DE4435832A1 - Circuit for charging and discharging capacitative loads e.g. for generating mechanical stroke of piezo-actuator - Google Patents
Circuit for charging and discharging capacitative loads e.g. for generating mechanical stroke of piezo-actuatorInfo
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Abstract
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.The invention relates to a circuit arrangement for quickly charging and discharging capacitive loads, in which there is a loss-free energy transport between the energy store and the load, in particular for generating a mechanical stroke on piezo actuators.
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.If one applies an electrical voltage to a disk-shaped piezo crystal, then due to the reciprocal piezoelectric effect on a change in thickness. This property enables construction of piezo actuators. Due to the mechanical stacking with electrical parallel connection thinner Piezoceramic disks or foils (multilayer technology) can be used with today's mechanical strokes technological means of up to 200 µm with an applied voltage swing of approx. 1 kV to reach. The electrical capacity increases due to the electrical parallel connection of many ceramic foils of piezo actuators up to 10 µF. This capacity is parasitic in nature. H. each Voltage change with the aim of changing the length of the piezo actuator causes a high Current flow to charge or discharge the capacity. That means, the piezo actuator should be on its Extend maximum length, a lot of energy must flow into the actuator, the capacity is saved until the moment when the length of the piezo actuator is reduced again then it is necessary to reduce the electrical energy stored in the capacitance to withdraw the applied voltage from the piezo actuator.
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.When using piezo actuators as a capacitive load, there is no complete return of energy take place as part of the energy with the performance of mechanical work and through self-losses of the piezo actuator to the outside world.
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.Previous circuit arrangements have used resistive circuit elements, usually an ohmic one Resistance, which is connected in series between a voltage source and the capacitance Closing a switch. The voltage across the capacitance increases in a known manner Assign exponentially to the value of the voltage source. In doing so, a resistance is added Power loss to the environment, mostly in the form of heat. The delivered The amount of heat has the same amount of energy as the electrical contained in the capacity Energy, so that only 50% of the amount of energy given off by the voltage source in the capacity at End of charging is included. To discharge, close the switch to a resistive one Circuit element, e.g. B. the ohmic resistance, connected in parallel with the capacitance. The over the Capacitance voltage drops exponentially to zero volts. The previously in the capacity contained energy is completely by the power loss of the resistance to the Environment. If the capacity is charged and discharged at a high frequency, there is a very high requirement on the voltage source for power output, which ultimately is completely released into the environment, usually in the form of heat.
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!).The solution presented in DE 30 48 632 shows a possibility of loading and unloading the Capacitance of the piezo actuator realized by the required energy in a second capacitance C ′ is cached. The charge transport between the capacities C and C 'is from realized a coil L, so that no energy losses occur during operation of the piezo actuator. A disadvantage of this arrangement, however, is the fixed timing, in which a complete Charge exchange takes place between the capacities C and C ', d. H. the voltage rise on Piezo actuator, and thus the speed of the change in length is due to the dimensioning the inductance L. The use therefore only seems to make sense for stationary operation, d. H. at constant oscillation frequency of a piezo actuator. The most serious disadvantage of this Circuit arrangement is that with lossless operation the voltage swing applied to the piezo actuator must always occur with the same amplitude, since a separation of the series connection of C, C ' and L may only take place by opening switch S2 when the current flow is zero again (after a half period T / 2) (otherwise high induction voltages above 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.The object of the invention was to provide a circuit arrangement which has a control capacitive loads, e.g. B. Piezo actuators realized without during the charging and discharging process circuit-related energy losses occur, which are meanwhile stored in the capacitance C. Energy is completely fed back into the energy source E and the voltage across the capacitance C. remains freely variable during operation in final value and rise behavior.
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.According to the invention the object is achieved in that a rechargeable energy store Series connection of a first and a second diode is connected to a capacitive load, a Inductance is connected to the anode of the first and the cathode of the second diode. Parallel to the A switch is arranged in each diode. The remaining connection ends of the energy store, the Inductance and capacitance are at a common reference potential.
