WO2007010018A1 - Schaltung und verfahren zur änderung der ladung einer kapazitiven last - Google Patents

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WO2007010018A1
WO2007010018A1 PCT/EP2006/064443 EP2006064443W WO2007010018A1 WO 2007010018 A1 WO2007010018 A1 WO 2007010018A1 EP 2006064443 W EP2006064443 W EP 2006064443W WO 2007010018 A1 WO2007010018 A1 WO 2007010018A1
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WO
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capacitive load
circuit
control unit
charge
voltage
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Application number
PCT/EP2006/064443
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Ertl
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to a circuit for changing the charge of a capacitive load with a current source and a latch and with a switched between the power source and buffer primary control unit and a switched between buffer and capacitive load secondary control unit.
  • the invention further relates to a method for changing the charge of a capacitive load.
  • a circuit and a method for changing the charge of a capacitive load are known from DE 44 35 832 Al.
  • the known circuit has a storage inductor and a power source. Between the power source and storage throttle a primary-side control unit is arranged. Between storage choke and capacitive load is a secondary control unit.
  • the primary and the secondary control unit each comprise switches, to each of which a diode is connected in parallel. The diodes are each poled in such a way that no charge can flow back from the charge source to the current source when the switches are open.
  • the secondary-side switch For discharging, the secondary-side switch is closed, the primary-side switch remains open. As a result, a current flows from the capacitive load through the storage choke, which continues to flow after the opening of the secondary switch, thereby recharging charge to the power source.
  • the known circuit and the known method are particularly suitable for the operation of piezoelectric actuators in automotive technology, building technology and automation technology.
  • circuits are required for the various applications that allow the piezo actuators to be charged and discharged according to a predetermined charge-time profile.
  • the areas of application are all the more diverse, the more precisely the piezoactuators can be charged or discharged in accordance with the given charge-time profile.
  • the object of the invention is therefore to provide a circuit which can be produced with little effort and a method which can be implemented with simple means, with which a capacitive load can be charged and discharged with great accuracy in accordance with a predetermined charge-time profile leaves.
  • a buffer capacity is used as a buffer, one of the electrodes is connected to the primary control unit and the secondary control unit and the other electrode is connected to aricshubgenerator.
  • the circuit and the method dispenses with inductances as energy storage. Rather, in the circuit and the method, an intermediate storage capacity is used, which is connected to a voltage swing generator. In the circuit and method, it is possible to shift the charge stored in the latch capacitance to the capacitive load by a voltage increase generated by the voltage swing generator. Since the intermediate storage capacity is charged with a defined charge as a function of the applied voltage, no special regulation for the charge quantity is required. In particular, the magnitude of the charge quantity is also independent of the electrical properties of the capacitive load.
  • the primary control unit and the secondary unit each comprise a circuit element that provides the function of a diode.
  • the switching elements with the functions of a diode are each poled so that the cathode faces the capacitive load.
  • Loading is to be understood to mean an increase in the positive charge or a reduction in negative charge on the electrode of the capacitive load connected to the circuit.
  • the primary and secondary switching elements are poled with the function of a diode such that the anode of the switching elements faces the electrode of the capacitive load connected to the circuit. Under unloading thereby the reduction of a positive
  • the voltage swing of the voltage swing generator can be varied.
  • the amount of charge transferred to the capacitive load or the amount of charge drawn off from the capacitive load can be varied as required.
  • Figure 1 shows the block diagram of a circuit for loading a piezoelectric actuator
  • Figure 2 shows the schematic diagram of a circuit for discharging a piezoelectric actuator
  • Figure 3 is a diagram showing the timing of the voltage generated by a Hubwoods provoke
  • Figure 4 shows a circuit for changing the charge of a piezoelectric actuator
  • FIG. 5 shows the course of the voltage on the piezoelectric actuator simulated with the circuit of FIG. 4;
  • FIG. 6 shows an enlarged detail of the voltage curve from FIG. 5;
  • FIG. 7 shows the curve of the voltage at the piezoelectric actuator and the voltage generated by the voltage swing source as measured on a test setup according to the circuit of FIG. 4;
  • FIG. 8 shows the course of the voltages from FIG. 7 over a larger time interval.
  • FIG. 1 shows a charging circuit 1 with which a piezoactuator 2 can be charged.
