. Der Piezokristall 25 kann aber auch unipolar betrieben werden, indem eine seiner Elektroden mit der Versorgungsspannungsleitung 2 oder 3 verbunden wird. Bei bipolarem Betrieb wird die gespeicherte Ladungsmenge in den Phasen II und IV direkt über dem Piezokristall 25 kurzgeschlossen, während sie bei unipolarem Betrieb in den Kondensatoren 27, 28 zwischengespeichert wird.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, das mit vier Spannungsstufen arbeitet. Die blindstrombedingte Netzteilbelastung verringert sich hierdurch auf 25%. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Komponenten 1 bis 28 identisch mit denen des ersten Ausführungsbeispiels, so daß bezüglich deren Funktion und Bedeutung auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen wird.

Gemäß Fig. 2 sind zwei weitere Zwischenspannungspotentiale 42, 43 vorhanden, die sich zwischen Stützkondensatoren 27, 41 bzw. 28, 44 befinden und über diese abgestützt werden. Die Zwischenspannungspotentiale 42, 43 sind über Schaltkreise 30, 31; 37, 38 bzw. 33, 34; 39, 40 mit der Leitung 21 gekoppelt.

In die Leitung 21 sind zwischen den Widerstand 15 und den Anschluß 13 weitere Widerstände 29, 36 seriell eingefügt. Parallel zum Widerstand 29 liegt die Basis-Emitter-Strecke eines npn-Transistors 30, der über eine Diode 31, deren Kathode mit dem Kollektor des Transistors 30 verbunden ist, und eine Leitung 32 mit dem Zwischenspannungspotential 42 gekoppelt ist. Parallel zum Widerstand 29 liegt des weiteren die Basis-Emitter-Strecke eines pnp-Transistors 33, der seinerseits über eine Diode 34, deren Anode mit dem Kollektor des Transistors 33 verbunden ist, und eine Leitung 35 mit dem Zwischenspannungspotential 43 gekoppelt ist.

In gleicher Weise liegt parallel zum Widerstand 36 die Basis-Emitter-Strecke eines pnp-Transistors 37, der über eine Diode 38, deren Anode mit dem Kollektor des Transistors 37 verbunden ist, und die Leitung 32 mit dem Zwischenspannungswert 42 gekoppelt ist. Ferner ist dem Widerstand 36 die Basis-Emitter-Strecke eines npn- Transistors 39 parallelgeschaltet, der seinerseits über eine Diode 40, deren Kathode mit dem Kollektor des Transistors 39 verbunden ist, und die Leitung 35 mit dem Zwischenspannungswert 43 gekoppelt ist.

Durch die Halbleiterbauelemente 30, 31, 33, 34 und 37 bis 40 werden zusätzlich zu den Phasen I bis IV des ersten Ausführungsbeispiels vier weitere Ladephasen erzeugt. Dies wird anhand der Beschreibung zu Fig. 3 nachstehend noch näher erläutert.

Um die richtige Ablaufreihenfolge der acht Phasen des zweiten Ausführungsbeispiels zu gewährleisten, ist der Widerstand 36 hochohmiger als der Widerstand 15 und dieser seinerseits hochohmiger als der Widerstand 29. Hierdurch wird erreicht, daß jeweils auf die Teilspannung umgeladen wird, die die geringste Differenz zur aktuellen Piezokristall-Spannung besitzt.

In den Fig. 3a-d ist schematisch die Energieaufnahme von unterschiedlichen Schaltungen am Beispiel einer Dreiecksignalfunktion gezeigt. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß in den Fig. 3b-d aus Gründen übersichtlicher Darstellung lediglich die Blindleistungsaufnahme, nicht aber die Wirkleistungsaufnahme gezeigt ist.

Fig. 3a zeigt am Beispiel einer Dreiecksignalfunktion eine Periode der am Piezokristall 25 anliegenden Ausgangsspannung der Steuerschaltung. Die lineare Steigung des Dreiecksignals führt in Verbindung mit der durch die Piezokapazität bedingten Signaldifferenzierung zu einem konstanten Ladestrom.

In Fig. 3b ist die hierbei auftretende Leistungsaufnahme einer Schaltung ohne Blindleistungsreduktion gezeigt. Diese Schaltung kann z. B. gemäß Fig. 1 bei direkter Verbindung der Punkte 13 und 22 und Weglassen der Bauelemente 15 bis 19, 27, 28 aufgebaut sein. Bei dieser Schaltung findet eine kontinuierliche Leistungsaufnahme während der gesamten Schwingungsdauer statt, die in Fig. 3b zum besseren Vergleich mit den Fig. 3c und 3d schematisch durch acht zeitlich unmittelbar aneinandergrenzende Energiepakete je Schwingungsdauer veranschaulicht ist.

Fig. 3c zeigt die Leistungsaufnahme des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1. Wie ersichtlich, werden nur noch vier statt acht Energiepakete benötigt, so daß die Blindleistungsaufnahme halbiert ist. Dies beruht darauf, daß die Treibertransistoren während der Signalabschnitte zwischen den Extremwerten und dem Erreichen des Massepotentials keinen ins Gewicht fallenden Strom führen müssen. Somit werden im Stromverbrauch vier Energiepakete je Periode eingespart.

