HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erfindungsgebiet
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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritz-
Steuergerät für einen Verbrennungsmotor. Im einzelnen bezieht
sie sich auf ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät, bei dem ein
piezoelektrisches Element in einem Kraftstoffeinspritzventil
vorgesehen ist, um Formänderungen in dem piezoelektrischen
Element aufgrund einer daran angelegten Spannung vorteilhaft
zu nutzen.
Verwandter Stand der Technik
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Bisher war es bekannt, ein piezoelektrisches Element für ein
Kraftstoffeinspritzventil zum Steuern der
Kraftstoffeinspritzung zu verwenden. Beispielsweise offenbart die japanische
Patentschrift (KOKAI) Nr. 64-69756 (1989) eine Einrichtung
zum Stabilisieren von durch Temperaturänderungen verursachten
Kapazitätsänderungen eines piezoelektrischen Elements. Mit
steigender Temperatur vergrößert sich die Kapazität des
piezoelektrischen Elements. Verändert sich die Kapazität, so
wird das piezoelektrische Element bei derselben angelegten
Spannung um ein größeres Ausmaß verformt, da die Verformung
des piezoelektrischen Elements zur Menge der gespeicherten
elektrischen Ladung proportional ist, die wiederum zum
Kapazitätswert proportional ist. In der vorgenannten
Veröffentlichung wird ein Kraftstoffeinspritz-Steuergerät vorgeschlagen,
das mit einer Einrichtung ausgestattet ist zum Erfassen der
Temperaturänderung des piezoelektrischen Elements und zum
entsprechenden Steuern der an das piezoelektrische Element
angelegten Spannung zum Steuern einer Verschiebung des
piezoelektrischen Elements.
DISKUSSION DES VERWANDTEN STANDS DER TECHNIK
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Bis heute mangelt es jedoch an einem Vorschlag zum Steuern
einer an ein als Kraftstoffeinspritzventil verwendetes
piezoelektrisches Element angelegten überhöhten negativen
Spannung. Das piezoelektrische Element weist den Nachteil auf,
daß es bei einer Spannung oberhalb dessen Haltespannung
beschädigt oder zerstört wird und daß es aufgrund einer
Polarisation bei übermäßiger negativer Spannung
beschädigungsanfällig ist und dadurch eine verringerte Zuverlässigkeit oder
Lebensdauer aufweist.
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Die Druckschrift EP 0 464 443 offenbart ein Gerät zum
Ansteuern eines piezoelektrischen Elements, wobei ein
Leistungskondensator zum Aufladen des piezoelektrischen Elements und eine
zwischen den Leistungskondensator und das piezoelektrische
Element geschaltete erste Schalteinrichtung vorgesehen ist.
Das piezoelektrische Element wird unter Verwendung eines an
einem hochspannungsseitigen Anschluß des
Leistungskondensators befindlichen hohen Potentials geladen. Eine zweite
Schalteinrichtung ist zwischen dem piezoelektrischen Element
und dem Masseanschluß angeordnet zum Entladen des
piezoelektrischen Elements über eine erste Entladespule nach Masse,
wobei eine dritte Schalteinrichtung zwischen das
piezoelektrische Element und die Hochspannungsseite des
Leistungskondensators geschaltet ist zum Entladen des piezoelektrischen
Elements zu der Hochspannungsseite des Leistungskondensators
über eine zweite Entladespule. Wird die Entladeoperation des
piezoelektrischen Elements gestartet, so wird es unter
Steuerung einer Steuereinrichtung zunächst über die zweite
Entladespule zu dem hochspannungsseitigen Anschluß des
Leistungskondensators entladen und danach über die erste Entladespule
nach Masse. Nach einer Beendigung der Entladeoperation und
vor einer neuen Aufladeoperation wird die negative Spannung
an einem Anschluß des piezoelektrischen Elements (die auf ein
Minimum gefallen ist) mittels einer Erfassungseinrichtung
erfaßt und der Startzeitpunkt der Entladung nach Masse wird so
gesteuert, daß die Minimalspannung mit einer vorbestimmten
negativen Spannung in Übereinstimmung gebracht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird durch die
vorliegende Erfindung eine Kraftstoffeinspritz-Regelvorrichtung für
eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, wie sie in den
Patentansprüchen 1 und 2 beansprucht ist.