  • the charging circuit 1 has a current amplifier 3, which is connected via a primary-side diode 4 to a latching electrode 5 of an intermediate storage capacitor 6.
  • a voltage swing electrode 7 of the buffer memory 6 is connected to a voltage swing source 8.
  • the latching electrode 5 is connected not only to the primary-side diode 4 but also to a secondary-side diode 9 which is connected to a charging electrode 10 of the piezoelectric actuator 2.
  • Another ground electrode 11 of the piezoelectric actuator 2 is connected to ground 12.
  • Rode 10 of the piezoelectric actuator 2 voltage applied may be fed back to the current amplifier 3.
  • the primary-side diode 4 and the secondary-side diode 9 are each poled so that the cathode faces the piezoelectric actuator 2.
  • the charging circuit 1 works as follows:
  • the potentials applied to the latching electrode 5 and the charging electrode 10 are the same size. Thus, there is no current flow through the primary-side diode 4 and the secondary-side diode 9. For ti ⁇ t ⁇ t2, the voltage u (t) falls by ⁇ u from u max to u m i n .
  • the charge equalization is completed when the potentials at the latching electrode 5 and the charging electrode 10 again have the same value. From t> t2, the voltage u (t) increases by ⁇ u.
  • the charge previously supplied to the buffer memory 6 is distributed to the piezoelectric actuator 2 and the buffer memory 6 in proportion to the capacitance values. In general, however, the capacitance value C of the buffer capacity 6 is substantially smaller than the capacitance value Cpi ezo of the piezoelectric actuator 2.
  • the size of the charge packets can be adjusted almost arbitrarily over the voltage swing of the voltage Hubetti 8.
  • FIG. 2 shows a discharge circuit 14 which functions in accordance with the charging circuit 1.
  • the piezoelectric actuator 2 can be discharged.
  • a primary-side diode 15 is provided which is connected to a latching electrode 16 of a latching capacitor 17.
  • Another voltage swing electrode 18 is connected to the voltage swing source 8.
  • the intermediate storage electrode 16 is further connected via a secondary-side diode 19 to the charging electrode of the piezoelectric actuator 2.
  • the primary-side diode 15 and the secondary-side diode 19 are each poled so that the cathode points away from the piezoelectric actuator 2.
  • the discharge circuit 14 now works as follows:
  • the potentials at nodes A and B are the same size.
  • no current flow through the primary-side diode 15 and the secondary-side diode 19 takes place.
  • the voltage u (t) falls by ⁇ u from u max to u m i n .
  • Charge compensation is completed when the potentials at nodes A and B are the same size again. From t> t2, the voltage u (t) again increases by ⁇ u.
  • the charge previously supplied to the intermediate storage capacitor 17 is picked up by the current amplifier 3, at which, if appropriate, an energy output 20 takes place.
  • Both in the charging circuit 1 and in the discharge circuit 14 is C «Cpi e z o - This minimizes the error in the charge exchange with the piezoelectric actuator 2, since the capacitance the piezoelectric actuator 2 is usually not constant, but has a non-linear course.
  • the function of the charging circuit 1 and the discharge circuit 14 were demonstrated in a simulation and by a test setup.
  • FIG. 4 shows a charging and discharging circuit 21 with which the function of the charging circuit 1 and the discharging circuit 14 has been simulated.
  • the charging and discharging circuit 21 includes a voltage source 22 that provides an output voltage of 220V.
  • the voltage swing source 8 has a clock generator 23 which controls a booster circuit 25 via a series resistor 24.
  • the amplifier circuit 25 comprises, in addition to a voltage source 26, a transistor 27 connected in the emitter circuit and the emitter resistor 28, the collector resistor 29 and the series resistor 30, via which a push-pull output stage 33 formed by transistors 31 and 32 is controlled.
  • the output of the push-pull output stage 33 is connected via series resistors 34 and 35 respectively to the voltage swing electrode 7 of the latching capacitor 6 or the voltage swing electrode 18 of the latching capacitor 17.
  • protective diodes 36 and 37 as well as discharge resistors 38, 39 and 40 are connected to the latching electrode 5 of the latching capacitor 6 and to the latching electrode 16 of the latching capacitor 17.
