DE4435832A1

DE4435832A1 - Schaltungsanordnung zur schnellen und verlustfreien Ladung und Entladung kapazitiver Lasten

Info

Publication number: DE4435832A1
Application number: DE4435832A
Authority: DE
Inventors: Tobias Dipl Ing Vetter; Uwe Pippig
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2014-10-08
Also published as: DE4435832C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum schnellen Auf- und Entladen kapazitiver Lasten, bei der ein verlustfreier Energietransport zwischen dem Energiespeicher und der Last erfolgt, insbesondere zur Erzeugung eines mechanischen Hubes an Piezoaktoren.

Legt man eine elektrische Spannung an einen scheibenförmigen Piezokristall, so tritt aufgrund des reziproken piezoelektrischen Effektes eine Dickenänderung auf. Diese Eigenschaft ermöglicht den Bau von Piezoaktoren. Durch die mechanische Stapelung bei elektrischer Parallelschaltung dünner Piezokeramikscheiben bzw. -folien (Multilayertechnologie) lassen sich mechanische Hübe mit heutigen technologischen Mitteln von bis zu 200 µm bei einem angelegten Spannungshub von ca. 1 kV erreichen. Durch die elektrische Parallelschaltung vieler Keramikfolien steigt die elektrische Kapazität von Piezoaktoren auf bis zu 10 µF an. Diese Kapazität besitzt parasitäre Charakter, d. h. jede Spannungsänderung mit dem Ziel einer Längenänderung des Piezoaktors bewirkt einen hohen Stromfluß um die Kapazität auf- bzw. zu entladen. Das bedeutet, soll sich der Piezoaktor auf seine maximale Länge ausdehnen, muß sehr viel Energie in den Aktor hineinfließen, die in der Kapazität gespeichert wird, bis zu dem Moment, in dem sich der Piezoaktor wieder in seiner Länge verkürzen soll, dann ist es erforderlich, die in der Kapazität gespeicherte elektrische Energie durch Verringerung der angelegten Spannung dem Piezoaktor wieder zu entziehen.

Bei Anwendung von Piezoaktoren als kapazitive Last kann kein vollständiger Energierückfluß erfolgen, da ein Teil der Energie mit der Verrichtung mechanischer Arbeit und durch Eigenverluste des Piezoaktors an die Außenwelt abgegeben werden.

Bisherige Schaltungsanordnungen verwenden resistive Schaltungselemente, meist einen ohmschen Widerstand, der sich in Serienschaltung zwischen einer Spannungsquelle und der Kapazität durch Schließen eines Schalters befindet. Die über der Kapazität anliegende Spannung steigt in bekannter Weise exponentiell bis auf den Wert der Spannungsquelle an. Dabei wird über dem Widerstand eine Verlustleistung an die Umgebung, meist in Form von Wärme, abgegeben. Die abgegebene Wärmemenge besitzt die gleiche Energiemenge, wie die in der Kapazität enthaltene elektrische Energie, so daß nur 50% der von Spannungsquelle abgegebenen Energiemenge in der Kapazität am Ende des Ladevorganges enthalten ist. Zur Entladung wird durch Schließen des Schalters ein resistives Schaltungselement, z. B. der ohmsche Widerstand, mit der Kapazität parallelgeschalten. Die über der Kapazität anliegende Spannung fällt dabei expotentiell bis auf Null Volt. Die zuvor in der Kapazität enthaltene Energie wird dabei vollständig durch die Verlustleistung des Widerstandes an die Umgebung abgegeben. Erfolgt das Auf- und Entladen der Kapazität mit einer hohen Frequenz, besteht eine sehr hohe Anforderung an die Spannungsquelle zur Leistungsabgabe, die letztendlich vollständig an die Umwelt, meist in Form von Wärme, abgegeben wird.