In Fig. 3d ist die Leistungsaufnahme des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 dargestellt. Bei dem hier in vier Spannungsstufen unterteilten Auf- und Entladevorgang wird nur noch während zwei der acht Phasen je Periode Energie benötigt, und zwar in den Phasen, in denen jeweils auf den positiven oder negativen Extremwert geladen wird.

Anstelle der bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 vorgesehenen zwei bzw. vier Ladestufen kann auch jede andere beliebige ganzzahlige Anzahl von Stufen eingesetzt werden. Die obere Grenze ist lediglich durch den an den pn- Übergängen der eingesetzten Halbleiterbauelemente auftretenden Spannungsabfall gegeben und hängt von der Betriebsspannung ab.

Claims (11)

1. Steuerschaltung zur Ansteuerung eines oder mehrerer Pie­ zokristalle (25) in einem piezoelektrischen Antriebssystem, bei dem zumindest ein Piezokristallanschluß (22) über Steu­ erbauelemente (5, 6) selektiv mit auf unterschiedlichen Po­ tentialen liegenden Versorgungsspannungsleitungen (2, 3) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Zwischenspannungspotential (20; 20, 42, 43) vorgesehen ist, dessen Potential zwischen denen der Versorgungsspannungs­ leitungen (2, 3) liegt und das über Schaltkreise (16 bis 19; 16 bis 19, 30, 31, 33, 34, 37 bis 40) mit dem zumindest einen Piezokristallanschluß (22) derart gekoppelt ist, daß bei einer Veränderung des an den zumindest einen Piezokri­ stallanschluß (22) angelegten Potentials ein dabei abgege­ bener Blindstrom zumindest teilweise in das Zwischenspan­ nungspotential (20; 20, 42, 43) fließt und bei einer in entgegengesetzter Richtung stattfindenden Potentialverände­ rung der hierfür erforderliche Blindstrom durch das Zwi­ schenspannungspotential (20; 20, 42, 43) zumindest teil­ weise bereitgestellt wird.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Zwischenspannungspotential (20; 20, 42, 43) durch zumindest zwei Kondensatoren (27, 28; 27, 28, 41, 44) abgestützt ist, die in Reihe zwischen die beiden Versorgungsspannungsleitungen (2, 3) geschaltet sind, wobei die Schaltkreise (16 bis 19; 16 bis 19, 30, 31, 33, 34, 37 bis 40) mit den Verbindungsanschlüssen zwischen den Konden­ satoren (27, 28; 27, 28, 41, 44) verbunden sind.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Schaltkreis (16 bis 19; 16 bis 19, 30, 31, 33, 34, 37 bis 40) zwei Reihenschaltungen mit jeweils einer Diode und einem Transistor aufweist, die zwischen das zugehörige Zwischenspannungspotential (20; 20, 42, 43) und eine zu dem zumindest einen Anschluß des zumindest einen Piezokristalls führende, potentialmäßig umschaltbare Lei­ tung (21) eingefügt sind, wobei die Dioden in entgegenge­ setzter Richtung geschaltet sind.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis und ein weiterer Anschluß, vorzugsweise der Emitter, jedes Transistors (16, 17; 16, 17, 30, 33, 37, 39) über einen in die Leitung geschalteten Widerstand (15; 15, 29, 36) miteinander verbunden sind.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Widerstand (15; 15, 29, 36) mit zwei Di­ oden-Transistor-Reihenschaltungen (16 bis 19; 16 bis 19, 30, 31, 33, 34, 37 bis 40) verbunden ist, die, bezogen auf ihren gemeinsamen Verbindungspunkt, entgegengesetzte Leitrichtung haben.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Leitung (21) mehrere seriell geschal­ tete, jeweils mit zumindest einer Reihenschaltung verbun­ dene Widerstände (15, 29, 36) eingefügt sind.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei drei in die Leitung eingefügten Widerständen der mittlere (36) einen höheren Widerstandswert als der mit dem Piezokristallanschluß (22) verbundene Widerstand (15) und dieser wiederum einen höheren Widerstandswert als der dritte Widerstand (29) aufweist.

8. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Piezokri­ stallanschluß (22) auf den Eingang eines eingangsseitigen Operationsverstärkers (5), der ein den Leitzustand der Steuerbauelemente steuerndes Eingangssignal empfängt, rück­ gekoppelt ist.

9. Verfahren zur Ansteuerung eines oder mehrerer, eine Pie­ zokapazität bildenden Piezokristalle (25) in einem piezo­ elektrischen Antriebssystem, bei dem zumindest ein Piezo­ kristallanschluß (22) über Steuerbauelemente (5, 6) selek­ tiv mit auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Versor­ gungsspannungsleitungen (2, 3) verbindbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die bei einer Umschaltung des Potentials des Piezokristallanschlusses (22) auftretende Aufladung oder Entladung der Piezokapazität in mehrere Stufen unter­ teilt und bei einer Aufladung oder Entladung der Piezokapa­ zität um eine Stufe der hierbei auftretende Lade- oder Ent­ ladestrom von zumindest einem Zwischenspannungspotential (20; 20, 42, 43) bereitgestellt bzw. aufgenommen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Zwischenspannungspotential (20; 20, 42, 43) durch eine zwischen die Versorgungsspannungsleitungen geschaltete Reihenschaltung aus Kondensatoren (27, 28; 27, 28, 41, 44) abgestützt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Piezokristalle (25) während einzelner Stufen kurzgeschlossen werden.