KR101248987B1

KR101248987B1 - 전류 소스, 제어 디바이스 그리고 상기 제어 디바이스를 작동시키기 위한 방법

Info

Publication number: KR101248987B1
Application number: KR1020087007319A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 ?첸베르거
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2013-03-29
Also published as: KR20080082598A; DE102005040531A1; CN101310102A; EP1917433A1; US7732946B2; CN101310102B; WO2007023159A1; US20080238199A1

Abstract

본 발명은 제어 입력부(54)를 갖고 상기 제어 입력부(54)에 의해 수신되는 제어 신호에 따라 출력 전류(I_A)를 조절하도록 설계된 제1 스위칭 소자(T1)를 포함하는 전류 소스에 관한 것이다. 전류 소스는 또한 출력 전류(I_A)가 기준 저항(R_S)을 통해 흐르도록 제1 스위칭 소자(T1)에 전기적으로 커플링된 기준 저항(R_S)을 포함한다. 상기 기준 저항(R_S)은 직렬로 배열된 제1 개별 기준 저항(R5) 및 제2 개별 기준 저항(R6)과, 상기 제1 개별 기준 저항(R5)과 병렬로 접속되는 다이오드(D1)를 포함한다. 제1 개별 기준 저항(R5)은 제2 개별 기준 저항(R6)보다 더 높은 임피던스를 갖는다. 전력 소스는 제어기(52)를 구비하고, 상기 제어기에는 미리 결정된 기준 전위(U_REF)가 공급되고 제어기의 활성화 신호는 제1 스위칭 소자(T1)의 제어 신호를 구성한다. 제2 스위칭 소자(T2)는, 상기 소자가 제1 스위칭 상태일 때 제1 개별 기준 저항(R5) 및 제2 개별 기준 저항(R6) 사이의 양단의 전압으로 구성되고 상기 소자가 제2 스위칭 상태일 때 제2 개별 기준 저항(R6)의 양단에서의 전압 강하로 구성되는 실제 값을 제어기(52)에 공급하도록 구성된다.

Description

전류 소스, 제어 디바이스 그리고 상기 제어 디바이스를 작동시키기 위한 방법{CURRENT SOURCE, CONTROL DEVICE AND METHOD FOR OPERATING SAID CONTROL DEVICE}

본 발명은 전류 소스와 특히 압전 작동기(a piezo actuator)에서 사용하기 위한 제어 디바이스 및 상기 제어 디바이스를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

자동차에 배치되는 내연엔진들의 허용되는 오염 방출물에 관하여 훨씬 더 엄격해지는 법적 요구사항들은 오염 방출물이 감소하도록 하는 다양한 조치들을 취할 필요가 있게 한다. 이러한 경우에서 한 접근법은 공기/연료 혼합 연소 과정 동안에 생성되는 오염 방출물을 감소시키는 것이다. 특히 그을음의 형성은 내연엔진의 각각의 실린더에서 공기/연료 혼합 준비에 심하게 좌우된다. 매우 우수한 혼합 준비를 획득하기 위하여, 연료는 매우 고압에서 점점 분배된다. 디젤 내연엔진의 경우, 연료 압력은 2000 바까지 이른다. 작동기로서 압전 작동기를 이용한 주입 밸브들이 이러한 애플리케이션들을 위해 점점 사용되고 있다. 압전 작동기들의 눈에 띄는 특징은 그들의 매우 짧은 반응 시간이다. 따라서, 이러한 타입의 주입 밸브는 필요하다면 내연엔진의 실린더의 작동 주기 내에서 수차례 연료를 분배하기에 적합하다.

특히 우수한 혼합 준비는 파일럿 주입으로서도 공지된 하나 이상의 사전-주 입이 주요 주입 이전에 수행되는 경우에 달성될 수 있으며, 필요하다면 각각의 파일럿 주입을 위해 분배될 연료 부피는 매우 작다. 특히 이러한 경우에 주입 밸브의 정확한 활성화는 매우 중요하다.

압전 작동기를 충전하고 방전하는 것은 주입 밸브의 정확한 활성화와 관련하여 중요한 역할을 맡는다. 이를 위해, 출력단(a power output stage)이 규칙적으로 제공되지만, 상기 출력단은 압전 작동기의 방전 과정 동안에 완전히 방전될 수 없다. 완전한 방전을 위해 이러한 작업을 맡을 수 있지만 그렇게 함으로써 그러나 열 응력에 종속되는 회로 소자가 상기 접속부에 제공된다.

본 발명의 목적은 제1 측면에 따르면 두 개의 상이한 출력 전류가 설정될 수 있도록 하는 단순한 전류 소스를 제공하는 것이다. 다른 측면에 따르면 본 발명의 목적은 두 개의 상이한 출력 전류가 단순한 방식으로 설정될 수 있도록 하는 제어 디바이스 및 상기 제어 디바이스를 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 독립항들의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명의 유용한 실시예들은 종속항들에 기재된다.

