NL2002663C2

NL2002663C2 - SWITCHING DEVICE FOR OPERATING A CAPACITIVE TAX AND APPLICATION OF SUCH A SWITCHING DEVICE.

Info

Publication number: NL2002663C2
Application number: NL2002663A
Authority: NL
Inventors: Georg Bachmaier; Dominik Bergmann; Matthias Gerlich; Erhard Magori; Walter Schrod; Christian Tump
Original assignee: Continental Automotive Gmbh
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2011-05-31
Also published as: DE102008018012B3; NL2002663A1

Description

SCHAKELINGSINRICHTING VOOR HET BEDRIJVEN VAN EEN CAPACITIEVE BELASTING ALSMEDE TOEPASSING VAN EEN DERGELIJKE SCHAKELINGSINRICHTINGSWITCHING DEVICE FOR OPERATING A CAPACITIVE TAX AND APPLICATION OF SUCH A SWITCHING DEVICE

55

BeschrijvingDescription

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een schakelingsinrichting voor het 10 bedrijven van een capacitieve belasting, zoals bijvoorbeeld een piëzo-elektrisch stel-element.The present invention relates to a circuit arrangement for operating a capacitive load, such as, for example, a piezoelectric adjusting element.

Dergelijke schakelingsinrichtingen zijn in veelsoortige uitvoeringen in het bijzonder uit het gebied van de automobielelektronica bekend, en wel voor het bedrijf van piëzo-elektrische stelelementen in brandstofinjectoren. Door de daar gestelde hoge ei-15 sen met betrekking tot een snel, exact en reproduceerbaar openen en sluiten van brand-stofïnjectiekleppen zijn de bekende schakelingsinrichtingen echter relatief complex uitgevoerd.Such switching devices are known in a variety of embodiments, in particular from the field of automotive electronics, specifically for the operation of piezoelectric actuators in fuel injectors. However, due to the high requirements set there with regard to rapid, precise and reproducible opening and closing of fuel injection valves, the known circuit devices are of relatively complex design.

Voor toepassingen met geringere eisen aan de vermogenseigenschappen van de schakelingsinrichting zou daarom een minder complex uitgevoerde en derhalve goed-20 kopere schakelingsinrichting wenselijk zijn.For applications with lower demands on the power characteristics of the circuit arrangement, therefore, a less complex and therefore cheaper circuit arrangement would be desirable.

Het is daarom een doelstelling van de onderhavige uitvinding om een eenvoudig opgebouwde schakelingsinrichting voor het bedrijven van een capacitieve belasting beschikbaar te stellen.It is therefore an object of the present invention to provide a simply constructed circuit device for operating a capacitive load.

Deze doelstelling wordt volgens de uitvinding bereikt door een schakelingsinrich-25 ting volgens conclusie 1. De afhankelijke conclusies hebben betrekking op voordelige verdere uitvoeringen van de uitvinding.This object is achieved according to the invention by a circuit arrangement according to claim 1. The dependent claims relate to advantageous further embodiments of the invention.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding omvat de schakelingsinrichting: - een eerste voedingsaansluiting en een tweede voedingsaansluiting voor het aanleggen van een eerste voedingspotentiaal respectievelijk een tweede voedingspotentiaal, 30 - een eerste uitgangsaansluiting en een tweede uitgangsaansluiting voor het aansluiten van de belasting, waarbij de eerste uitgangsaansluiting is verbonden met de eerste voedingsaansluiting, 2 - een tussen een eerste schakelingsknooppunt en een tweede schakelingsknooppunt aangebrachte condensator, - een tussen de tweede voedingsaansluiting en het eerste schakelingsknooppunt aangebrachte eerste inductiviteit, 5 - een tussen het eerste schakelingsknooppunt en de eerste voedingsaansluiting aange brachte eerste aanstuurbare schakelaar, - een tussen het tweede schakelingsknooppunt en de eerste voedingsaansluiting aangebrachte tweede inductiviteit, - een tussen het tweede schakelingsknooppunt en de tweede uitgangsaansluiting aange-10 brachte diode, - een tussen de tweede uitgangsaansluiting en de eerste uitgangsaansluiting aangebrachte tweede aanstuurbare schakelaar, en - een besturingsinrichting voor het beschikbaar stellen van besturingsignalen voor het aansturen van de beide schakelaars.According to a first aspect of the invention, the circuit arrangement comprises: - a first supply connection and a second supply connection for applying a first supply potential and a second supply potential, respectively, - a first output connection and a second output connection for connecting the load, the first output terminal is connected to the first power supply terminal, 2 - a capacitor arranged between a first switching node and a second switching node, - a first inductance arranged between the second supply terminal and the first switching node, - a first applied between the first switching node and the first power connection controllable switch, - a second inductance arranged between the second switching node and the first power connection, - a diode arranged between the second switching node and the second output connection, a second controllable switch arranged between the second output connection and the first output connection, and - a control device for making control signals available for controlling the two switches.

15 In een verdere uitvoering van het eerste aspect van de uitvinding zijn de beide inductiviteiten inductief gekoppeld, dus bijvoorbeeld uitgevoerd als op een gemeenschappelijke kern gewikkelde spoelen.In a further embodiment of the first aspect of the invention, the two inductances are inductively coupled, so for instance designed as coils wound on a common core.