  • the function of the primary-side diode 4 is taken over by a transistor 41, the function of the secondary-side diode 9 of a switching transistor 42, the function of the primary-side diode 15 of a transistor 43 and the function of the secondary-side diode 19 from the switching transistor 44th Via a series resistor 45, the amplifier 3 formed by transistors 46 and 47 is connected to the node B. The output of the amplifier 3 is in each case fed back via series resistors 48 to the base of the transistors 41 and 43.
  • the switching transistors 42 and 44 are finally actuated by means of switches 49 which are connected via protective resistors 50 to the switching transistors 42 and 44.
  • FIG. 5 shows a voltage curve 51 recorded at the node B on the piezoelectric actuator 2.
  • the voltage waveform 51 is the result of a simulation performed with the charge and discharge circuit 21 of FIG.
  • the voltage profile 51 includes a charging phase 52, a holding phase 53 and a discharging phase 54. Based on the voltage curve
  • the high linearity becomes visible over the entire voltage swing of 120 V. In all three phases, the linearity error is less than 10 percent.
  • FIGS. 7 and 8 show measurements made on the charging circuit 1.
  • the capacitance of the purely capacitive load was 3.3 ⁇ F.
  • the voltage swing source 8 was operated at a frequency of 25 kHz and a duty cycle of 1: 1, wherein the voltage swing ⁇ u was set to 8 V.
  • FIG. 7 illustrates a voltage curve 56 of the voltage swing source 8 and a voltage curve 57 which has been measured at node B.
  • the deviation of the voltage waveform 56 from the rectangular shape is due to the lack of driving capability of the capacitive load function generator used.
  • Decisive for the charge transfer is not the pulse shape, but are the voltage minima and voltage maxima.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Eine Ladeschaltung (1) für einen Piezoaktor (2) weist eine Zwischenspeicherkapazität (6) auf, die mit einer Spannungshubquelle (8) beaufschlagt ist. Zusammen mit den Dioden (4, 9) ergibt sich eine präzise Ladungspumpe, mit der Ladung auf den Piezoaktor (2) transferierbar ist. Eine analoge Entladeschaltung unterscheidet sich von der Ladeschaltung (1) lediglich durch die Polung der Dioden (4, 9).

Description

Beschreibung
Schaltung und Verfahren zur Änderung der Ladung einer kapazitiven Last
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Änderung der Ladung einer kapazitiven Last mit einer Stromquelle und einem Zwischenspeicher sowie mit einer zwischen Stromquelle und Zwischenspeicher geschalteten primären Steuereinheit und einer zwischen Zwischenspeicher und kapazitiver Last geschalteten sekundären Steuereinheit.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Änderung der Ladung einer kapazitiven Last.
Eine Schaltung und ein Verfahren zur Änderung der Ladung einer kapazitiven Last sind aus der DE 44 35 832 Al bekannt. Die bekannte Schaltung weist eine Speicherdrossel sowie eine Stromquelle auf. Zwischen Stromquelle und Speicherdrossel ist eine primärseitige Steuereinheit angeordnet. Zwischen Speicherdrossel und kapazitiver Last befindet sich eine sekundäre Steuereinheit. Die primäre und die sekundäre Steuereinheit umfassen jeweils Schalter, zu denen jeweils eine Diode parallel geschaltet ist. Die Dioden sind jeweils so gepolt, dass bei geöffneten Schaltern keine Ladung von der Ladungsquelle zur Stromquelle zurückfließen kann.
Zum Laden der kapazitiven Last wird der primärseitige Schalter geschlossen. Dadurch fließt ein Strom durch die Speicher- drossel, der in der Speicherdrossel ein magnetisches Feld aufbaut. Nach dem Öffnen des primärseitigen Schalters fließt der Strom durch die Speicherdrossel weiter und lädt über die sekundärseitige Diode die kapazitive Last auf.
Zum Entladen wird der sekundärseitige Schalter geschlossen, der primärseitige Schalter bleibt geöffnet. Dadurch fließt ein Strom von der kapazitiven Last durch die Speicherdrossel, der nach dem Öffnen des sekundären Schalters weiterfließt und dadurch Ladung an die Stromquelle zurücküberträgt.