제1 측면에 따른 본 발명의 눈에 띄는 특징은 제1 회로 소자를 갖는 전류 소스이며, 상기 제1 회로 소자는 제어 입력부를 갖고 자신의 제어 입력부에서의 제어 신호에 따라 출력 전류가 전류 소스의 출력 측에 설정될 수 있도록 구현된다. 상기 전류 소스는 또한 출력 전류가 기준 저항을 통해 흐르도록 제1 회로 소자에 전기적으로 커플링된 상기 기준 저항을 갖는다. 기준 저항은 직렬로 배열된 제1 개별 기준 저항과 제2 개별 기준 저항을 특징으로 한다. 또한, 다이오드가 제1 기준 저항에 병렬 접속되고 기준 저항을 통해 지정된 전류 방향에 상응하는 전도성 방향으로 접속된다. 제1 개별 기준 저항은 제2 개별 기준 저항보다 더 높은 임피던스를 갖는다. 전류 소스는 또한 미리 결정된 기준 전위가 설정점 값(a setpoint value)으로서 공급되고 자신의 정정 신호가 제1 회로 소자의 제어 신호인 제어기를 포함한다. 전류 소스는 또한, 제1 스위칭 상태에서 제1 개별 기준 저항 및 제2 개별 기준 저항의 양단에서의 전압 강하를 나타내는 설정점 값으로서 제1 전위차를 제어기에 인가하고 제2 스위칭 상태에서 제2 개별 기준 저항의 양단에서의 전압 강하를 나타내는 요구된 값으로서 제2 전위차를 상기 제어기에 인가하도록 구현되어 배치되는 제2 회로 소자를 갖는다. 이는 전류 소스의 두 개의 상이한 출력 전류를 실현하기 위하여 단지 하나의 기준 전위가 필요한 장점을 갖는다. 이는 특히 두 개의 상이한 기준 전위들을 구현하기 위한 상응하는 회로 장치를 제공하는 것과 비교하여, 회로에 있어서 더 낮은 경비를 동반한다.

기준 저항의 다른 눈에 띄는 특징은, 상기 기준 저항이 제1 기준 저항 및 제2 기준 저항의 양단에서의 전압 강하에 따라 상이한 임피던스 값들을 갖는다는 것이다. 이는 다이오드를 병렬로 제1 개별 기준 저항에 접속시킴으로써 특히 간단하게 구현된다. 제1 개별 기준 저항이 제2 개별 기준 저항보다 더 높은 임피던스를 갖는다는 사실은 따라서 명백하게 상이한 출력 전류들이 전류 소스에 설정될 수 있도록 하고 이는 심지어 제어기의 정정 신호의 오프셋에 관해서도 각각의 경우에 매우 정확하게 수행될 수 있다. 부가하여, 제1 개별 기준 저항 및 제2 개별 기준 저항은 각각의 출력 전류에 적합한 작은 허용치로 각각 구현될 수 있다.

본 발명의 제1 측면의 유용한 실시예에 따르면, 제어기와 제2 회로 소자가 집적회로에 배열되고 기준 저항과 제1 회로 소자가 상기 집적회로의 외부에 배열된다. 이것의 장점은 전류 소스를 구현하는데 필요한 집적회로의 입력들 또는 출력들이 소수라는 점이다. 다른 한편, 집적회로는 또한 각각의 애플리케이션에 요구되는 출력 전류와 무관하게 사용될 수 있고, 각각의 애플리케이션에 대하여 적합한 개별 기준 저항들과 상응하게 적합한 제1 회로 소자에 의해 적응될 수 있다. 따라서, 전류 소스는 전체적으로 저렴하게 생산될 수 있다.

본 발명의 제1 측면의 다른 유용한 실시예에 따르면, 제1 제어 파라미터 경로는 제1 회로 소자와 기준 저항 사이에 전기적으로 배열된 제1 노드점에 제어기를 전기적으로 출력 측에서 커플링시킨다. 제1 제어 경로 소자는 미리 결정될 수 있는 임피던스를 갖는다. 따라서, 제어기의 동작은 제2 회로 소자의 제1 스위칭 상태에 할당되는 제1 출력 전류에 대하여 간단한 방식으로 설정될 수 있다.

본 발명의 제1 측면의 다른 유용한 실시예에 따르면, 제1 개별 기준 저항과 제2 개별 기준 저항 사이에 전기적으로 배열된 제2 노드점에 제어기를 전기적으로 출력 측에서 커플링시키는 제2 제어 파라미터 경로가 제공된다. 제2 제어기 파라미터 경로는 미리 결정될 수 있는 파라미터를 갖는다. 이러한 방식으로, 제어 동작은 제2 회로 소자의 제2 스위칭 상태에 할당되는 제2 출력 전류에 대하여 간단한 방식으로 설정될 수 있다.

본 발명의 제1 측면의 다른 유용한 실시예에 따르면, 제1 제어 파라미터 경로 및/또는 제2 제어 파라미터 경로의 미리 결정될 수 있는 임피던스는 비례적이고 통합적인 제어 동작이 이루어지도록 구현된다. 이것은 특히 유리함이 증명되었다.