De schakelingsinrichting volgens de uitvinding kan met relatief weinig componenten en derhalve zeer eenvoudig worden gerealiseerd en maakt door overeenkomsti-20 ge aansturing van de beide schakelaars een oplading en ontlading van de capacitieve belasting met in principe willekeurige tijdsverlopen van een overeenkomstige belastingstroom mogelijk.The circuit arrangement according to the invention can be realized with relatively few components and, therefore, very simply and, by corresponding control of the two switches, enables charging and discharging of the capacitive load with, in principle, random time cycles of a corresponding load current.

Bovendien heeft dit schakelingsconcept een reeks verdere voordelen, en wel in het bijzonder bij een gebruikmaking voor het aansturen van een piëzoelektrisch stel-25 element (bijvoorbeeld in een proportionele klep).Moreover, this circuit concept has a series of further advantages, in particular in the case of use for controlling a piezoelectric adjusting element (for example in a proportional valve).

Goed geschikt is de uitvinding bijvoorbeeld voor het aansturen van een (in vergelijking tot brandstofïnjectoren) “relatief langzaam” stelelement in een verstelbare fluï-dumklep (bijvoorbeeld proportionele klep), bijvoorbeeld in een als drukverminderaar voorziene gasklep. Een piëzo-geactiveerde instelbare gasklep kan bijvoorbeeld als 30 drukverminderaar tussen een brandgasreservoirgebied en een brandgasinlaatgebied van een gasbedreven verbrandingsmotor (gasmotor) worden toegepast. Met de schakelingsinrichting volgens de uitvinding kunnen veranderingssnelheden in de tijd van de uit- 3 gangsspanning (belastingspanning) worden bereikt, die volkomen voldoende zijn voor het aansturen van een dergelijke drukverminderingsklep (typisch in het ms-gebied).The invention is well suited, for example, for controlling a (relatively compared to fuel injectors) "relatively slow" adjusting element in an adjustable fluid valve (e.g. proportional valve), for example in a gas valve provided as a pressure reducer. A piezo-activated adjustable gas valve can be used, for example, as a pressure reducer between a fire gas reservoir area and a fire gas inlet area of a gas-operated combustion engine (gas engine). With the circuit arrangement according to the invention, change rates in the time of the output voltage (load voltage) can be achieved, which are completely sufficient for controlling such a pressure reduction valve (typically in the ms range).

Bovendien maakt de schakelingsinrichting volgens de uitvinding het mogelijk om uit een relatief geringe voedingsspanning (= verschil tussen de beide voedingspotentia-5 len) een voor het afbuigen van een piëzoactuator noodzakelijke hogere spanning te genereren. Dienovereenkomstig is ook de aan de uitgangszijde plaatsvindende spannings-sprong op voordelige wijze zeer groot (omdat de uitgangsspanning ook tot 0 V gereduceerd kan worden).Moreover, the circuit arrangement according to the invention makes it possible to generate from a relatively small supply voltage (= difference between the two supply potentials) a higher voltage necessary for deflecting a piezo-actuator. Accordingly, the voltage jump occurring on the output side is also advantageously very large (because the output voltage can also be reduced to 0 V).

Verder kan met de schakelingsinrichting een constante uitgangsspanning op een-10 voudige wijze over een langere tijd worden vast gehouden (bijvoorbeeld op een gewenste waarde worden ingeregeld), wat bijvoorbeeld voor de hierboven vermelde toepassing bij een piëzo-aangedreven drukverminderaar in de praktijk vaak voorkomt.Furthermore, with the circuit arrangement a constant output voltage can easily be maintained over a longer period of time (for example adjusted to a desired value), which frequently occurs in practice, for example, for the above-mentioned application with a piezo-driven pressure reducer.

Ondanks de extreem eenvoudige opbouw van de schakelingsinrichting kan het verliesvermogen tijdens bedrijf relatief gering worden gehouden. Ook is een terugwin-15 ning van de in de capacitieve belasting opgeslagen elektrische energie bij het ontladen van de belasting en maakt zo een verliesarme werking mogelijk in dynamisch bedrijfs-fase-stop-start.Despite the extremely simple structure of the circuit arrangement, the loss capacity during operation can be kept relatively low. A recovery of the electrical energy stored in the capacitive load is also achieved when the load is discharged, thus enabling low-loss operation in dynamic operating phase stop start.

In één uitvoeringsvorm worden de beide voedingspotentialen beschikbaar gesteld door een batterij, bijvoorbeeld door een in een motorvoertuig voor het voeden van een 20 elektrisch boordnet voorziene batterij. In dit geval kan de schakelingsinrichting bijvoorbeeld zijn voorzien voor het bedrijven van een piëzo-elektrisch stelelement in het gebied van een aandrijving van het motorvoertuig (bijvoorbeeld voor het bedrijven van een proportionele klep).In one embodiment, the two supply potentials are made available by a battery, for example by a battery provided in a motor vehicle for supplying an electric on-board network. In this case, the circuit arrangement may be provided, for example, for operating a piezoelectric adjusting element in the region of a motor vehicle drive (for example, for operating a proportional valve).