Die bekannte Schaltung und das bekannte Verfahren eignen sich insbesondere zum Betrieb piezoelektrischer Aktoren in der Automobiltechnik, der Gebäudetechnik und der Automatisierungstechnik. Für die verschiedenen Anwendungen werden insbesondere Schaltungen benötigt, die es gestatten, die Piezoaktoren nach einem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil zu laden und zu entladen. Die Einsatzbereiche sind dabei umso vielfältiger, je genauer die Piezoaktoren entsprechend dem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil geladen oder entladen werden können.
Mit der bekannten Schaltung und dem bekannten Verfahren kön- nen einzelne Ladungspakete mit hohem Wirkungsgrad der kapazitiven Last zugeführt oder der kapazitiven Last entnommen werden. Bei Betrieb der bekannten Schaltung mit einem Taktgenerator genügend großer Zeitauflösung lassen sich auch vorgegebene Ladungs-Zeit-Profile mit ausreichend großer Genauigkeit nachbilden.
Aufgrund hoher Strom- und Spannungsspitzen bei der bekannten Schaltung treten jedoch EMV-Probleme auf, die eine meist aufwändige Gestaltung der Leiterplatten und der Schaltung erfor- dern. Auch die bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit erforderliche genaue Messung der Größe der Ladungspakete stellt im Umfeld starker Störfelder eine besondere Herausforderung dar. Schließlich werden auch besonders hohe Anforderungen an die Schaltzeiten der verwendeten Leistungstransistoren ge- stellt, da diese wesentlich für den Fehler bei der Größer der Ladungspakete verantwortlich sind. Um eine ausreichend große Genauigkeit zu erzielen, müssen die Leistungstransistoren beispielsweise Ströme im mittleren Amperebereich in wenigen Nanosekunden schalten.
Deshalb ist es in der Regel erforderlich, geeignete Bauteile für die bekannte Schaltung auszuwählen. Ferner müssen mehrlagige Leiterplatten verwendet werden und die Schaltung ent- sprechend den Anforderungen mit hohem Aufwand angepasst werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine mit geringem Aufwand erstellbare Schaltung und ein mit einfachen Mitteln ausführbares Verfahren zu schaffen, mit denen sich eine kapazitive Last nach einem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil mit großer Genauigkeit laden und entladen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei der Schaltung und dem Verfahren wird eine Zwischenspeicherkapazität als Zwischenspeicher verwendet, dessen eine E- lektrode mit der primären Steuereinheit und der sekundären Steuereinheit verbunden ist und deren andere Elektrode mit einem Spannungshubgenerator verbunden ist.
Die Schaltung und das Verfahren verzichtet auf Induktivitäten als Energiespeicher. Vielmehr wird bei der Schaltung und dem Verfahren eine Zwischenspeicherkapazität verwendet, die an einen Spannungshubgenerator angeschlossen ist. Bei der Schaltung und dem Verfahren ist es möglich, die in der Zwischenspeicherkapazität gespeicherte Ladung durch einen Spannungsanstieg, der vom Spannungshubgenerator erzeugt wird, auf die kapazitive Last zu verschieben. Da die Zwischenspeicherkapa- zität in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung mit einer definierten Ladung geladen wird, ist keine spezielle Regelung für die Ladungsmenge erforderlich. Insbesondere ist die Größe der Ladungsmenge auch unabhängig von den elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Last.
Mit der Schaltung und dem Verfahren lassen sich daher kapazitive Lasten mit großer Genauigkeit entsprechend einem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil aufladen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die primäre Steuereinheit und die Sekundäreinheit jeweils ein Schaltungselement, das die Funktion einer Diode bereitstellt. Durch derartige Schaltungselemente kann der Zufluss auf die kapazitive Last und der Abfluss von der kapazitiven Last ohne großen Aufwand gesteuert werden.
Zum Laden der kapazitiven Last sind die Schaltelemente mit den Funktionen einer Diode jeweils so gepolt, dass die Kathode zur kapazitiven Last weist. Unter Laden soll dabei eine Erhöhung der positiven Ladung oder eine Verringerung negativer Ladung auf der an die Schaltung angeschlossenen Elektrode der kapazitiven Last verstanden werden.