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.The circuit arrangement enables control of capacitive loads that are lossless Charging and discharging of the load capacity guaranteed. Becomes a rechargeable as a voltage source Energy storage, e.g. B. capacitor or accumulator, is used when discharging from the Capacity a complete energy recovery in the voltage source, d. H. electricity flows into the Voltage source.
Vorzugsweise werden die Schalter durch elektronische Schalter ausgebildet, die durch eine Ansteuerbaugruppe gesteuert werden.The switches are preferably formed by electronic switches, which are formed by a Control module can be controlled.
Bei der Ausbildung der Schaltung mit mehreren Moduln gleicher Bauart, wird eine höhere Schaltleistung erreicht.When designing the circuit with several modules of the same type, a higher one Switching capacity reached.
Die Schaltungsanordnung sowie deren Funktion wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigtThe circuit arrangement and its function is described below using an exemplary embodiment explained in more detail. In the drawings shows
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, Fig. 1 shows a circuit arrangement according to the invention,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit n Moduln, Fig. 2 shows a circuit arrangement of the invention with n moduli
Fig. 3a einen Ansteueralgorithmus zur Aufladung des Piezoaktors mit n Moduln, Fig. 3a shows a Ansteueralgorithmus for charging the piezoelectric actuator with n moduli
Fig. 3b einen Ansteueralgorithmus zur Entladung des Piezoaktors. FIG. 3b is a Ansteueralgorithmus to discharge the piezoelectric actuator.
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.In Fig. 1, a circuit arrangement according to the invention is shown. The rechargeable voltage source E is connected in series with the piezo actuator C via the module M. The remaining ends of E, M and C are at a common reference potential. The common reference potential is connected to the positive connection of the rechargeable voltage source E.
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. Fig. 2 shows a circuit arrangement according to the invention with n = 4 modules. the switches S1₁, S2₁,. . . S1₄, S2₄ were carried out in the form of MOS junction field-effect transistors, the gate voltages of which were electrically isolated by the transformers Ü1₁, Ü2₁,. . . Ü1₄, Ü2₄ are provided by the microcontroller µC. A time regime, as shown in FIGS . 3a, 3b, was freely selected as the control algorithm. The resulting current and voltage curve on the load capacitance (actuator) can be seen in the figures in FIGS . 3a and 3b.
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.The explanation of the mode of operation should first be given only with a single-stage design (n = 1) of the circuit arrangement according to FIG . The load capacity is charged and discharged according to the clocked principle, ie switches S1 and S2 are opened and closed several times to bring the voltage across C to a desired value.
Zur Aufladung von C sind die Bauelemente S1₁, L₁, D1₁ relevant. Schalter S2₁ bleibt die gesamte Zeit der Aufladung geöffnet - Stellung 0.For charging C, the components S1₁, L₁, D1₁ are relevant. Switch S2₁ remains open for the entire charging time - position 0.
- [L1] Zum Zeitpunkt t2n wird der Schalter S1₁ geschlossen - Stellung 1. Im Zeitraum von t2n bis t2n+1 {n∈N} erfolgt ein Ansteigen des Stromes iL, der durch die Spannungsquelle E gespeist wird. Die Spule L₁ entnimmt der Spannungsquelle E die Energie. [L1] At time t 2n , switch S1 1 is closed - position 1. In the period from t 2n to t 2n + 1 {n∈N}, current i L , which is fed by voltage source E, increases. The coil L 1 takes the energy from the voltage source E.
- [L2] Zum Zeitpunkt t2n+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.[L2] At time t 2n + 1 the switch S1 1 is opened - position 0. The diode D 1 1 becomes conductive, so that the coil L 1 consumes the energy surrenders to the capacitance C.