In één uitvoeringsvorm is voorzien dat de schakelingscomponenten zodanig zijn 25 geconstrueerd dat een uitgangsspanning die de voedingsspanning overschrijdt bereikt kan worden. Een dergelijke opwaartse omzetting van de voedingsspanning naar de uitgangsspanning is bijvoorbeeld in een automobieltoepassing bijzonder interessant, bijvoorbeeld wanneer het erom gaat om uit een elektrisch boordnet met relatief geringe spanning (bijvoorbeeld in het gebied van 12 V tot 16 V) een piëzo-elektrisch stelele-30 ment aan te sturen, dat kenmerkend voor de volledige afbuiging relatief hoge spanningen vereist (bijvoorbeeld meer dan 50 V, in het bijzonder meer dan 100 V).In one embodiment it is provided that the circuit components are constructed such that an output voltage exceeding the supply voltage can be achieved. Such an up-conversion of the supply voltage to the output voltage is, for example, particularly interesting in an automotive application, for example when it concerns a piezo-electric adjusting device from an electrical on-board network with relatively low voltage (e.g. in the range of 12 V to 16 V). 30, which typically requires relatively high voltages for complete deflection (e.g., more than 50 V, in particular more than 100 V).

De eerste aanstuurbare schakelaar en/of de tweede aanstuurbare schakelaar kunnen op eenvoudige wijze zijn uitgevoerd als transistor, in het bijzonder veldeffecttran- 4 sistor (FET). Indien een bipolaire transistor wordt toegepast, verdient met het oog op geringe elektrische verliezen een bipolaire transistor met geïsoleerde gate-elektrode (“IGBT”) de voorkeur.The first controllable switch and / or the second controllable switch can be designed in a simple manner as a transistor, in particular field effect transistor (FET). If a bipolar transistor is used, a bipolar transistor with an insulated gate electrode (“IGBT”) is preferred for low electrical losses.

Met het oog op een zo nauwkeurig mogelijke instelling van de uitgangsspanning 5 is het van voordeel wanneer middelen voor het meten van de via de eerste schakelaar vloeiende stroom en/of middelen voor het meten van de door de belasting vloeiende stroom zijn voorzien. Een dergelijk stroommeetmiddel kan bijvoorbeeld een shunt-weerstand omvatten, die in het overeenkomstige stroompad is aangebracht en waarvan de spanningsval door een evaluatie-eenheid wordt gedetecteerd als voor de vloeiende 10 stroom representatieve meetgrootheid. De evaluatie-eenheid kan in het bijzonder een deel van de voor het beschikbaar stellen van de besturingssignalen voor de beide schakelaars toch al voorziene besturingsinrichting zijn.In order to adjust the output voltage 5 as accurately as possible, it is advantageous if means for measuring the current flowing through the first switch and / or means for measuring the current flowing through the load are provided. Such a current measuring means may, for example, comprise a shunt resistor which is arranged in the corresponding current path and whose voltage drop is detected by an evaluation unit as a measurement variable representative of the flowing current. The evaluation unit may in particular be part of the control device which is already provided for making the control signals available for the two switches.

De uitvinding wordt hieronder aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden met betrekking tot de bijgevoegde tekeningen verder beschreven.The invention is further described below with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings.

15 Figuur 1 is een schakelschema van een schakelingsinrichting voor het bedrijven van een piëzoactuator volgens een eerste uitvoeringsvoorbeeld, enFigure 1 is a circuit diagram of a circuit arrangement for operating a piezo actuator according to a first exemplary embodiment, and

Figuur 2 is een schakelschema van een schakelingsinrichting voor het bedrijven van een piëzoactuator volgen een verder uitvoeringsvoorbeeld.Figure 2 is a circuit diagram of a circuit arrangement for operating a piezo actuator according to a further exemplary embodiment.

Figuur 1 toont een schakelingsinrichting 10 (eindtrap) voor het bedrijven van een 20 capacitieve belasting in de vorm van een piëzoactuator P.Figure 1 shows a circuit arrangement 10 (output stage) for operating a capacitive load in the form of a piezo actuator P.

De schakelingsinrichting 10 omvat voedingsaansluitingen El en E2 voor het aanleggen van voedingspotentialen GND en VBAT, die hier bijvoorbeeld uit een motor-voertuigbatterij beschikbaar worden gesteld.The circuit arrangement 10 comprises supply connections E1 and E2 for applying supply potentials GND and VBAT, which are made available here, for example, from a motor-vehicle battery.

De voedingsspanning (verschil tussen VBAT en GND) bedraagt bijvoorbeeld 12 25 V. Aan de uitgangszijde, tussen uitgangsaansluitingen Al en A2, kan tijdens bedrijf een uitgangsspanning (belastingsspanning) voor de piëzoactuator P worden ingesteld, die bijvoorbeeld variabel is in een gebied van 0 V tot 200 V.The supply voltage (difference between VBAT and GND) is, for example, 12 V. On the output side, between output terminals A1 and A2, an output voltage (load voltage) can be set during operation for the piezo actuator P, which is variable for example in a range of 0 V up to 200 V.