제1 측면의 다른 유용한 실시예에 따르면, 제2 제어 파라미터 경로의 미리 결정된 임피던스는 제1 제어 파라미터 경로의 미리 결정될 수 있는 임피던스보다 약 적어도 십 분의 일(one order of magnitude) 더 작다. 이것은 제1 출력 전류 또는 제2 출력 전류의 설정에 있어서 제어 동작이 사실상 무관하게 이루어질 수 있다는 장점을 갖는다.

제2 측면에 따르면, 본 발명의 눈에 띄는 특징은 압전 작동기를 제어하기 위해 제어되는 전류 소스를 갖는 제어 디바이스이며, 상기 전류 소스는 상기 전류 소스는 압적 작동기를 방전할 수 있도록 압전 작동기에 커플링될 수 있다.

제어 디바이스는 전류 소스에 병렬로 전기적으로 배열된 압전 작동기를 충전 및 방전하기 위한 출력단을 갖는다.

본 발명의 제1 측면의 장점들과 그 유용한 실시예는 본 발명의 제2 측면의 장점들과 그 실시예에 상응한다.

제3 측면에 따르면, 상기 제어 디바이스를 작동시키기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법에서 출력단은 압전 작동기를 방전하기 위해 활성화되고 후속하여 제2 회로 소자가 출력단의 추가 방전을 위해 자신의 제2 스위칭 상태에 설정되고, 이는 제1 출력 전류를 설정한다. 출력단에서 에러 발생시, 제2 회로 소자는 압전 작동기를 방전하기 위해 자신의 제1 스위칭 셋팅에 설정되고, 이는 제2 출력 전류를 설정한다. 이는 제1 회로 소자를 열적으로 손상시키지 않고서 출력 전류와 사실상 제2 출력 전류가 압전 작동기의 거의 완전한 잔여 방전을 위해 적합하게 높게 선택될 수 있도록 하는 장점을 갖는다. 또한, 출력단에 의해 지원되는 방전이 불가능하거나 더욱 어렵게 수행되는 경우, 특히 또한 출력단의 결점 또는 특정 에러 상태 발생시 안전한 상태를 설정하기 위하여, 출력 전류와 실제로 제1 출력 전류는 제1 회로 소자에 열적으로 과부하를 주지 않으면서 동시에 압전 작동기를 완전하게 방전할 수 있도록 하기 위하여 적절하게 낮게 설정될 수 있다. 따라서, 제어기를 교체하길 바라는 사람들에게 우수한 보호가 제공될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 개략적인 도면들을 참조하여 하기에 기술된다.

도 1은 제어 디바이스를 갖는 주입 밸브에 대한 도면,

도 2는 도 1에 따른 제어 디바이스의 일부분들에 대한 상세도.

동일한 구성을 갖거나 동일한 방식으로 기능을 하는 소자들은 모든 도면들에서 동일한 참조부호들에 의해 식별된다.

주입 밸브(도 1)는 압전 작동기(PAKT1)가 그 내부로 장착되는 리세스를 갖는 주입기 하우징(1)을 갖고, 상기 압전 작동기(PAKT1)는 전송기(6)에 커플링된다. 상기 전송기(6)는 누출 공간(8)에 배열된다. 서보 밸브(servo valve)로서 바람직하게 구현되는 스위칭 밸브(10)는 자신의 스위칭 상태에 따라 바람직하게는 연료인 누출 유체를 제어하도록 배열된다. 상기 스위칭 밸브는 전송기를 통해 압전 작동 기(PAKT1)에 커플링되고 상기 압전 작동기에 의해 구동되는데, 이는 스위칭 밸브(10)의 스위칭 상태가 압전 작동기(PAKT1)를 통해 설정됨을 의미한다. 필요하다면, 압전 작동기(PAKT1)는 또한 전송기(6)의 개입 없이 스위칭 밸브(10) 상에서 동작할 수 있다. 스위칭 밸브(10)는 밸브 플레이트(12)에 배열된다. 상기 스위칭 밸브(10)는 그 상태가 압전 작동기(PAKT1)를 통해 설정될 수 있는 밸브 소자를 포함하는데, 한 스위칭 상태에서 상기 밸브 소자는 밸브 플레이트에 접촉하고 따라서 연료가 누출 공간으로 물러나는 것을 방지한다. 다른 스위칭 상태에서, 상기 밸브 소자는 밸브 플레이트(12)의 벽으로부터 거리를 두고 따라서 연료가 누출 공간(80)으로 물러날 수 있도록 한다. 압전 작동기는 한 더미의 압전 소자들을 포함한다. 상기 압전 소자들의 더미는 한 소자 위에 다른 소자가 적층된 예컨대 약 200개의 압전 소자들을 포함한다. 압전 소자들의 더미는 전송기(6)와 폐쇄 소자 사이에서 압전 소자들의 더미를 텐션(tension)시키는 코일 스프링에 의해 바람직하게 둘러싸인다.

주입 밸브는 또한 바늘 가이드 몸체(14)와 노즐 몸체(16)를 포함한다. 밸브 플레이트(12), 바늘 가이드 몸체(14) 그리고 노즐 몸체(16)는 노즐 클램핑 너트(18)를 통해 주입기 하우징(1)에 부착된 노즐 모듈을 형성한다.