Zum Entladen sind dementsprechend das primäre und das sekundäre Schaltelement mit der Funktion einer Diode derart gepolt, dass die Anode der Schaltelemente zu der an die Schaltung angeschlossenen Elektrode der kapazitiven Last weist. Unter Entladen soll dabei die Verringerung einer positiven
Ladung oder die Erhöhung einer negativen Ladung der Elektrode verstanden werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Span- nungshub des Spannungshubgenerators variierbar. Dadurch lässt sich die auf die kapazitive Last übertragene Ladungsmenge o- der die von der kapazitiven Last abgezogene Ladungsmenge je nach Anforderung variieren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltung zum Laden eines Piezoaktors; Figur 2 das Prinzipschaltbild einer Schaltung zum Entladen eines Piezoaktors;
Figur 3 ein Diagramm, in dem der zeitliche Ablauf der von einer Hubspannungsquelle erzeugten Spannung dargestellt ist;
Figur 4 eine Schaltung zur Änderung der Ladung eines Piezoaktors;
Figur 5 der mit der Schaltung aus Figur 4 simulierte Verlauf der Spannung an dem Piezoaktor;
Figur 6 einen vergrößerten Ausschnitt des Spannungsverlaufs aus Figur 5;
Figur 7 der an einen Testaufbau entsprechend der Schaltung aus Figur 4 gemessene Verlauf der Spannung am Piezoaktor und der von der Spannungshubquelle erzeug- ten Spannung; und
Figur 8 den Verlauf der Spannungen aus Figur 7 über ein größeres Zeitintervall hinweg.
Figur 1 zeigt eine Ladeschaltung 1, mit der ein Piezoaktor 2 geladen werden kann. Die Ladeschaltung 1 verfügt über einen Stromverstärker 3, der über eine primärseitige Diode 4 mit einer Zwischenspeicherelektrode 5 einer Zwischenspeicherkapazität 6 verbunden ist. Eine Spannungshubelektrode 7 der Zwi- schenspeicherkapazität 6 ist mit einer Spannungshubquelle 8 verbunden.
Die Zwischenspeicherelektrode 5 ist nicht nur mit der primär- seitigen Diode 4, sondern auch mit einer sekundärseitigen Di- ode 9 verbunden, die an eine Ladeelektrode 10 des Piezoaktors 2 angeschlossen ist. Eine weitere Masseelektrode 11 des Piezoaktors 2 ist mit Masse 12 verbunden. Die an der Ladeelekt- rode 10 des Piezoaktors 2 anliegende Spannung kann auf den Stromverstärker 3 zurückgekoppelt sein.
Die primärseitige Diode 4 und die sekundärseitige Diode 9 sind jeweils so gepolt, dass die Kathode dem Piezoaktor 2 zugewandt ist.
Die Ladeschaltung 1 funktioniert wie folgt:
Zum Zeitpunkt t = 0 s gelte für die Spannung der Spannungshubquelle: u(t = 0) = umax. Die an der Zwischenspeicherelektrode 5 und der Ladeelektrode 10 anliegenden Potentiale haben die gleiche Größe. Damit gibt es keinen Stromfluss durch die primärseitige Diode 4 und die sekundärseitige Diode 9. Für ti < t < t2 fällt die Spannung u(t) um Δu von umax auf umin. Die
Spannungsdifferenz Δu = umax - umin entspricht an der Zwischenspeicherkapazität 6 einer Ladung ΔQ = C Δu welche über einen Stromfluss über den Zeitraum Δt = t2 - ti durch den Ausgang des Stromverstärkers 3 aufgebracht werden muss. Der Ladungs- ausgleich ist beendet, wenn die Potentiale an der Zwischenspeicherelektrode 5 und der Ladeelektrode 10 wieder den gleichen Wert haben. Ab t > t2 steigt die Spannung u(t) um Δu. Die zuvor der Zwischenspeicherkapazität 6 zugeführte Ladung wird auf den Piezoaktor 2 und die Zwischenspeicherkapazität 6 im Verhältnis der Kapazitätswerte verteilt. Im Allgemeinen ist jedoch der Kapazitätswert C der Zwischenspeicherkapazität 6 wesentlich kleiner als der Kapazitätswert Cpiezo des Piezoaktors 2. Damit wird die Ladung ΔQ = C Δu fast vollständig an den Piezoaktor 2 weitergegeben. Die Ladeschaltung 1 kann da- her unter der Voraussetzung C « Cpiezo als hochgenaue Ladungspumpe angesehen werden, die es auf einfache Weise ermöglicht, Ladungspakete der Größe ΔQ = C Δu dem Piezoaktor 2 zuzuführen oder dem Piezoaktor 2 zu entziehen. Die Größe der Ladungspakete kann dabei über den Spannungshub der Spannungs- hubquelle 8 nahezu beliebig eingestellt werden.