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Gemäß Patentanspruch 1 wird durch die vorliegende Erfindung
eine Kraftstoffeinspritz-Regelvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine bereitgestellt, in der eine in einem
piezoelektrischen Element gespeicherte elektrische Ladung zu einer
Stromquelle entladen wird über einen zweiten Thyristor, der
den Zeitpunkt einer elektrischen Entladung steuert, eine
zweite Drosselspule und einen Zündschalter, mit:
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einer Negativspannungserfassungseinheit zum Erfassen einer
Spannung an einem Kathodenanschluß des zweiten Thyristors;
und
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einer Negativspannungssteuereinheit zum Steuern der Spannung
an dem Kathodenanschluß des zweiten Thyristors auf im
wesentlichen ein Massepotential unter Steuerung durch ein
Ausgangssignal der Negativspannungserfassungseinheit.
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Durch die vorliegende Erfindung wird gemäß Patentanspruch 2
auch eine Kraftstoffeinspritz-Regelvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine bereitgestellt, in der eine in einem
piezoelektrischen Element gespeicherte elektrische Ladung zu
einer Stromquelle entladen wird über einen zweiten Thyristor,
der den Zeitpunkt einer elektrischen Entladung steuert, eine
zweite Drosselspule und einen Zündschalter, mit:
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einer Negativspannungserfassungs- und Halteeinheit zum
Erfassen einer Spannung an einem Kathodenanschluß des zweiten
Thyristors und zum Halten einer elektrischen Ladung; und
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einer zwischen der zweiten Drosselspule und dem Zündschalter
angeordneten Schalteinheit, die durch die
Negativspannungserfassungs- und Halteeinheit gesteuert wird und die Entladung
steuert.
ZUSAMMENFASSUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Durch eine erfindungsgemäße
Kraftstoffeinspritz-Regelvorrichtung für eine Brennkraftmaschine weist die Spannung in
dem piezoelektrischen Element aufgrund der zweiten
Drosselspule gegenüber dem Strom einen Phasenvorsprung von 90º auf,
wenn eine in dem piezoelektrischen Element gespeicherte
elektrische Ladung entladen wird, so daß sich eine
Klemmenspannung des piezoelektrischen Elements bei der Entladung der
Ladung von einem positiven Wert auf einen negativen Wert
ändert. Wird die negative Sollspannung überschritten, so wird
die Negativspannungserfassungseinrichtung zum Ausgeben eines
Ausgangssignals aktiviert, das eine
Negativspannungssteuereinheit leitend schaltet, um eine Kathodenspannung des
zweiten Thyristors im wesentlichen auf einem Massepotential zu
halten. Dies führt dazu, daß der zweite Thyristor in
Sperrrichtung vorgespannt und abgeschaltet wird, um die negative
Spannung über dem piezoelektrischen Element zu unterdrücken.
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Als alternative Maßnahme zur Unterdrückung einer negativen
Spannung über dem piezoelektrischen Element wird eine
negative Sollspannung durch eine Negativspannungserfassungs- und
Halteeinheit erfaßt, und eine Schalteinheit wechselt durch
ein Ausgangssignal der Negativspannungserfassungs- und
Halteeinheit von ihrem EIN-Zustand in ihren AUS-Zustand. Eine
elektrische Ladung wird durch den Entladestrom des
piezoelektrischen Elements in dem in der Negativspannungserfassungs-
und Halteeinheit angeordneten Kondensator gespeichert, um die
in der Negativspannungserfassungs- und Halteeinheit gehaltene
Spannung der Kapazität zu erhöhen.
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Durch die Wiederholung der Lade-/Entladezyklen des
piezoelektrischen Elements erhöht sich die auf der
Negativspannungserfassungs- und Halteeinheit gehaltene Haltespannung. Wird die
negative Sollspannung überschritten, so wird die
Schalteinheit eingeschaltet. Dies führt dazu, daß der Entladestrom des
piezoelektrischen Elements unterbrochen wird, wenn die
negative Sollspannung erreicht ist, so daß die negative Spannung
des piezoelektrischen Elements auf einem konstanten Wert
gehalten werden kann.