바늘 값 몸체(14)는 노즐 몸체(16)에서 노즐 몸체(16)의 리세스로서 이어지는 리세스를 갖고, 주입기 바늘(24)이 상기 바늘 값 몸체에 배열된다. 주입기 바들(24)은 바늘 가이드 몸체(14)에서 가이드된다. 노즐 스프링(26)은 연료가 주입 보어(injection bore)(28)를 통해 흐르는 것을 방지함으로써 주입기 바늘(24)을 폐 쇄 상태로 유지한다.

밸브 플레이트(12)를 향해 있는 주입기 바늘(24)의 축단부(axial end)에서, 인입 플랩(inlet flap)(31)을 통해 고압 보어(32)에 수력으로 커플링된 제어 챔버(30)가 구현된다. 스위칭 밸브(10)가 자신의 폐쇄 상태에 있을 경우, 제어 챔버(30)는 누출 공간(8)으로부터 수력으로 디커플링된다. 이것의 결과는, 스위칭 밸브 폐쇄들 10 이후에 제어 챔버(30)의 압력이 고압 보어(32)의 압력과 필연적으로 균일해지는 것이다. 내연엔진 내 주입 밸브에서 사용될 때, 고압 보어(32)는 고압 완충기(high-pressure accumulator)에 수력으로 커플링되고 따라서 예컨대 2000 바까지의 압력으로 연료가 공급된다.

주입기 바늘(24)을 향해 있는 제어 챔버(30)의 유체 압력의 결과로서, 제어 챔버(30)를 통해 주입기 바늘(24)의 폐쇄 방향으로 힘이 가해진다. 주입기 바늘(24)은 또한, 자신의 전면으로부터 축방향으로 간격을 두어, 고압 보어(32)를 통해 흐르고 있는 유체가 상기 힘이 주입기 바늘(24)을 개방하게 동작하도록, 즉 폐쇄 방향의 반대로 동작하도록 제공되는 스텝을 특징으로 한다. 폐쇄 상태에서, 주입기 바늘(24)은 주입 노즐(28)을 통한 연료 흐름을 막는다. 주입기 바늘(24)이 폐쇄 상태로부터 시작하여 제어 챔버(30)로 움직이면, 밸브 플레이트(12)에 의해 구현된 제어 챔버(30)의 벽 영역과 접촉함으로써, 주입 노즐(28)을 통해 특히 개방 상태에서 연료의 흐름을 릴리스한다.

주입기 바늘(24)이 개방 상태에 있는지 또는 폐쇄 상태에 있는지의 여부는 주입기 바늘(24)의 스텝에서 그곳에서 획득되는 유체 버스의 압력에 의해 생성되는 힘이 주입기 바늘(24)의 전면에 가해지는 압력과 노즐 스프링(26)에 의해 생성되는 힘보다 더 큰지 또는 더 작은지의 여부에 좌우된다.

스위칭 밸브(10)가 개방 상태에 있을 경우, 유체는 제어 챔버(30)로부터 스위칭 밸브(10)를 통해 누출 공간(8)으로 흐른다. 인입 플랩의 적절한 치수에 의해, 제어 챔버(30) 내 압력이 떨어지고, 이는 최종적으로 주입기 바늘이 개방 상태로 움직이도록 유도한다. 누출 공간(8)의 유체 압력은 고압 보어의 유체 압력보다 훨씬 더 낮다.

제어 디바이스(38)는 주입 밸브에 할당된다. 제어 디바이스(38)는 주입 밸브의 압전 작동기(PAKT1)에 대한 정정 신호(SG)를 생성하도록 구현된다. 제어 디바이스(38)는 추가 주입 밸브들에 할당되는 추가 압전 작동기들(PAKT2-4)에 대한 정정 신호를 생성하도록 바람직하게 또한 구현된다.

정정 신호(SG)는 바람직하게 펄스-높이-변조되는 바람직하게는 전류 신호이다. 충전 과정(LV)의 개시로부터 시작하여, 충전 과정이 완료되지 않는 한, 미리 결정된 수의 펄스들, 그래서 예컨대 20 펄스들이 미리 결정된 지속기간 및 기간으로 생성된다.

각각의 펄스의 높이는 충전 과정 동안에 압전 작동기(PAKT1)에 공급될 전기 에너지를 설정한다. 충전 과정(LV) 동안에 압전 작동기(PAKT1)에 공급될 에너지는 작동 파라미터들에 따라 결정된다. 압전 작동기(PAKT1)에 공급된 에너지는 상기 압전 작동기의 축방향 스트로크에 영향을 주고 따라서 또한 제어 챔버(30)의 압력 경과에도 영향을 준다.

제어 디바이스(40)는 압전 작동기(PAKT1)의 방전 과정을 실행하도록 또한 구현된다. 바람직하게, 이를 위해 미리 결정된 수의 방전 펄스들, 예컨대 20 펄스들이 미리 결정된 지속기간 및 기간으로 생성된다. 각각의 펄스의 높이는 방전 과정 동안에 압전 작동기(PAKT1)로부터 제거될 전기 에너지를 설정한다. 작동기로부터 제거된 에너지는 상기 작동기의 축방향 스트로크 감소에 영향을 준다.