De piëzoactuator P dient bijvoorbeeld voor het activeren van een drukverminder-aar aan een inlaatgebied van een gasmotor van het motorvoertuig.The piezo actuator P serves, for example, to activate a pressure reducer at an inlet region of a gas engine of the motor vehicle.

30 De schakelingsinrichting 10 omvat verder - een tussen een eerste schakelingsknooppunt KI en een tweede schakelingsknooppunt K2 aangebrachte condensator C, 5 - een tussen de tweede voedingsaansluiting E2 en het eerste schakelingsknooppunt KI aangebrachte eerste inductiviteit LI, - een tussen het eerste schakelingsknooppunt KI en de eerste voedingsaansluiting El aangebrachte eerste schakeltransistor Ql, 5 - een tussen het tweede schakelingsknooppunt K2 en de eerste voedingsaansluiting El aangebrachte tweede inductiviteit L2, - een tussen het tweede schakelingsknooppunt K2 en de tweede uitgangsaansluiting A2 aangebrachte diode Dl, - een tussen de tweede uitgangsaansluiting A2 en de eerste uitgangsaansluiting Al aan-10 gebrachte tweede schakeltransistor Q3, en - een besturingsinrichting ST voor het beschikbaar stellen van besturingssignalen ql en q3 voor het aansturen van de beide transistoren Ql en Q3. De inrichting ST bewerkstelligt deze aansturing op basis van een toegevoerd specifïcatiesignaal S (dat bijvoorbeeld door een programmagestuurde computerinrichting (bijvoorbeeld microcontroller) wordt 15 gegenereerd).The circuit arrangement 10 further comprises - a capacitor C5 arranged between a first circuit node K1 and a second circuit node K2 - a first inductivity L1 provided between the second supply terminal E2 and the first circuit node K1, - a first inductivity L1 between the first circuit node K1 and the first power supply terminal E1 arranged first switching transistor Q1.5 a second inductance L2 arranged between the second switching node K2 and the first power supply terminal E1, a diode D1 arranged between the second switching node K2 and the second output terminal A2, and a diode D1 arranged between the second output terminal A2 and the first output terminal A1 applied to the second switching transistor Q3, and - a control device ST for making control signals q1 and q3 available for driving the two transistors Q1 and Q3. The device ST effects this control on the basis of a supplied specification signal S (which is generated, for example, by a program-controlled computer device (for example, microcontroller)).

Bij het weergegeven uitvoeringsvoorbeeld is met de eerste transistor Ql een stroommeetweerstand Rsl in serie geschakeld, waarvan de spanningsval Usl representatief voor de via Ql vloeiende stroom is. De meetgrootheid Usl wordt voor het verbeteren van de besturingsnauwkeurigheid toegevoerd aan de besturingsinrichting ST.In the exemplary embodiment shown, a current measuring resistor Rsl is connected in series with the first transistor Q1, the voltage drop Us1 of which is representative of the current flowing through Q1. The measuring variable Us1 is supplied to the control device ST for improving the control accuracy.

20 Bovendien wordt in het weergegeven voorbeeld rekening gehouden met een spanningsval Us2, die over een tweede stroommeetweerstand Rs2 staat, die in het ver-bindingspad tussen de eerste voedingsaansluiting El en de eerste uitgangsaansluiting Al is aangebracht. Us2 is derhalve representatief voor de door de piëzoactuator P vloeiende stroom.In addition, in the example shown, a voltage drop Us2 is taken into account, which is across a second current measuring resistor Rs2, which is arranged in the connection path between the first supply terminal E1 and the first output terminal A1. Us2 is therefore representative of the current flowing through the piezo actuator P.

25 Volgens een eenvoudige fimctioneringswijze van de schakelingsinrichting 10 is voorzien dat een oplading van de piëzoactuator P door een geklokt bedrijf van de eerste transistor Ql plaatsvindt, terwijl een ontlading van de belasting P door middel van de tweede transistor Q3 plaatsvindt, die hiervoor bijvoorbeeld geklokt of permanent, in het bijzonder lineair ingesteld, bedreven kan worden.According to a simple function of function of the circuit arrangement 10, it is provided that a charging of the piezo-actuator P takes place through a clocked operation of the first transistor Q1, while a discharge of the load P takes place by means of the second transistor Q3, which is previously clocked or can be operated permanently, in particular linearly.

30 Met betrekking tot het oplaadproces dient opgemerkt te worden dat de schake lingsinrichting 10 in hoofdzaak werkt als een zogenaamde SEPIC (“Single Ended Primary Inductance Converter”)-omzetter. De geklokte oplading kan als volgt worden beschreven: 6With regard to the charging process, it should be noted that the switching device 10 functions essentially as a so-called SEPIC ("Single Ended Primary Inductance Converter") converter. The clocked charge can be described as follows: 6

Aan het begin van het schakelingsbedrijf sperren de transistoren Q1 en Q3 en wordt een laadspanning aan de condensator C ingesteld, die overeenkomt met de voedingsspanning. Aan het knooppunt KI heerst de potentiaal VBAT en aan het knooppunt K2 heerst de potentiaal GND.At the start of the switching operation, the transistors Q1 and Q3 are blocked and a charging voltage is set at the capacitor C, which corresponds to the supply voltage. The potential VBAT prevails at the node K1 and the GND potential at the node K2.