Die zum Betrieb der Ladeschaltung 1 erforderliche Energiezufuhr 13 erfolgt über den Stromverstärker 3. Figur 2 zeigt eine Entladeschaltung 14, die entsprechend der Ladeschaltung 1 funktioniert. Mit der Entladeschaltung 14 lässt sich der Piezoaktor 2 entladen. Dazu ist insbesondere eine primärseitige Diode 15 vorgesehen, die an eine Zwischenspeicherelektrode 16 einer Zwischenspeicherkapazität 17 angeschlossen ist. Eine weitere Spannungshubelektrode 18 ist an die Spannungshubquelle 8 angeschlossen. Die Zwischenspeicherelektrode 16 ist ferner über eine sekundärseitige Diode 19 mit der Ladeelektrode des Piezoaktors 2 verbunden.
Die primärseitige Diode 15 und die sekundärseitige Diode 19 sind jeweils so gepolt, dass die Kathode vom Piezoaktor 2 wegweist .
Die Entladeschaltung 14 funktioniert nun wie folgt:
Zum Zeitpunkt t = 0 s gelte für die von der Spannungshubquelle 8 abgegebene Spannung gemäß Figur 3 u(t) = umax. Die Poten- tiale an den Knoten A und B haben die gleiche Größe. Damit findet kein Stromfluss durch die primärseitige Diode 15 und die sekundärseitige Diode 19 statt. Während ti < t < t2 fällt die Spannung u(t) um Δu von umax auf umin. Die Spannungsdifferenz Δu = Umax ~ Umin entspricht an der Zwischenspeicherkapazi- tat 17 einer Ladung ΔQ = C Δu, welche durch einen Stromfluss über den Zeitraum Δt = t2 - ti durch eine Ladungsverschiebung vom Piezoaktor 2 über die sekundärseitige Diode 19 hinweg zur Zwischenspeicherkapazität 17 aufgebracht wird. Der Ladungsausgleich ist beendet, wenn die Potentiale an den Knoten A und B wieder die gleiche Größer haben. Ab t > t2 steigt die Spannung u(t) wieder um Δu an. Die zuvor der Zwischenspeicherkapazität 17 zugeführte Ladung wird vom Stromverstärker 3 aufgenommen, an dem gegebenenfalls eine Energieabgabe 20 stattfindet .
Sowohl bei der Ladeschaltung 1 als auch bei der Entladeschaltung 14 gilt C « Cpiezo- Dadurch wird der Fehler beim Ladungsaustausch mit dem Piezoaktor 2 minimiert, da die Kapazi- tät des Piezoaktor 2 in der Regel nicht konstant ist, sondern einen nichtlinearen Verlauf aufweist.
Die Funktion der Ladeschaltung 1 und der Entladeschaltung 14 wurden in einer Simulation und durch einen Testaufbau nachgewiesen.
Figur 4 zeigt eine Lade- und Entladeschaltung 21, mit der die Funktion der Ladeschaltung 1 und der Entladeschaltung 14 si- muliert worden ist.
Die Lade- und Entladeschaltung 21 umfasst eine Spannungsquelle 22, die eine AusgangsSpannung von 220 V liefert. Die Spannungshubquelle 8 verfügt über einen Taktgenerator 23, der ü- ber einen Vorwiderstand 24 eine Verstärkerschaltung 25 steuert. Die Verstärkerschaltung 25 umfasst neben einer Spannungsquelle 26 einen in Emitterschaltung geschalteten Transistor 27 sowie den Emitterwiderstand 28, den Kollektorwiderstand 29 und den Vorwiderstand 30, über den eine von Transis- toren 31 und 32 gebildete Gegentaktendstufe 33 gesteuert ist. Der Ausgang der Gegentaktendstufe 33 liegt über Vorwiderstände 34 und 35 jeweils an der Spannungshubelektrode 7 der Zwischenspeicherkapazität 6 oder der Spannungshubelektrode 18 der Zwischenspeicherkapazität 17 an.