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Wie beschrieben, besteht erfindungsgemäß kein Risiko, daß
eine die Haltespannung überschreitende Spannung angelegt wird,
da die an das piezoelektrische Element angelegte negative
Spannung innerhalb des konstanten Bereichs geregelt werden
kann. Da die Überspannung an den Thyristoranschlüssen erfaßt
wird, wird das piezoelektrische Element nicht durch
Leckverluste oder dergleichen beeinflußt. Folglich besteht keine
Gefahr der Zerstörung oder Verschlechterung der Eigenschaften
des piezoelektrischen Elements, während die Lebensdauer und
Betriebszuverlässigkeit des piezoelektrischen Elements
verbessert werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt eine für das Verständnis der in den Fig. 2 bis 4
gezeigten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
hilfreiche Schaltung.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit einer Negativüberspannungserfassungssteuerschaltung.
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Fig. 3 zeigt ein zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung mit einer
Negativüberspannungserfassungssteuerschaltung.
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Fig. 4 zeigt ein Spannungs- und Stromsignalverlaufsdiagramm
für die in Fig. 3 gezeigte Schaltung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIE-
LE
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Nachstehend werden bevorzugte in den Fig. 2, 3 und 4
gezeigte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Ausführungsbeispiel 1
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Fig. 1 zeigt einen Schaltplan mit einer Schutzschaltung zum
Verhindern des Anlegens einer positiven Überspannung über
einem piezoelektrischen Element.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Batteriespannung Vcc
über einen Zündschalter Sw an einen Eingangsanschluß eines
Gleichstromwandlers 1 angelegt. Der Ausgangsanschluß des
Gleichstromwandlers 1 ist über eine erste Drosselspule Lc mit
einer Anode eines ersten Thyristors SCR1 verbunden. Die
Kathode des ersten Thyristors SCR1 ist mit einem
piezoelektrischen Element PZT verbunden. Somit wird das
piezoelektrische Element PZT mit einer elektrischen Ladung
geladen, wenn der Thyristor SCR1 durch ein externes Steuersignal
zum Leiten gebracht wird.
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Andererseits ist das piezoelektrische Element PZT mit einer
Anode eines zweiten Thyristors SCR2 verbunden, dessen Kathode
über eine zweite Drosselspule Ld mit einem Eingangsanschluß
des Gleichstromwandlers 1 und dem Zündschalter Sw verbunden
ist. Wird der zweite Thyristor SCR2 durch ein externes
Steuersignal zum Leiten gebracht, so wird die in dem
piezoelektrischen Element PZT gespeicherte elektrische Ladung
über den zweiten Thyristor SCR2, die zweite Drosselspule Ld
und den Zündschalter Sw in die Batterie Vcc entladen.
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Eine Erfassungseinheit 10 für positive Spannungen ist
zwischen der Drosselspule Lc und dem Thyristor SCR1 angeordnet.
Ein Ausgangssignal der Steuereinheit 10 für positive
Spannungen wird einer Steuereinheit 20 für positive Überspannungen
zugeführt, deren Ausgangsanschlüsse mit an beiden Enden der
Drosselspule Lc befindlichen Knoten verbunden sind.
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Die Erfassungseinheit 10 für positive Spannung besteht aus
Widerständen R1 und R2, einer Zenerdiode ZD1 und einem
Transistor Q1. Der Widerstand R1 ist mit seinem einen Ende an
eine Anode des Thyristors SCR1 angeschlossen, während sein
anderes Ende mit einem Verbindungsknoten des Widerstands R2 und
der Basis des Transistors Q1 verbunden ist. Der Widerstand R2
ist mit seinem anderen Ende an einer Kathode der Zenerdiode
ZD1 angeschlossen, deren Anode darstellungsgemäß mit Masse
verbunden ist. Der Emitter des Transistors Q1 ist mit einer
Anode des Thyristors SCR1 verbunden.
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Die Steuereinheit 20 für positive Spannungen besteht aus
einem Widerstand R3, einem Transistor Q2 und einer Diode D1.
Der Widerstand R3 ist mit seinem einen Ende an einen
Kollektor des Transistors Q1 angeschlossen, während sein anderes
Ende mit der Basis des Transistors Q2 verbunden ist. Der
Emitter des Transistors Q2 ist mit einer Anode der Diode D1
verbunden, während sein Kollektor mit einem Verbindungsknoten
zwischen einem Ende der Drosselspule Lc und einer Anode des
Thyristors SCR1 verbunden ist. Die Kathode der Diode D1 ist
mit dem anderen Ende der Drosselspule Lc verbunden.