5 Wanneer nu Q1 wordt ingeschakeld, wordt de potentiaal aan het knooppunt KI5 Now when Q1 is switched on, the potential becomes at the node K1

plotseling gereduceerd tot GND. Dit heeft tot gevolg dat een geleidelijk stijgende stroom van E2 via de eerste inductiviteit LI (smoorspoel) en verder via Q1 naar El vloeit, en dat de potentiaal aan het knooppunt K2 plotseling daalt tot een waarde van -VBAT, dus onder de potentiaal GND. Het laatste heeft tot gevolg dat ook een geleide-10 lijk stijgende stroom door de tweede inductiviteit L2 (tweede smoorspoel) van El naar het knooppunt K2 vloeit. In het weergegeven voorbeeld zijn de inductiviteiten LI en L2 even groot gedimensioneerd.suddenly reduced to GND. This results in a gradually increasing current from E2 via the first inductance L1 (inductor) and further via Q1 to E1, and that the potential at the node K2 suddenly falls to a value of -VBAT, thus below the potential GND. The latter also results in that a gradually increasing current flows through the second inductance L2 (second choke coil) from E1 to the node K2. In the example shown, the inductors L1 and L2 are of the same size.

Na een zekere tijd zal de potentiaal aan het knooppunt K2 weer bijvoorbeeld tot de waarde GND zijn gestegen, waarbij op dit moment vergelijkenderwijs grote stromen 15 door beide inductiviteiten LI en L2 vloeien.After a certain time, the potential at the node K2 will again, for example, have risen to the value GND, with large currents currently flowing comparatively through both inductors L1 and L2.

Wanneer bijvoorbeeld op dit moment Q1 weer wordt uitgeschakeld, leidt de verder door LI vloeiende stroom tot een verhoging van de aan het knooppunt KI heersende potentiaal. Verder treedt een verhoging van de aan het knooppunt K2 heersende potentiaal op (ver boven de waarde van VBAT), zodat een belastingstroom van K2 via de 20 diode Dl en de uitgangsaansluiting A2 naar de piëzoactuator P vloeit. In deze fase wordt de uitgangsspanning verhoogd en de piëzoactuator P derhalve opgeladen.For example, when Q1 is switched off again at this time, the current flowing through L1 leads to an increase in the potential prevailing at the node K1. Furthermore, an increase of the potential prevailing at the node K2 (far above the value of VBAT) occurs, so that a load current of K2 flows via the diode D1 and the output terminal A2 to the piezo actuator P. In this phase the output voltage is increased and the piezo actuator P is therefore charged.

Door herhaald inschakelen en uitschakelen van Q1 kan derhalve de piëzoactuator P in een gewenste mate worden opgeladen respectievelijk kan een gewenste uitgangsspanning (belastingspanning) worden ingesteld.By repeatedly switching on and off Q1, the piezo actuator P can therefore be charged to a desired extent or a desired output voltage (load voltage) can be set.

25 Om de uitgangsspanning tussen de uitgangsaansluitingen Al en A2 constant te houden en derhalve de in de piëzoactuator P opgeslagen lading constant te houden, worden beide schakelaars Q1 en Q3 eenvoudig uitgeschakeld (geopend). Om een geleidelijke ongewenste ontlading bijvoorbeeld door lekstromen te compenseren, kan de uitgangsspanning worden bewaakt en op basis van de bewaking worden nageregeld.In order to keep the output voltage between the output terminals A1 and A2 constant and therefore to keep the charge stored in the piezo actuator P constant, both switches Q1 and Q3 are simply switched off (opened). In order to compensate for a gradual undesired discharge, for example through leakage currents, the output voltage can be monitored and adjusted on the basis of the monitoring.

30 Om de uitgangsspanning weer te verminderen en derhalve de piëzoactuator P te ontladen, wordt de transistor Q3 permanent of geklokt ingeschakeld. Op deze wijze kan een gewenst ontladingsverloop in de tijd worden bewerkstelligd.To reduce the output voltage again and therefore to discharge the piezo actuator P, the transistor Q3 is switched on permanently or clocked. In this way a desired discharge course in time can be achieved.