Für die Stabilität der Schaltung sind an die Zwischenspeicherelektrode 5 der Zwischenspeicherkapazität 6 und an die Zwischenspeicherelektrode 16 der Zwischenspeicherkapazität 17 Schutzdioden 36 und 37 sowie Ableitwiderstände 38, 39 und 40 angeschlossen.
Die Funktion der primärseitigen Diode 4 wird von einem Transistor 41 übernommen, die Funktion der sekundärseitigen Diode 9 von einem Schalttransistor 42, die Funktion der primärsei- tigen Diode 15 von einem Transistor 43 und die Funktion der sekundärseitigen Diode 19 vom Schalttransistor 44. Über einen Vorwiderstand 45 ist der von Transistoren 46 und 47 gebildete Verstärker 3 an den Knoten B angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 3 ist jeweils über Vorwiderstände 48 an die Basis der Transistoren 41 und 43 zurückgekoppelt.
Die Schalttransistoren 42 und 44 sind schließlich mit Hilfe von Schaltern 49 betätigbar, die über Schutzwiderstände 50 an die Schalttransistoren 42 und 44 angeschlossen sind.
In Figur 5 ist ein am Knoten B aufgenommener Spannungsverlauf 51 an dem Piezoaktor 2 dargestellt. Der Spannungsverlauf 51 ist das Ergebnis einer Simulation, die mit der Lade- und Entladeschaltung 21 aus Figur 4 durchgeführt worden ist. Der Spannungsverlauf 51 umfasst eine Ladephase 52, eine Haltepha- se 53 und eine Entladephase 54. Anhand des Spannungsverlaufs
51 wird die hohe Linearität über den gesamten Spannungshub von 120 V sichtbar. In allen drei Phasen liegt der Lineari- tätsfehler unter 10 Prozent.
In Figur 6 ist der Spannungsverlauf 51 während der Ladephase
52 nochmals mit höherer Spannungs- und Zeitauflösung dargestellt. In der vergrößerten Darstellung von Figur 6 sind am Spannungsverlauf 51 deutlich SpannungsSprünge 55 erkennbar, die durch den Übertrag von Ladungspaketen auf den Piezoaktor 2 verursacht werden.
Figur 7 und 8 zeigen schließlich Messungen, die an der Ladeschaltung 1 vorgenommen worden sind. Die Ladeschaltung 1 wurde dabei mit einer Spannung von U = 240 V versorgt. Die Kapa- zität der rein kapazitiven Last betrug 3,3 μF. Mit der rein kapazitiven Last wurde der Piezoaktor 2 simuliert. Für die Zwischenspeicherkapazität wurde ein Wert von 100 nF gewählt. Die Spannungshubquelle 8 wurde mit einer Frequenz von 25 kHz und einem Tastverhältnis 1:1 betrieben, wobei der Spannungs- hub Δu auf 8 V gesetzt wurde. In Figur 7 ist ein Spannungsverlauf 56 der Spannungshubquelle 8 und ein Spannungsverlauf 57 dargestellt, der am Knoten B gemessen worden ist.
Bei idealem Ladungsübergang auf die kapazitive Last ist unter den gegebenen Randbedingungen eine Stufenhöhe der Spannungssprünge 55 im Bereich von δu = 242 mV zu erwarten. Diese Erwartung wird durch die Messung bestätigt.
Es sei angemerkt, dass die Abweichung des Spannungsverlaufs 56 von der Rechteckform in der mangelnden Treiberfähigkeit des verwendeten Funktionsgenerators für kapazitive Lasten begründet ist. Entscheidend für den Ladungsübertrag ist aber nicht die Pulsform, sondern sind die Spannungsminima und Spannungsmaxima .