제어 디바이스(38)의 일부가 도 2를 참조하여 도시된다. 제어 디바이스(38)는 미리 결정된 전압을 DC/DC 컨버터(42)에 공급하여 따라서 전압 소스를 형성하도록 구현되는 자동차 전기 시스템(40)에 전기적으로 커플링된 상기 DC/DC 컨버터로도 불리는 전압 증폭기를 포함한다. 자동차 전기 시스템은 예컨대 자동차 배터리를 포함한다.

DC/DC 컨버터(42)는 출력단(46)에 전기적으로 커플링된다. 바람직하게, 커패시터(44)는 상기 DC/DC 컨버터(42)와 출력단(46) 사이에 접속되고 방전 과정에서 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)의 전기 에너지가 커패시터(44)에 저장되고 차후 충전 과정들을 위해 사용되도록 접속된다.

제어 디바이스(38)의 출력단(46)은 압전 작동기들(PAKT1 내지 PAKT4)에 전기적으로 커플링되고, 상기 압전 작동기들은 제어 디바이스(38)와 별개로 구현되고 주입 밸브에 구현된다. 바람직하게, 비용상의 이유로 하나의 출력단(46)이 다수의 압전 작동기들(PAKT1 내지 PAKT4)에 할당된다. 충전되거나 방전될 각각의 압전 작동기들(PAKT1 내지 PAKT4)은 바람직하게 선택 소자들(TSEL1 내지 TSEL4)에 의해 선택된다.

출력단(46)에 의해 제어되는 방전 과정에서, 미리 결정된 수의 펄스들 이후에 잔여 충전이 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)에서 유지된다. 상기 잔여 충전이 또한 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)로부터 제거될 경우, 이를 위해 공급되는 전류 소스(48)가 제어 디바이스(38)에 의해 활성화된다.

전류 소스(48)는 ASIC으로서도 공지된 주문형 집적회로를 포함한다. 바람직하게 연산 증폭기를 포함하는 제어기(52)가 ASIC(50)에 구현된다. 제어기(52)는 츨력 측에서 제1 회로 소자(T1)의 제어 입력부(54)에 전기 전도적으로 커플링된다. 연산 동안에, 제어기(52)는 제1 회로 소자(T1)의 제어 신호인 정정 신호를 출력에서 생성한다.

제1 회로 소자(T1)는 제어 신호에 따라 출력 전류(I_A)가 전류 소스의 출력 측에서 설정될 수 있도록 구현되어 배치된다. 출력 전류(I_A)는 지시된 전류 방향으로 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)를 위한 방전 전류를 나타낸다.

전류 소스(48)는 또한 출력 전류(I_A)가 기준 저항(R_S)을 통해 흐르도록 제1 회로 소자(T1)에 전기적으로 커플링된 상기 기준 저항(R_S)을 포함한다. 기준 저항(R_S)은 직렬로 배열된 제1 개별 기준 저항(R5) 및 제2 개별 기준 저항(R6)과, 제1 개별 기준 저항(R5)에 병렬로 접속되고 기준 저항(R_S)을 통해 지정된 방향에 상응하는 전도성 방향으로 접속되는 다이오드(D1)를 갖는다. 제1 개별 기준 저항(R5)은 제2 개별 기준 저항(R6)보다 더 높은 임피던스를 갖는다. 설정될 입력 전류(I_A)에 따라, 제1 개별 기준 저항(R5) 및 제2 개별 기준 저항(R6) 사이의 비율이 예컨대 약 50에 이른다.

제2 ASIC(50)에는 제2 회로 소자(T2)가 또한 구현되며, 상기 제2 회로 소자(T2)는 제1 스위칭 상태에서 제1 개별 기준 저항(R5) 및 제2 개별 기준 저항(R6)의 양단에서의 전압 강하를 나타내는 실제 값으로서 제1 전위차(U1)가 제어기(52)에 인가되고 상기 제2 회로 소자의 제2 스위칭 상태에서 제2 기준 저항(R6)의 양단에서의 전압 강하를 나타내는 실제 값으로서 제2 전위차(U2)가 인가되도록 구현되어 배치된다. 기준 전위(U_REF)는 제어기(52)의 다른 입력들 중 하나에서 상기 제어기(52)에 인가될 수 있다.

또한, 전류 소스(48)는 바람직하게 제1 제어 파라미터 경로(56)를 특징으로 하며, 상기 제1 제어 파라미터 경로(56)를 통해 제1 노드점(58)이 제어기(52)에 상기 제어기의 출력 측에서 전기적으로 커플링된다. 제1 노드점(58)은 제1 회로 소자(T1)와 기준 저항(R_S) 사이에서 전기적으로 배열된다. 제1 제어기 경로 소자(46)는 미리 결정될 수 있는 임피던스를 갖는다.

또한, 제어기(52)를 상기 제어기의 출력 측에서 제2 노드점(62)에 전기적으로 커플링시키는 제2 제어 파라미터 경로(60)가 바람직하게 제공된다. 제2 노드점(62)은 제1 기준 저항(R5) 및 제2 기준 저항(R6) 사이에서 전기적으로 배열된다. 마찬가지로, 제2 제어 파라미터 경로(60)는 미리 결정될 수 있는 임피던스를 갖는다.