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Die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung stellt
sich wie folgt dar:
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Die über den Zündschalter Sw zugeführte Spannung der Batterie
Vcc wird durch den Gleichstromwandler 1 auf ungefähr 200 bis
500 V angehoben. Da an den Gateanschluß des Thyristors SCR1
ein Triggersignal zum Unterbrechen der Kraftstoffeinspritzung
angeschlossen ist, wird der Thyristor SCR1 beim Anlegen des
Triggersignals zum Leiten gebracht, so daß die
Ausgangsspannung des Gleichstromwandlers 1 dem piezoelektrischen
Element PZT über die Drosselspule Lc und den Thyristor SCR1
zugeführt wird. Unter Zuführung der Spannung verformt sich
das piezoelektrische Element PZT und erhält eine vergrößerte
Abmessung oder Form. Das piezoelektrische Element PZT wird
als ein Ventil für eine Kraftstoffeinspritzöffnung eines
Kraftstoffeinspritzgeräts verwendet, wobei das
piezoelektrische Element PZT zum Verschließen der
Kraftstoffeinspritzöffnung beim Anlegen der Spannung in seiner Abmessung oder Form
vergrößert wird. Das bedeutet, daß das piezoelektrische
Element PZT synchron zu dem an den Thyristor SCR1 angelegten
Triggersignal zum Schließen der Kraftstoffeinspritzöffnung
verlängert wird.
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Andererseits bilden die Drosselspule Lc und die Kapazität des
piezoelektrischen Elements PZT eine LC-Resonanzschaltung.
Somit können Fälle auftreten, bei denen eine über einer
Ausgangsspannung des Gleichstromwandlers 1 befindliche Spannung
an das piezoelektrische Element PZT angelegt wird, die dessen
Haltespannung überschreitet.
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Die Zenerdiode ZD1 weist eine Zenerspannung von
beispielsweise 900 V auf. Überschreitet die Anodenanschlußspannung des
Thyristors SCR1, d. h. die an das Element PZT angelegte
Spannung, 900 V, so beginnt der Basisstrom des Transistors Q1 zu
fließen und der Kollektorstrom des Transistors Q1 fließt über
den Widerstand R3 in die Basis des Transistors Q2. Somit wird
der Transistor Q2 zum Leiten gebracht, so daß ein
Kollektorstrom fließt. Dies bewirkt, daß der von der Drosselspule Lc
über den Thyristor SCR1 fließende Strom jetzt als
Kollektorstrom des Transistors Q2 fließt, wobei der durch den
Thyristor SCR1 fließende Strom auf einen unterhalb seines
Haltestroms befindlichen Wert verringert wird. Dies führt zum
Abschalten des Thyristors SCR1, um das Anlegen einer
Überspannung an das piezoelektrische Element PZT zu verhindern und
die daran angelegte Spannung knapp vor dem Abschalten des
Thyristors SCR1 beizubehalten. Folglich wird die
Kraftstoffeinspritzöffnung im geschlossenen Ventilzustand gehalten.
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Eine Überspannungserfassung kann ohne Beeinflussung des
piezoelektrischen Elements PZT durch beispielsweise den
Leckstrom realisiert werden, da die Überspannung an der Anode des
Thyristors SCR1 erfaßt wird. Obwohl die Zenerdiode ZD1 als
die Erfassungseinheit 10 für positive Spannungen verwendet
wird, ist der aus den Widerständen R1 und R2 aufgebaute
Spannungsteiler zum Erfassen der Überspannung ausreichend.
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Fig. 2 zeigt eine Schaltung mit einem Schutzschaltungsteil
zum Verhindern einer negativen Überspannung während der
Entladung des piezoelektrischen Elements PZT.
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In Fig. 2 werden die mit den in Fig. 1 verwendeten
Schaltungskomponenten übereinstimmenden Schaltungskomponenten
durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Bezugnehmend
auf Fig. 2 ist eine Negativspannungserfassungseinheit 30 zum
Erfassen eines Kathodenpotentials eines Thyristors SCR2 mit
einer Kathode des Thyristors SCR2 verbunden. Ein Ausgang der
Negativspannungserfassungseinheit 30 ist mit einer
Negativspannungssteuereinheit 40 verbunden, die wiederum mit der
Kathode des Thyristors SCR2 verbunden ist, um den Thyristor
SCR2 negativ vorzuspannen.
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Die Funktionsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung stellt
sich wie folgt dar:
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das piezoelektrische Element PZT wird verlängert, solange
eine elektrische Ladung auf dem Element PZT gehalten wird,
wobei eine Kraftstoffeinspritzöffnung somit geschlossen wird.