77

Een bijzonderheid van het weergegeven uitvoeringsvoorbeeld bestaat eruit dat de aansturing van de transistor Q3 niet door direct aanleggen van het besturingssignaal q3 aan de besturingsingang (hier: gate) van de transistor Q3 wordt bewerkstelligd, maar door middel van een operationele versterker OPAMP een ontladingsstroomregeling is 5 gerealiseerd, waarbij een spanningswaarde van het besturingssignaal q3 een specificatie voor de in te stellen ontladingsstroom voorstelt. Voor dit doeleinde word het signaal q3 aan een niet-inverterende ingang van de operationele versterker OPAMP aangelegd, waarvan een inverterende ingang met de source-aansluiting van Q3 is verbonden en een uitgangsaansluiting met de gate-aansluiting van Q3 is verbonden. Bovendien is de 10 source-aansluiting van Q3 niet direct maar via een verdere shuntweerstand Rs3 verbonden met het verbindingspad van El naar Al. Door deze maatregelen wordt een door Q3 en Rs3 vloeiende ontladingsstroom afhankelijk van het besturingssignaal q3 ingesteld.A special feature of the exemplary embodiment shown is that the control of the transistor Q3 is not effected by directly applying the control signal q3 to the control input (here: gate) of the transistor Q3, but is a discharge current control by means of an operational amplifier OPAMP a voltage value of the control signal q3 represents a specification for the discharge current to be set. For this purpose, the signal q3 is applied to a non-inverting input of the operational amplifier OPAMP, an inverting input of which is connected to the source terminal of Q3 and an output terminal to the gate terminal of Q3. Moreover, the source connection of Q3 is not directly but via a further shunt resistor Rs3 connected to the connection path from E1 to A1. As a result of these measures, a discharge current flowing through Q3 and Rs3 is set depending on the control signal q3.

Met het oog op een zo nauwkeurig mogelijke aansturing van de beide schakelaars Q1 en Q3 ten behoeve van een zo nauwkeurig mogelijke instelling van de uitgangs-15 spanning is het van voordeel om de reeds hierboven vermelde stroommeetsignalen Usl en Us2 bij de bepaling van de schakeltijdstippen door de besturingsinrichting ST te benutten.In order to control the two switches Q1 and Q3 as accurately as possible for the purpose of adjusting the output voltage as accurately as possible, it is advantageous to use the current measuring signals Us1 and Us2 mentioned above when determining the switching times. to use the control device ST.

Voor het bewaken van een ontladingsstroomverloop in de tijd komt alternatief voor of aanvullend (redundant) naast een evaluatie van de over de shuntweerstand Rs2 20 staande spanning een bewaking van de over de shuntweerstand Rs3 staande spanning in aanmerking.For monitoring a discharge current course in time, alternatively or additionally (redundantly), in addition to an evaluation of the voltage across the shunt resistor Rs2, a monitoring of the voltage across the shunt resistor Rs3 may be considered.

Het komt alternatief of aanvullend in aanmerking om andere meetsignalen in het gebied van de weergegeven schakeling voor het bepalen van geoptimaliseerde schakeltijdstippen te detecteren. In dit opzicht is bijvoorbeeld de detectie van de uitgangsspan-25 ning in veel gevallen voordelig, bijvoorbeeld voor het realiseren van een regellus, waardoor de uitgangsspanning op een gewenste waarde wordt ingesteld.Alternatively or additionally, it is possible to detect other measuring signals in the area of the circuit shown for determining optimized switching times. In this respect, for example, the detection of the output voltage is in many cases advantageous, for example for realizing a control loop, whereby the output voltage is set to a desired value.

Bij de navolgende beschrijving van een verder uitvoeringsvoorbeeld worden voor gelijkwerkende schakelingscomponenten dezelfde verwijzingscijfers gebruikt. Daarbij wordt in hoofdzaak slechts ingegaan op de verschillen met het reeds beschreven uitvoe-30 ringsvoorbeeld en wordt voor het overige hiermee nadrukkelijk naar de beschrijving van het voorgaande uitvoeringsvoorbeeld verwezen.In the following description of a further exemplary embodiment, the same reference numerals are used for the same-acting circuit components. Here, the differences with the above-described exemplary embodiment are essentially only addressed, and the remainder is hereby explicitly referred to the description of the preceding exemplary embodiment.

Figuur 2 toont een schakelingsinrichting 10a (eindtrap) voor het bedrijven een piëzoactuator P.Figure 2 shows a circuit arrangement 10a (output stage) for operating a piezo actuator P.

88

De schakelingsinrichting 10a omvat - een eerste voedingsaansluiting El en een tweede voedingsaansluiting E2 voor het aanleggen van een eerste voedingspotentiaal GND respectievelijk een tweede voe-dingspotentiaal VBAT, 5 - een eerste uitgangsaansluiting Al en een tweede uitgangsaansluiting A2 voor het aan sluiten van de belasting P, waarbij de eerste uitgangsaansluiting Al is verbonden met de eerste voedingsaansluiting El, - een tussen de eerste voedingsaansluiting El en de tweede voedingsaansluiting E2 aangebrachte serieschakeling uit een eerste inductiviteit LI en een eerste schakeltran- 10 sistorQl, - een inductief met de eerste inductiviteit LI gekoppelde tweede inductiviteit L2, die enerzijds met de eerste voedingsaansluiting El en anderzijds via een diode Dl met de tweede uitgangsaansluiting A2 is verbonden, waarbij de beide inductiviteiten een transformator vormen, 15 - een tussen de tweede uitgangsaansluiting A2 en de eerste uitgangsaansluiting Al aan gebrachte tweede schakeltransistor Q3, en - een besturingsinrichting ST voor het beschikbaar stellen van besturingssignalen ql, q3 voor het aansturen van de beide schakelaars Ql, Q3. De inrichting ST bewerkstelligt deze aansturing op basis van een specificatiesignaal S (zoals hierboven voor het voor- 20 beeld volgens figuur 1 reeds beschreven).The circuit arrangement 10a comprises - a first supply connection E1 and a second supply connection E2 for applying a first supply potential GND and a second supply potential VBAT, respectively - a first output connection A1 and a second output connection A2 for connecting the load P, wherein the first output terminal A1 is connected to the first supply terminal E1, - a series circuit arranged between the first supply terminal E1 and the second power supply terminal E2, from a first inductance L1 and a first switching transistor Q1, - a second inductively coupled to the first inductivity L1 inductivity L2, which is connected on the one hand to the first supply terminal E1 and on the other hand via a diode D1 to the second output terminal A2, the two inductances forming a transformer, a second switching circuit applied between the second output terminal A2 and the first output terminal A1 nsistor Q3, and - a control device ST for making control signals q1, q3 available for controlling the two switches Q1, Q3. The device ST effects this control on the basis of a specification signal S (as already described above for the example according to Fig. 1).