제1 제어 파라미터 경로(56)가 커패시터(C1)와 직렬 회로에 있는 저항(R1)으로서 바람직하게 구현되는 제1 임피던스를 갖는다는 것이 특히 유용함이 증명되었다. 또한, 제1 제어 파라미터 경로(56)는 유용하게도 제2 임피던스를 갖고, 상기 제2 임피던스는 저항기(R3)로서 바람직하게 구현된다.

마찬가지로, 제2 제어 파라미터 경로(60)는 바람직하게 제3 임피던스를 갖고, 상기 제3 임피던스는 저항기(R2)와 커패시터(C2)를 포함하는 직렬 회로로서 바람직하게 구현된다. 바람직하게, 저항기(R4)로서 바람직하게 구현되는 제4 임피던스가 제2 제어 파라미터 경로(60)에 제공된다. 제어 파라미터들은 출력 전류(I_A)를 설정하기 위해 제2 회로 소자(T2)의 제1 스위칭 상태에서 유효한 제1 임피던스 및 제2 임피던스에 의해 설정되고, 상기 출력 전류(I_A)는 상기 스위칭 상태를 위한 제1 출력 전류로서 지시된다.

제어 파라미터들은 제2 회로 소자(T2)의 제2 스위칭 상태에서 출력 전류(I_A)의 설정에 관련된 제3 임피던스 및 제4 임피던스에 의해 설정될 수 있다. 이 경우에, 출력 전류(I_A)는 제2 출력 전류로서 지시될 것이다.

제1 임피던스 및 제2 임피던스 또는 제3 임피던스 및 제4 임피던스의 적합한 선택에 의해, 임의의 소정의 제어 동작, 예컨대 P, PI 또는 PID 제어 동작이 출력 전류(I_A)를 설정하기 위해 설정될 수 있다. 비례적-통합 제어 동작(PI)을 생성하기 위하여 제1 임피던스 및 제2 임피던스 또는 제3 임피던스 및 제4 임피던스를 구현하는 것이 특히 적합함이 증명되었다. 이를 위해, 제1 임피던스 및 제2 임피던스 또는 제3 임피던스 및 제4 임피던스는 저항기들(R2, R3, R4)과 커패시터들(C1, C2)을 갖는 도 2에 도시된 회로 장치에 따라 구현된다.

명백하게 상이하게 하기 위하여 및 바람직하게는 제2 제어 파라미터 경로(60)에 할당된 제어 파라미터들이 제1 제어 파라미터 경로(56)에 할당된 제어 파 라미터들보다 바람직하게는 적어도 십 분의 일 더 작도록 임피던스들을 구현하기 위하여, 제1 제어 파라미터 경로에 대한 제1 임피던스 및 제2 임피던스의 임피던스 값들에 의해 또는 제2 제어 파라미터 경로(60)에 대한 제3 임피던스 및 제4 임피던스의 임피던스 값들에 의해 정의되는 제어 파라미터들을 구현하는 것이 매우 유용함이 또한 증명되었다. 따라서, 제3 임피던스 및 제4 임피던스는 바람직하게 제1 임피던스 및 제2 임피던스보다 더 작다. 이는 제1 출력 전류 또는 제2 출력 전류를 설정하기 위한 설정 동작이 실제로 독립적으로 설정될 수 있도록 한다.

에러 발생시, 예컨대 출력단(46)에서 에러 발생시, 전류 소스는 예컨대 70 내지 100mJ 사이에 위치할 수 있는 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)에 저장된 전체 전기 에너지를 없애기에 적합하다. 이를 위해, 기준-전위(U_REF)는 설정점 값으로서 제어기(52)에 공급되고, 제2 회로 소자(T2)는 제1 스위칭 상태가 되는데, 상기 제1 스위칭 상태에서는 제어기(52)에 설정점 값으로서 제1 전위차(U1)가 공급된다. 따라서, 제어기의 정정 신호는 이 경우에 기준 전위(U_REF)와 제1 전위차(U1) 사이의 차이에 좌우된다. 기준 전위(U_REF)는 기준 저항(R_S)과의 상호작용을 위해 적합하게 구현되고, 여기서는 제1 개별 기준 저항(R5)과의 상호작용을 위해 적합하게 구현되며, 결과적으로 제1 출력 전류는 원하는 값을 가정하고 이 영역에서 다이오드(D1)는 전도성 방향으로 아직 작동되지 않는다, 즉 제1 개별 기준 저항(R5)에서의 전압 강하가 다이오드(D1)의 전도성 전압보다 여전히 더 작다. 제2 개별 기준 저항(R6)은 제1 개별 기준 저항(R5)보다 훨씬 더 낮은 임피던스를 갖도록 구현된다. 이것의 결과는 제2 회로 소자(T2)의 제1 스위칭 상태에서 제2 개 별 기준 저항(R6)의 양단에 매우 작은 전압만이 강하하는 것이다. 제1 개별 기준 저항(R5), 저항(R3), 기준 전위차(UREF)의 치수화는 제1 출력 전류에 영향을 준다.