Zum Öffnen der Kraftstoffeinspritzöffnung muß die in dem
Element PZT gespeicherte elektrische Ladung entladen werden. Die
elektrische Entladung wird eingeleitet, wenn das
Triggersignal an den Gateanschluß des Thyristors SCR2 angelegt wird,
um den Thyristor SCR2 durchzuschalten, wobei die elektrische
Ladung über den Thyristor SCR2, die Drosselspule Ld und den
Zündschalter Sw zu der Batterie Vcc entladen wird.
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Die Kapazität des piezoelektrischen Elements PZT führt jedoch
in Verbindung mit der Induktivität der Drosselspule Ld zu
einem Resonanzvorgang, während die Phase des Stroms aufgrund
der Induktivität der Drosselspule Ld gegenüber der Spannung
um 90º verzögert wird. Folglich erreicht der Strom ein
Maximum einer Sinuswelle, wenn die Spannung über beiden Enden der
Drosselspule Ld von einem positiven Wert allmählich auf 0
absinkt. Wenn sich der Strom ausgehend von seinem Maximalwert
verringert, so sinkt die Spannung über beiden Enden der
Drosselspule Ld von 0V in Richtung einer negativen Spannung.
Folglich wird dem piezoelektrischen Element PZT während der
elektrischen Entladung eine negative Spannung zugeführt.
Falls eine übermäßige negative Spannung anliegt, werden die
charakteristischen Merkmale des piezoelektrischen Elements,
wie beispielsweise Änderungen in der Größe oder Form,
aufgrund der Overshoot- oder Undershoot-Charakteristik (als
Butterflycharakteristik bezeichnet) gestört.
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Wird eine negative Sollspannung angelegt, so beginnt die
Zenerdiode ZD2 in der Negativspannungserfassungseinheit 30 zu
leiten, wodurch ein Stromfluß durch den Widerstand R4 und den
Gateanschluß des Thyristors SCR3 hervorgerufen wird. Dadurch
wird der Thyristor SCR3 durchgeschaltet, wobei dessen
Kathodenanschluß im wesentlichen Massepotential aufweist. Somit
befindet sich auch der Kathodenanschluß des Thyristors SCR2
auf demselben Potential, so daß der Thyristor SCR2 in
Sperrrichtung vorgespannt und nichtleitend geschaltet wird.
Dadurch kann das Anliegen einer übermäßigen negativen Spannung
über dem piezoelektrischen Element PZT verhindert werden.
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In dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wird die negative
Spannung durch die Zenerdiode ZD2 erfaßt. Die Erfassung der
negativen Spannung kann auch ausschließlich durch einen
Spannungsteiler erfolgen. Darüber hinaus kann die
Kathodenanschlußspannung des Thyristors SCR2 auch durch Verwenden einer
Kombination aus Transistoren oder FETs anstelle des
Thyristors SCR3 im wesentlichen auf Massepotential gesteuert
werden.
Ausführungsbeispiel 2
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Fig. 3 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel für die
Steuerung der negativen Spannung des piezoelektrischen
Elements PZT. In einem dort gezeigten Entladestrompfad des
piezoelektrischen Elements PZT ist das eine Ende des Elements
PZT auf Masse gelegt und das andere Ende mit einer Anode des
zweiten Thyristors SCR2 verbunden, wobei dessen
Kathodenanschluß mit einem Ende einer zweiten Drosselspule Ld verbunden
ist. Das andere Ende der zweiten Drosselspule Ld ist mit
einer Schalteinheit 60 verbunden. Der
Spannungserfassungsanschluß einer Negativspannungserfassungs- und Halteeinheit 50
ist mit einem Verbindungsknoten der Drosselspule LD und eines
Kathodenanschlußes des Thyristors SCR2 verbunden, während ihr
Spannungshalteanschluß mit einem Verbindungsknoten der
Drosselspule Ld und der Schalteinheit 60 verbunden ist. Ein
Ausgangssignal der Negativspannungserfassungs- und Halteeinheit
50 ist mit der Schalteinheit 60 verbunden, während ein
Ausgangsanschluß der Schalteinheit 60 mit einem Ende des
Zündschalters Sw und mit einem Eingangsanschuß des
Gleichstromwandlers 1 verbunden ist.