Soll die Spannung über der Kapazität C weiter erhöht werden, wird [L1], [L2] so oft wiederholt, bis die gewünschte Endspannung erreicht ist.If the voltage across the capacitance C is to be increased further, [L1], [L2] is repeated until the desired final tension has been reached.
Zur Entladung der Lastkapazität C sind die Bauelemente S2₁, L₁, D2₁ relevant. Schalter S1₁ bleibt die gesamte Zeit der Entladung geöffnet - Stellung 0.To discharge the load capacitance C, the components S2₁, L₁, D2₁ are relevant. Switch S1 1 remains open for the entire time of discharge - position 0.
- [E1] Die Spannung über C ist größer Null. Zum Zeitpunkt t2n wird der Schalter S2₁ geschlossen - Stellung 1. Somit erfolgt im Zeitaum von t2n bis t2n+1 ein Ansteigen des Stromes iL in der Spule L₁. Die der Kapazität C entnommene Energie wird in der Spule L in Form eines Magnetflusses zwischengespeichert.[E1] The voltage across C is greater than zero. At the time t 2n , the switch S2 1 is closed - position 1. Thus, the current i L in the coil L 1 increases in the period from t 2n to t 2n + 1 . The energy taken from the capacitance C. is temporarily stored in the coil L in the form of a magnetic flux.
- [E1] Zum Zeitpunkt t2n+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 [E1] At time t 2n + 1 , the switch S2 1 is opened - position 0. The magnetic energy stored in the coil is fed into the voltage source E, since the diode D 21 is conductive. The amount of energy returned is
Soll die Spannung über der Kapazität C weiter verringert werden, wird [E1], [E2] so oft wiederholt, bis die gewünschte Endspannung erreicht ist.If the voltage across the capacitance C is to be reduced further, [E1], [E2] is repeated as often as until the desired final tension is reached.
Die Schaltzeitpunkte für die Schalter S1x und S2x 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 . . . S1n, S2n wird einen Mikrocontroller beinhalten, der zur Umsetzung des Ansteueralgorithmus programmiert ist.The switching times for the switches S1 x and S2 x can be set as values by freely selecting the control algorithm, taking into account the number n of modules connected in parallel, or can be variably set by controlled operation of the control circuit. A frequently used implementation for controlling the switches S1₁, S2₁. . . S1 n , S2 n will contain a microcontroller that is programmed to implement the control algorithm.
Die momentane Ansteuerleistung eines Moduls Mx ist:The current control power of a module M x is:
Durch die n-fach Kaskadierung der Module läßt sich die Gesamtansteuerleistung PG wesentlich erhöhen:The total drive power P G can be increased significantly by cascading the modules n times:
Dadurch lassen sich sehr hohe Anstiegsgeschwindigkeiten der am Piezoaktor anliegenden Spannung erreichen, unter Verwendung kleiner Spuleninduktivitäten Lx und einer geringen Strombelastung der Schalter S1x, S2x.As a result, very high rates of increase of the voltage applied to the piezo actuator can be achieved using small coil inductances L x and a low current load on the switches S1 x , S2 x .
BezugszeichenlisteReference list
n Anzahl der verwendeten Moduln
x Modulindex von 1 bis n
C kapazitive Last / Piezoaktor
D1x Diode
D2x Diode
E Spannungsquelle / aufladbare Energiequelle
Lx Induktivität / Spule
Mx Modul / Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1
S1x Schalter
S2x Schalter
T1x MOS-Transistor
T2x MOS-Transistor
Ü1x Übertrager 1:1
Ü2x Übertrager 1:1n Number of modules used
x module index from 1 to n
C capacitive load / piezo actuator
D1 x diode
D2 x diode
E voltage source / rechargeable energy source
L x inductance / coil
M x module / circuit arrangement according to claim 1
S1 x switch
S2 x switch
T1 x MOS transistor
T2 x MOS transistor
Ü1 x transformer 1: 1
Ü2 x transformer 1: 1
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