Voor het meten van stromen die door de eerste transistor Ql respectievelijk door de piëzoactuator P vloeien, zijn stroommeetweerstanden Rsl en Rs2 voorzien.Current measuring resistors Rs1 and Rs2 are provided for measuring currents that flow through the first transistor Q1 and through the piezo actuator P, respectively.

Volgens een eenvoudige functioneringswijze van de schakelingsinrichting 10a is voorzien dat een oplading van de piëzoactuator P door een geklokt bedrijf van de eerste 25 transistor Ql plaatsvindt, terwijl een ontlading van de belasting P door een lineair bedrijf van de tweede transistor Q3 (ontladingsstroomregeling) plaatsvindt.According to a simple mode of operation of the circuit arrangement 10a, it is provided that a charging of the piezo actuator P takes place through a clocked operation of the first transistor Q1, while a discharge of the load P takes place through a linear operation of the second transistor Q3 (discharge current control).

Met betrekking tot het oplaadproces dient opgemerkt te worden dat de schakelingsinrichting 10a in hoofdzaak werkt als een zogenoemde speromzetter.With regard to the charging process, it should be noted that the circuit arrangement 10a acts essentially as a so-called reverse converter.

Voor het bufferen van de voedingsspanning VBAT-GND is in het weergegeven 30 voorbeeld een condensator C voorzien, die tussen de beide voedingsaansluitingen El en E2 is aangebracht.For the buffering of the supply voltage VBAT-GND, a capacitor C is provided in the example shown, which is arranged between the two supply connections E1 and E2.

De geklokte oplading van de piëzoactuator P kan als volgt worden beschreven: 9 wanneer aan het begin van het schakelingsbedrijf de transistor Q1 blokkeert, wordt een laadspanning aan de condensator C ingesteld, die overeenkomt met de voedingsspanning. De condensator C is hier zodanig gedimensioneerd dat diens laadspanning in het schakelingsbedrijf in hoofdzaak constant blijft.The clocked charging of the piezo actuator P can be described as follows: 9 When the transistor Q1 is blocked at the start of the switching operation, a charging voltage is set at the capacitor C which corresponds to the supply voltage. The capacitor C is dimensioned here such that its charging voltage remains substantially constant in the circuit operation.

5 Wanneer nu Q1 wordt ingeschakeld, vloeit een geleidelijk stijgende stroom van E2 via de eerste inductiviteit LI (primaire zijde van de transformator) en verder via Q1 naar El. De inductief gekoppelde inductiviteit L2 (secundaire zijde van de transformator) is zodanig aangebracht (gewikkeld), dat de daarin geïnduceerde spanning op grond van de poling van de diode Dl niet tot een stroomloop op de secundaire zijde leidt.When Q1 is now switched on, a gradually rising current flows from E2 via the first inductivity L1 (primary side of the transformer) and further via Q1 to E1. The inductively coupled inductivity L2 (secondary side of the transformer) is arranged (wound) in such a way that the voltage induced therein does not lead to a current flow on the secondary side due to the polarity of the diode D1.

10 Na een zekere tijd vloeit een vergelijkenderwijs grote stroom door de inductiviteit LI.After a certain time a comparatively large current flows through the inductance L1.

Wanneer dan Q1 weer wordt uitgeschakeld en de primaire stroom instort, wordt in de tweede inductiviteit L2 een relatief grote spanning geïnduceerd, zodat een belastingstroom van L2 via de diode Dl en de uitgangsaansluiting A2 naar de piëzoactuator 15 P vloeit. In deze fase wordt de uitgangsspanning verhoogd en de piëzoactuator P derhalve opgeladen.When Q1 is then switched off again and the primary current collapses, a relatively large voltage is induced in the second inductance L2, so that a load current of L2 flows through the diode D1 and the output terminal A2 to the piezo actuator P. In this phase the output voltage is increased and the piezo actuator P is therefore charged.

Door herhaald inschakelen en uitschakelen van Q1 kan derhalve de piëzoactuator P in een gewenste mate worden opgeladen respectievelijk een gewenste uitgangsspanning (belastingspanning) worden ingesteld.By repeatedly switching on and off Q1, the piezo actuator P can therefore be charged to a desired extent or a desired output voltage (load voltage) can be set.