따라서, 원하는 소량의 제1 출력 전류가 제2 회로 소자의 제1 스위칭 상태에서 설정될 수 있고, 따라서 제1 회로 소자(T1)에 매우 많은 열 응력을 주지 않고도 예컨대 출력단의 에러 발생시 전류 소스(48)에 의해 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)가 완전히 방전된다.

바람직하게, 제2 회로 소자의 제1 스위칭 상태를 위한 제어 파라미터들은 출력 전류(I_A)의 상대적으로 하드 스위칭도 가능하도록 설정된다.

제어 디바이스의 정상 모드에서, 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)를 방전하기 위해, 출력단(46)은 상기에서 이미 약술된 절차에 따라 제1 활성화된다. 후속하여, 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)에서 남아있는 잔여 방전(the remaining residual discharge)을 제거하기 위해, 기준 전위(U_REF)가 설정점 값으로서 제어기(52)에 공급된다. 제2 회로 소자는 제2 전위차(U2)가 제어기(52)에 그 입력 측에서 실제 값으로서 공급됨으로써 제2 스위칭 상태가 된다. 이것의 결과는, 제1 스위칭 소자(T1)가 출력 전류(I_A)를 제2 출력 전류에 설정하도록 제어기(52)의 출력 측에서 정정 신호가 생성된다는 것이다. 제1 스위칭 소자(T1)는 바람직하게 자가-블로킹 N-MOSFET 트랜지스터로서 구현되고 핀치-오프 범위(pinch-off region)에서 동작한다. 따라서, 상기 영역에서, 제1 회로 소자(T1)의 제어 입력부에서 제어 신호가 동일하게 유지됨으로써, 전위차가 기준 전위로 떨어지는 것에 상관없이 실제로 일정한 출력 전류(I_A)가 보장된다. 그러나, 제1 전위차(U1)를 피드백함으로써 또는 제2 회로 소자의 제2 스위칭 상태에서 제어기(52)에서의 제2 전위차(U2)는 제1 회로 소자(T1)의 온도-종속적 스위칭 특성과 같은 영향력들을 방해하거나 또는 그러나 제1 회로 소자(T1)의 생산성 변동들이 보상될 수 있다. 이러한 경우에 출력 전류(I_A)가 너무 극심하게 변하지 않도록, 즉 너무 하드하게 스위칭되지 않도록 제2 회로 소자(T2)의 제2 스위칭 상태에서 유효한 제어 파라미터들을 설정하는 것이 특히 유용함이 증명되었다. 제어 파라미터들의 가장 적합한 특정한 특성들은 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)의 각각의 특성에 특히 좌우된다.

제2 출력 전류는 통상적으로 제1 출력 전류보다 훨씬 더 높은 양을 갖는다. 제2 출력 전류는 예컨대 약 5A에 이를 수 있는 반면에, 제1 출력 전류는 약 100mA에 이를 수 있다. 제1 개별 기준 저항(R5)은 제2 출력 전류를 위해 다이오드(D1)에 의해 브릿징되는 이러한 높은 임피던스를 갖도록 구현되고, 저항기(R5)의 양단에서의 전압 강하는 제2 출력 전류의 편차들에 상관없이 거의 일정하다.

제1 개별 기준 저항(R5) 및 제2 개별 기준 저항(R6), 저항(R4), 그리고 기준 전압(U_REF)의 적절한 치수화에 의해, 제2 회로 소자(T2)의 제2 스위칭 상태에서, 다이오드(D1)가 전도성 범위에서 구동되고 기준 저항(R_S)의 상기 상태에서의 저항 특성이 적합하게 낮은 임피던스로 구현된 제2 개별 기준 저항(R6)에 의해 명확하게 결정되는 것이 보장될 수 있다. 특히 매우 높은 제2 출력 전류가 제1 출력 전류로서 동일한 기준 전위(U_REF)로 매우 정확하게 설정될 수 있다.

전체 전기 에너지가 출력단(46)에 의해 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)로부터 제거될 것이고, 전류 소스(48)는 예컨대 70 내지 100mJ 사이에 이른다. 통상적으로 전기 에너지 중 단지 약 최종 십 분의 일만이 정상 동작에서 전류 소스에 의해 각각의 압전 작동기(1)로부터 제거된다.

예컨대 5A에 이르는 높은 제2 출력 전류 때문에, 잔여 방전이 제1 스위칭 소자(T1)의 매우 짧은 적합한 제어에 의해 이루어질 수 있고, 따라서 제1 스위칭 소자 유닛에 대하여 높은 열 응력이 동반되지만 이는 매우 짧은 시간 동안에만 지속되며 그에 따라 제1 회로의 소정의 적합한 열 용량이 제1 스위칭 소자의 어떠한 열적 파괴도 유도하지 않는다. 대조적으로, 각각의 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)에 저장된 전체 전기 에너지의 에러 발생시 제거는, 제2 소자의 제2 스위칭 상태에서 발생한다면 제1 스위칭 소자에 대한 매우 높은 열 응력을 수반할 수도 있다, 즉 제2 출력 전류가 따라서 어쩌면 제1 스위칭 소자의 열적 파괴를 유도할 수도 있거나 또는 다른 한편으로 제1 스위칭 소자(T1)가 매우 일반적으로 치수화되도록 요구되어 결과적으로 공간 요구조건들이 높게 되고 이로써 고비용이 요구될 수 있다. 제2 출력 전류를 설정하는 옵션은 제1 스위칭 소자(T1)의 조밀한 치수화를 가능하게 한다.