Die in DE 30 48 632 vorgestellte Lösung zeigt eine Möglichkeit, die ein Auf- und Entladen der Kapazität des Piezoaktors realisiert, indem die erforderliche Energie in einer zweiten Kapazität C′ zwischengespeichert wird. Der Ladungstransport zwischen den Kapazitäten C und C′ wird dabei von einer Spule L realisiert, so daß keine Energieverluste beim Betrieb des Piezoaktors auftreten. Nachteilig in dieser Anordnung ist jedoch die feste zeitliche Vorgabe, in der ein vollständiger Ladungsaustausch zwischen den Kapazitäten C und C′ stattfindet, d. h. der Spannungsanstieg am Piezoaktor, und damit auch die Geschwindigkeit der Längenänderung ist durch die Dimensionierung der Induktivität L festgelegt. Der Einsatz erscheint dadurch nur für den stationären Betrieb sinnvoll, d. h. bei konstanter Schwingfrequenz eines Piezoaktors. Gravierendster Nachteil dieser Schaltungsanordnung ist, daß bei verlustfreiem Betrieb der am Piezoaktor anliegende Spannungshub immer wieder mit gleicher Amplitude erfolgen muß, da ein Auftrennen der Reihenschaltung von C, C′ und L durch Öffnen von Schalter S2 erst erfolgen darf, wenn der Stromfluß wieder den Wert Null (nach einer Halbperiode T/2) erreicht hat (sonst hohe Induktionsspannungen über L!).

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die eine Ansteuerung kapazitiver Lasten, z. B. Piezoaktoren realisiert, ohne daß während des Auf- und Entladevorganges schaltungsbedingte Energieverluste auftreten, die zwischenzeitlich in der Kapazität C gespeicherte Energie vollständig in die Energiequelle E zurückgespeist wird und die Spannung an der Kapazität C während des Betriebes in Endwert und Anstiegsverhalten frei variierbar bleibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein aufladbarer Energiespeicher durch Reihenschaltung einer ersten und einer zweiten Diode mit einer kapazitiven Last verbunden ist, eine Induktivität mit der Anode der ersten und der Katode der zweiten Diode verbunden ist. Parallel zu den Dioden ist je ein Schalter angeordnet. Die verbleibenden Anschlußenden des Energiespeichers, der Induktivität und der Kapazität liegen auf einem gemeinsamen Bezugspotential.

Die Schaltungsanordnung ermöglicht eine Ansteuerung von kapazitiven Lasten, die eine verlustfreie Aufladung sowie Entladung der Lastkapazität gewährleistet. Wird als Spannungsquelle ein aufladbarer Energiespeicher, z. B. Kondensator oder Akkumulator, verwendet, erfolgt bei Entladung von der Kapazität eine vollständige Energierückspeisung in die Spannungsquelle, d. h. es fließt Strom in die Spannungsquelle hinein.

Vorzugsweise werden die Schalter durch elektronische Schalter ausgebildet, die durch eine Ansteuerbaugruppe gesteuert werden.

Bei der Ausbildung der Schaltung mit mehreren Moduln gleicher Bauart, wird eine höhere Schaltleistung erreicht.

Die Schaltungsanordnung sowie deren Funktion wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit n Moduln,

Fig. 3a einen Ansteueralgorithmus zur Aufladung des Piezoaktors mit n Moduln,

Fig. 3b einen Ansteueralgorithmus zur Entladung des Piezoaktors.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt. Die wiederaufladbare Spannungsquelle E ist über den Modul M mit dem Piezoaktor C in Reihe geschaltet. Die verbleibenden Enden von E, M und C liegen an einem gemeinsamen Bezugspotential. Das gemeinsame Bezugspotential ist mit dem positiven Anschluß der wiederaufladbaren Spannungsquelle E verbunden.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit n = 4 Moduln. die Schalter S1₁, S2₁, . . . S1₄, S2₄ wurden in Form von MOS-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren ausgeführt, deren Gatespannungen potentialgetrennt durch die Übertrager Ü1₁, Ü2₁, . . . Ü1₄, Ü2₄ vom Mikrocontroller µC bereitgestellt werden. Als Ansteueralgorithmus wurde ein Zeitregime, wie in Fig. 3a, 3b dargestellt, frei gewählt. Der sich ergebene Strom- und Spannungsverlauf an der Lastkapazität (Aktor) ist den Abbildungen in Fig. 3a und 3b zu entnehmen.

Die Erläuterung der Funktionsweise soll zuerst nur bei einstufiger Auslegung (n = 1) der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 erfolgen. Der Auf- und Entladevorgang der Lastkapazität erfolgt nach dem getakteten Prinzip, d. h. es erfolgt ein mehrfaches Öffnen und Schließen der Schalter S1 und S2 um die Spannung über C auf einen gewünschten Wert zu bringen.

Laden von C

Zur Aufladung von C sind die Bauelemente S1₁, L₁, D1₁ relevant. Schalter S2₁ bleibt die gesamte Zeit der Aufladung geöffnet - Stellung 0.