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Bezugnehmend auf die in Fig. 3 gezeigte
Negativspannungserfassungs- und Halteschaltung 50 ist ein Kathodenanschuß einer
Diode D3 mit einem Spannungserfassungsanschluß verbunden,
während ein Anodenanschluß der Diode D3 mit einem
Verbindungsknoten eines Endes eines Widerstands R5 und eines Endes
eines mit dem Spannungshalteanschluß verbundenen Kondensators
C1 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstands R5 ist mit
einem Anodenanschuß einer Zenerdiode ZD3 verbunden. Ein
Kathodenanschluß der Zenerdiode ZD3 ist mit einem
Verbindungsknoten eines Endes eines Widerstands R6 und der Basis eines
Transistors Q4 verbunden, während das andere Ende des
Widerstands R6 und der Emitter des Transistors Q4 mit einem
Emitter eines Transistors Q6 der Schalteinheit 60 verbunden sind.
Der Kollektor des Transistors Q4 ist über
Spannungsteilerwiderstände R7 und R8 mit Masse verbunden. Ein
Verbindungsknoten der Widerstände R7 und R8 ist mit der Basis eines
Transistors Q5 verbunden. Der Emitter des Transistors Q5 ist mit
Masse verbunden, während dessen Kollektor mit der Basis des
Transistors Q6 der Schalteinheit 60 verbunden ist. Der
Kollektor des Transistors Q6 ist über einen Lastwiderstand R9
und einen Vorspannungswiderstand R10 mit seiner Basis
verbunden, während ein Verbindungsknoten der Widerstände R9 und R10
mit einem Anschluß eines Kondensators C2 und mit einem
Spannungshalteanschluß der Drosselspule Ld verbunden ist, wobei
der andere Anschluß des Kondensators C2 mit Masse verbunden
ist. Der Emitter des Transistors Q6 ist mit einem Eingang des
Gleichstromwandlers 1 und mit einem Ende des Zündschalters Sw
verbunden.
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Die Funktionsweise der in Fig. 3 gezeigten Schaltung wird auf
Grundlage des Spannungs/Strom-Signalverlaufsdiagramms gemäß
Fig. 4 erläutert. Zum Zeitpunkt einer auf ein erstes
elektrisches Aufladen des piezoelektrischen Elements PZT folgenden
elektrischen Entladung fließt der Entladestrom über den
Thyristor SCR2, die Drosselspule Ld und den Transistor Q6. Eine
Spannung an einem Knoten VREG stimmt zu diesem Zeitpunkt im
wesentlichen mit der Batteriespannung Vcc überein. Da die
Diode D3 abgeschaltet ist, ist eine Spannung an einem Knoten
VPPZT im wesentlichen 0. Dieser Zustand entspricht einem Punkt
A in Fig. 4.
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Während der elektrischen Entladung erfahren die Spannung und
der Strom aufgrund der Drosselspule Ld eine gegenseitige
Phasenverschiebung von 90º. Wenn der Entladestrom des
piezoelektrischen Elements PZT einen Maximalwert erreicht, so ergibt
sich eine mit einer Spannung VREG übereinstimmende
Anschlußspannung des piezoelektrischen Elements PZT. Verringert sich
der Entladestrom des piezoelektrischen Elements PZT ausgehend
von seinem Maximalwert, so wird die Anschlußspannung des
piezoelektrischen Elements PZT negativ, während das Potential
der Drosselspule Ld auf der Seite des Thyristors SCR2
denselben negativen Wert aufweist. Die Spannung VREG verbleibt
jedoch im wesentlichen in Übereinstimmung mit der Spannung Vcc.
Wird das Potential der Drosselspule Ld auf der Seite des
Thyristors SCR2 negativ, so wird die Diode D3 aufgrund des über
der Drosselspule Ld vorliegenden Potentialunterschieds in
Durchlaßrichtung vorgespannt. Dies führt zu einem
elektrischen Ladungsfluß von dem Knoten VREC zu dem Kondensator C1
und zu der Diode D3. Die Spannung VPPZT weist einen im
wesentlichen mit der Anschlußspannung des piezoelektrischen
Elements PZT übereinstimmenden negativen Wert auf, und wird mit
ihrer Anschlußspannung verringert.