Claims

전류 소스로서,

제어 입력부(54)를 갖고, 상기 제어 입력부(54)에서의 제어 신호에 따라 출력 전류(I_A)가 상기 전류 소스(48)의 출력 측에 설정될 수 있도록 구현되어 배열되는 제1 스위칭 소자(T1),

상기 출력 전류(I_A)가 기준 저항(R_S)을 통해 흐르도록 상기 제1 스위칭 소자(T1)에 전기적으로 커플링되고, 직렬로 배열된 제1 개별 기준 저항(R5) 및 제2 개별 기준 저항(R6) 그리고 상기 제1 개별 기준 저항(R5)에 병렬로 접속되고 상기 기준 저항(R_S)을 통해 특정된 전류 방향의 전도성 방향으로 스위칭되는 다이오드(D1)를 특징으로 하는 상기 기준 저항(R_S) ― 상기 제1 개별 기준 저항(R5)은 상기 제2 개별 기준 저항(R6)보다 더 높은 임피던스를 가짐 ―,

설정점 값(a setpoint value)으로서 미리 결정된 기준 전위(U_REF)가 공급되고, 자신의 정정 신호가 상기 제1 스위칭 소자(T1)의 제어 신호인 제어기(52), 및

제1 스위칭 상태에서 상기 제1 개별 기준 저항(R5) 및 상기 제2 개별 기준 저항(R6)의 양단에서의 전압 강하를 나타내는 실제 값으로서 제1 전위차(U1)를 상기 제어기(52)에 인가하고, 제2 스위칭 상태에서 상기 제2 개별 기준 저항(R6)의 양단에서의 전압 강하를 나타내는 실제 값으로서 제2 전위차(U2)를 상기 제어기(52)에 인가하도록 구현되어 배열되는 제2 스위칭 소자(T2)를 포함하는,

전류 소스.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기(52)와 상기 제2 스위칭 소자(T2)는 집적회로 내에 배열되고, 상기 기준 저항(R_S)과 상기 제1 회로 소자(T1)는 상기 집적회로의 외부에 배열되는,

전류 소스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

제1 제어 파라미터 경로(56)가 상기 제어기(52)를 출력 측 상에서 상기 제1 스위칭 소자(T1)와 상기 기준 저항(R_S) 사이에 전기적으로 배열된 제1 노드점(58)에 접속시키고, 상기 제1 제어 파라미터 경로는 미리 결정될 수 있는 임피던스를 갖는,

전류 소스.
제 3 항에 있어서,

상기 제1 제어 파라미터 경로(56)에서의 상기 미리 결정될 수 있는 임피던스는 비례적이고 통합적인 제어 동작이 이루어지도록 구현되는,

전류 소스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

제2 제어 파라미터 경로(60)가 상기 제어기(52)를 출력 측에서 상기 제1 개별 기준 저항(R5) 및 상기 제2 개별 기준 저항(R6) 사이에 전기적으로 배열된 제2 노드점(62)에 커플링시키고, 상기 제2 제어 파라미터 경로(60)는 미리 결정될 수 있는 임피던스를 갖는,

전류 소스.
제 5 항에 있어서,

상기 제2 제어 파라미터 경로(60)의 상기 미리 결정될 수 있는 임피던스는 비례적이고 통합적인 제어 동작이 이루어지도록 구현되는,

전류 소스.
제 5 항에 있어서,

상기 제2 제어 파라미터 경로(60)의 상기 미리 결정될 수 있는 임피던스는 상기 제1 제어 파라미터 경로(56)의 상기 미리 결정될 수 있는 임피던스보다 적어도 약 십 분의 일(one order of magnitude) 더 작은,

전류 소스.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 전류 소스(48)를 가지고 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)를 제어하기 위해 제공되는 제어 디바이스로서,

상기 전류 소스(48)는 상기 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)를 방전할 수 있도록 상기 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)에 커플링될 수 있고,

상기 전류 소스(48)에 병렬로 전기적으로 배열된 상기 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)를 충전 및 방전하기 위한 전력 출력단(power output stage)(46)을 특징으로 하는,

제어 디바이스.
제 8 항에 따른 제어 디바이스를 작동시키기 위한 방법으로서,

상기 전력 출력단이 상기 압전 작동기를 방전하기 위해 활성화되고, 후속하여 상기 제2 스위칭 소자(T2)가 상기 전력 출력단의 추가 방전을 위해 자신의 제2 스위칭 상태로 스위칭되고, 전력 출력단(46)의 에러 발생시, 상기 제2 스위칭 소자(T2)는 상기 압전 작동기(PAKT1 내지 PAKT4)를 방전하기 위해 자신의 제1 스위칭 상태로 스위칭되는,

제어 디바이스를 작동시키기 위한 방법.