[L1] Zum Zeitpunkt t_2n wird der Schalter S1₁ geschlossen - Stellung 1. Im Zeitraum von t_2n bis t_2n+1 {n∈N} erfolgt ein Ansteigen des Stromes i_L, der durch die Spannungsquelle E gespeist wird. Die Spule L₁ entnimmt der Spannungsquelle E die Energie.
[L2] Zum Zeitpunkt t_2n+1 wird der Schalter S1₁ geöffnet - Stellung 0. Die Diode D1₁ wird leitend, so daß die Spule L₁ die Energie an die Kapazität C abgibt.

Soll die Spannung über der Kapazität C weiter erhöht werden, wird [L1], [L2] so oft wiederholt, bis die gewünschte Endspannung erreicht ist.

Entladen von C

Zur Entladung der Lastkapazität C sind die Bauelemente S2₁, L₁, D2₁ relevant. Schalter S1₁ bleibt die gesamte Zeit der Entladung geöffnet - Stellung 0.

[E1] Die Spannung über C ist größer Null. Zum Zeitpunkt t_2n wird der Schalter S2₁ geschlossen - Stellung 1. Somit erfolgt im Zeitaum von t_2n bis t_2n+1 ein Ansteigen des Stromes i_L in der Spule L₁. Die der Kapazität C entnommene Energie wird in der Spule L in Form eines Magnetflusses zwischengespeichert.
[E1] Zum Zeitpunkt t_2n+1 wird der Schalter S2₁ geöffnet - Stellung 0. Die in der Spule gespeicherte magnetische Energie wird in die Spannungsquelle E gespeist, da die Diode D2₁ leitend wird. Die Menge der zurückgespeisten Energie beträgt

Soll die Spannung über der Kapazität C weiter verringert werden, wird [E1], [E2] so oft wiederholt, bis die gewünschte Endspannung erreicht ist.

Die Schaltzeitpunkte für die Schalter S1_x und S2_x lassen sich durch freie Wahl des Ansteueralgorithmus, unter Berücksichtigung der Anzahl n parallelgeschalteter Module, als Werte festlegen oder durch geregelten Betrieb der Ansteuerschaltung variabel einstellen. Eine häufig angewendete Realisierung zur Ansteuerung der Schalter S1₁, S2₁ . . . S1_n, S2_n wird einen Mikrocontroller beinhalten, der zur Umsetzung des Ansteueralgorithmus programmiert ist.

Die momentane Ansteuerleistung eines Moduls M_x ist:

Durch die n-fach Kaskadierung der Module läßt sich die Gesamtansteuerleistung P_G wesentlich erhöhen:

Dadurch lassen sich sehr hohe Anstiegsgeschwindigkeiten der am Piezoaktor anliegenden Spannung erreichen, unter Verwendung kleiner Spuleninduktivitäten L_x und einer geringen Strombelastung der Schalter S1_x, S2_x.

Bezugszeichenliste

n Anzahl der verwendeten Moduln
x Modulindex von 1 bis n
C kapazitive Last / Piezoaktor
D1_x Diode
D2_x Diode
E Spannungsquelle / aufladbare Energiequelle
L_x Induktivität / Spule
M_x Modul / Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1
S1_x Schalter
S2_x Schalter
T1_x MOS-Transistor
T2_x MOS-Transistor
Ü1_x Übertrager 1:1
Ü2_x Übertrager 1:1

Claims

1. Schaltungsanordnung zur schnellen und verlustfreien Ladung und Entladung kapazitiver Lasten, dadurch gekennzeichnet, daß ein aufladbarer Energiespeicher (E) durch Reihenschaltung der Diode (D1_x) und der Diode (D2_x) mit der kapazitiven Last (C) verbunden ist, eine Induktivität (L_x) mit der Anode von (D1_x) und der Katode von (D2_x) verbunden ist, parallel zu (D1_x) der Schalter (S2_x) und zu (D2_x) der Schalter (S1_x) angeordnet ist, und das verbleibende Anschlußende von (E), (L_x) und (C) an einem gemeinsamen Bezugknoten liegen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (S2_x) und (S1_x) elektronische Schalter sind, die durch eine Ansteuerbaugruppe geschaltet werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den durch die Dioden (D1_x) und (D2_x), der kapazitiven Last (C), den Schaltern (S2_x) und (S1_x) gebildeten Modul (M_x) n Module mit gleicher Anordnung parallel geschaltet sind.