In Figur 8 ist schließlich der gesamte Spannungsverlauf 57 von 0 Volt bis 240 Volt dargestellt. Wiederum ist die sehr gute Linearität des Spannungsanstiegs am Piezoaktor 2 erkenn- bar.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltung zur Änderung der Ladung einer kapazitiven Last (2) mit einer Stromquelle (3) und einem Zwischenspeicher so- wie mit einer zwischen Stromquelle (3) und Zwischenspeicher geschalteten primären Steuereinheit (4, 15, 41, 43) und mit einer zwischen Zwischenspeicher und kapazitiver Last (2) geschalteten sekundären Steuereinheit (9, 19, 42, 44), dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher von einer Zwischenspeicherkapazität (6, 17) gebildet ist, deren eine Elektrode (5, 16) mit der primären Steuereinheit (4, 15, 41, 43) und der sekundären Steuereinheit (9, 19, 44, 45) verbunden ist und deren andere Elektrode (7, 18) in Verbindung mit einer Spannungshubquelle (8) steht.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapazitätswert der Zwischenspeicherkapazität (6, 17) kleiner als der Kapazitätswert der kapazitiven Last (2) ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu ladende kapazitive Last von einem Piezoaktor (2) ge- bildet ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungshub der Spannungshubquelle (8) variierbar ist.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Spannungshubquelle (8) variierbar ist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Steuereinheit (4, 15, 41, 43) und die sekundäre Steuereinheit (9, 19, 42, 44) jeweils die Funktion einer Diode aufweisen.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zum Laden der kapazitive Last (2) dient und der die Funktion einer Kathode aufweisende Pol der primären Steuereinheit (4, 15, 41, 43) mit der kapazitiven Last (2) zuge- wandt ist.
8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zum Entladen der kapazitiven Last (2) dient und der die Funktion einer Anode aufweisende Pol der primären
Steuereinheit (4, 15, 41, 43) und der sekundären Steuereinheit (9, 19, 42, 44) der kapazitiven Last (2) zugewandt ist.
9. Verfahren zum Durchführen zur Änderung der Ladung einer kapazitiven Last (2), bei dem mit Hilfe eines Zwischenspeichers (3) und mit Hilfe einer zwischen einer Stromquelle (3) und dem Zwischenspeicher (3) angeordneten primären Steuereinheit (4, 15, 41, 43) sowie mit Hilfe einer zwischen Zwischenspeicher und kapazitiver Last (2) angeordneten sekundären Steuereinheit (9, 19, 42, 44) Ladung zwischen Zwischenspeicher (3) und kapazitiver Last (2) ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenspeicher eine Zwischenspeicherkapazität (6, 17) verwendet wird, deren von der primären Steuereinheit (4, 15, 41, 43) und der sekundären Steuereinheit (9, 19, 42, 44) abgewandte Elektrode mit einem Spannungshubsignal aus einer Spannungshubquelle (8) beaufschlagt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zwischenspeicherkapazität (6, 17) ein Kapazitätswert unterhalb des Kapazitätswerts der kapazitiven Last (2) gewählt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
Ladevorgänge an einem Piezoaktor (2) durchgeführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungshub der Spannungshubquelle (8) variiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Tastverhältnis des Spannungshubsignals variiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Spannungshubsignals variiert wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0612140A1 (de) * 1993-02-17 1994-08-24 STMicroelectronics S.r.l. Ladungspumpenschaltung
WO2002067411A1 (en) * 2001-02-19 2002-08-29 Piezomotor Uppsala Ab Energy recovery in electromechanical motors
US6456151B1 (en) * 1999-03-16 2002-09-24 Stmicroelectronics S.A. Capacitive charge pump device and method for controlling the same
WO2005122382A1 (en) * 2004-06-11 2005-12-22 Nokia Corporation Driving circuit for piezoelectric motor

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4435832C2 (de) * 1994-10-07 2001-03-15 Univ Dresden Tech Schaltungsanordnung zur schnellen und verlustfreien Ladung und Entladung kapazitiver Lasten

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0612140A1 (de) * 1993-02-17 1994-08-24 STMicroelectronics S.r.l. Ladungspumpenschaltung
US6456151B1 (en) * 1999-03-16 2002-09-24 Stmicroelectronics S.A. Capacitive charge pump device and method for controlling the same
WO2002067411A1 (en) * 2001-02-19 2002-08-29 Piezomotor Uppsala Ab Energy recovery in electromechanical motors
WO2005122382A1 (en) * 2004-06-11 2005-12-22 Nokia Corporation Driving circuit for piezoelectric motor

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