20 Om de uitgangsspanning tussen de uitgangsaansluitingen Al en A2 constant te houden en derhalve de in de piëzoactuator P opgeslagen lading constant te houden, worden beide schakelaars Q1 en Q3 eenvoudig uitgeschakeld (geopend). Om een geleidelijke ongewenste ontlading bijvoorbeeld door lekstromen te compenseren, kan de uitgangsspanning worden bewaakt en op basis van de bewaking worden nageregeld.In order to keep the output voltage between the output terminals A1 and A2 constant and therefore to keep the charge stored in the piezo actuator P constant, both switches Q1 and Q3 are simply switched off (opened). In order to compensate for a gradual undesired discharge, for example through leakage currents, the output voltage can be monitored and adjusted on the basis of the monitoring.

25 Om de uitgangsspanning weer te verminderen en derhalve de piëzoactuator P te ontladen, wordt de transistor Q3 permanent of geklokt ingeschakeld. Op deze wijze kan een gewenst ontladingsverloop in de tijd worden bewerkstelligd.To reduce the output voltage again and therefore to discharge the piezo actuator P, the transistor Q3 is switched on permanently or clocked. In this way a desired discharge course in time can be achieved.

Bij de aansturing van de beide schakelaars Q1 en Q3 worden de hierboven reeds vermelde stroommeetsignalen Usl en Us2 voor het bepalen van bedrijfsgunstige scha-30 keltijdstippen door de besturingsinrichting ST benut.When the two switches Q1 and Q3 are driven, the current measuring signals Us1 and Us2 already mentioned above are used by the control device ST to determine operationally favorable switching times.

Verder komt het zoals bij het hierboven met betrekking tot figuur 1 beschreven voorbeeld in aanmerking om ook de over de shuntweerstand Rs3 staande spanning of 10 andere meetsignalen zoals in het bijzonder de uitgangsspanning bij de aansturing in acht te nemen.Furthermore, as in the example described above with regard to Fig. 1, it is also possible to take into account the voltage across the shunt resistor Rs3 or other measuring signals, such as in particular the output voltage when driving.

Samenvattend zijn met de beschreven schakelingsinrichtingen 10 en 10a telkens eenvoudig opgebouwde en derhalve goedkope eindtrappen voor het aansturen van een 5 piëzoactuator verschaft. De schakelingsinrichtingen zijn slechts eentraps en er is geen erachter geschakelde lineaire regelaar noodzakelijk. Er kunnen in principe willekeurige uitgangsspanningen en ingangsspanningen worden ingesteld. Door de capacitieve respectievelijk inductieve ontkoppeling tussen voedingszijde en uitgangszijde kan worden gewaarborgd dat in het geval van een fout geen hoge stroom of een hoge spanning aan 10 de uitgang heersen. Bovendien kan de in de belasting opgeslagen energie bij het ontladen van de belasting ten minste gedeeltelijk weer worden teruggewonnen.In summary, with the described circuit devices 10 and 10a, each time simply constructed and therefore inexpensive end stages for controlling a piezo actuator are provided. The circuit devices are only single-stage and there is no need for a linear controller connected behind. In principle, arbitrary output voltages and input voltages can be set. The capacitive or inductive decoupling between the supply side and the output side can ensure that no high current or high voltage will prevail at the output in the event of an error. Moreover, the energy stored in the load can be recovered at least partially when the load is discharged.

Claims

Circuit arrangement (10) for operating a capacitive load 5 (P), comprising - a first supply connection (E1) and a second supply connection (E2) for applying a first supply potential (GND) and a second supply potential (respectively) VBAT), - a first output connection (A1) and a second output connection (A2) for connecting the load (P), the first output connection (A1) being connected to the first supply connection (E1), - a connection between a first circuit node (K1) and a second circuit node (K2), a capacitor (C), - a first inductance (L1) arranged between the second supply terminal (E2) and the first circuit node (K1), - a first inductance (L1), - a K1) and the first supply connection (E1) arranged first control circuit (Q1), - installed between the second switching node (K2) and the first supply connection (E1) real second inductance (L2), 20. a diode (D1) arranged between the second switching node (K2) and the second output terminal (A2), - a second controllable switch arranged between the second output terminal (A2) and the first output terminal (A1) (Q3), and - a control device (ST) for making control signals (q1, q3) available for controlling the two switches (Q1, Q3).

Circuit arrangement according to claim 1, wherein the two supply potentials (GND, VBAT) are made available by a battery.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the circuit components are constructed in such a way that an output voltage exceeding the supply voltage (VBAT-GND) can be achieved.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the first controllable switch (Q1) and / or the second controllable switch (Q3) is in the form of a transistor, in particular FET.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, in which means (Rsl) for measuring the current flowing through the first switch (Q1) and / or means (Rs2) for measuring the current flowing through the load (P) are provided.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein means (OPAMP, Rs3) are provided for the controlled adjustment of a current flowing via the second switch (Q3) depending on the relevant control signal (q3).

Use of a circuit arrangement (10, 10a) according to one of the preceding claims for controlling a piezoelectric adjusting element.