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Wird die Anschlußspannung des piezoelektrischen Elements PZT
weiter verringert und in Übereinstimmung mit einer durch die
Zenerdiode ZD3 eingestellten negativen Sollspannung gebracht,
wie beispielsweise 300 V, so fließt der Strom durch die Diode
D3, die Zenerdiode DZ3 und die Basis des Transistors Q4, um
den Transistor Q4 einzuschalten. Dies führt zu einem
Kollektorstrom des Transistors Q4 in die Spannungsteilerwiderstände
R7 und R8, wodurch eine Basisvorspannung des Transistors Q5
entsteht und der Transistor Q5 eingeschaltet wird. Wird der
Transistor Q5 eingeschaltet, so ergibt sich eine
Basisvorspannung des Transistors Q6 mit im wesentlichen Massepegel
und der Transistor Q6 wird abgeschaltet. Dieser Zustand
entspricht einem Punkt B in Fig. 4.
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Wird der Transistor Q6 abgeschaltet, so fließt der
Entladestrom des piezoelektrischen Elements PZT durch den Thyristor
SCR2, die Drosselspule Ld und den Transistor Q5. Der
Kondensator C2 wird bis zur Unterbrechung des Entladestroms
geladen. Somit ergibt sich die Spannung an dem Knoten VREG zu V
+ ΔVREG, wobei ΔVREG eine Spannungserhöhung mit einem Wert von
ungefähr mehreren Volt kennzeichnet. Die Spannung VPPZT
verringert sich weiter mit der Anschlußspannung des
piezoelektrischen Elements PZT. Wenn der Entladestrom auf 0 verringert
ist, so wird Spannung VPPZT durch den Kondensator C1 auf einem
negativen Wert von beispielsweise -400 V gehalten. Die
Anschlußspannung des Kondensators C1 beträgt auf der VREG-Seite
Vcc + ΔVREG, beispielsweise 25 V, und beispielsweise -400 V auf
der VPPZT-Seite.
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Wird das piezoelektrische Element PZT nach dem zweiten
Aufladen entladen, da sich der Transistor Q6 jetzt im AUS-Zustand
befindet, so fließt der Entladestrom von dem
piezoelektrischen Element PZT zu dem Kondensator C2 über den Thyristor
SCR2 und die Drosselspule Ld, wobei die Spannung VREG
allmählich ansteigt. Da der Vorspannungswiderstand R10 einen hohen
Widerstandswert aufweist, ist der durch den Transistor Q5
fließende Strom im wesentlichen vernachlässigbar.
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Mit zunehmender Spannung VREG steigt auch die Spannung VPPZT
über den Kondensator C1 um den Betrag des Spannungsanstiegs
VREG. Dies entspricht dem in Fig. 4 gezeigten Zustand gemäß C.
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Die Spannung des Knotens VREG erhöht sich mit jeder Entladung
des piezoelektrischen Elements PZT. Werden die Lade-
/Entladezyklen des piezoelektrischen Elements PZT mit
zigfacher Häufigkeit wiederholt und die Spannung VREG dadurch um
beispielsweise 100 V erhöht, so steigt die Spannung VPPZT
beispielsweise von -400 V auf -300 V. Wird die Spannung VPPZT höher
als die durch die Zenerdiode DZ3 eingestellte Spannung, wie
beispielsweise 300 V, so werden beide Transistoren Q4 und Q5
abgeschaltet, während der Transistor Q6 eingeschaltet wird.
Bei eingeschaltetem Transistor Q6 wird der Kondensator C2
entladen, um das Potential an dem Knoten VREG abzusenken. Das
Potential des Knoten VPPZT Wird auch über den Kondensator C1
verringert, wodurch der Strom durch die Zenerdiode ZD3
fließt. Dadurch werden die Transistoren Q4 und Q5
eingeschaltet, während der Transistor Q6 abgeschaltet wird. Die
Klemmenspannung des piezoelektrischen Elements PZT stimmt zu
diesem Zeitpunkt im wesentlichen mit der Spannung an dem Knoten
VPPZT überein. Dies entspricht dem in Fig. 4 gezeigten Zustand
gemäß D.
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Danach werden die Potentiale an den Knoten VREG, VPPZT durch
das Laden und Entladen des Kontensators C2 erhöht und
verringert, wobei der Transistor Q6 wiederholt in der Nähe der
durch die Zenerdiode DZ3 eingestellten Spannung ein- und
ausgeschaltet wird, zum Beibehalten des Potentials VPPZT auf im
wesentlichen demselben Wert. Folglich wird die negative
Spannung des piezoelektrischen Elements PZT zum Zeitpunkt der
Beendigung der Entladung auf einem konstanten Wert beibehalten.