WO2008116747A1

WO2008116747A1 - Ansteuerschaltung und ansteuerverfahren für ein piezoelektrisches element

Info

Publication number: WO2008116747A1
Application number: PCT/EP2008/052909
Authority: WO
Inventors: Joerg Schestag; Andreas Hedenetz
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2008-10-02
Also published as: DE102007014331A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Ansteuerschaltung (100) für ein piezoelektrisches Element (102) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, mit einer Ladeschalteinheit (104, 202), die einen Ladestrom zwischen einem ersten (106) und zweiten (108) Spannungspotential durch das piezoelektrische Element (102) einschaltet, einer Steuereinheit (110), die die Ladeschalteinheit (104) ansteuert und eine Spannungsfestigkeit gegenüber einem Massepotential (112) aufweist, die geringer als das erste Spannungspotential (106) ist und einer Ladestrommesseinheit (114, 116), die auf Seite des ersten Spannungspotentials (106) mit dem piezoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist und der Steuereinheit (110) ein Messsignal (118) bereitstellt, das gegenüber dem Massepotential (112) eine geringere Maximalspannung als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit (110) aufweist. Die Erfindung schafft weiterhin ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements, bei dem zunächst ein erstes Spannungspotential relativ zu einem Massepotential vorgegeben wird. Einerseits wird eine Ladestrommesseinheit bereitgestellt, die an einem ersten Anschluss mit einer ersten Elektrode des piezoelektrischen Elements verbunden ist und eine Spannungsfestigkeit gegenüber dem Massepotential aufweist, welche mindestens so hoch ist wie das erste Spannungspotential, und andererseits eine Steuereinheit, die eine Spannungsfestigkeit gegenüber dem Massepotential aufweist, welche niedriger ist als das erste Spannungspotential. Ein zweiter Anschluss der Ladestrommesseinheit wird auf das erste Spannungspotential festgelegt. Die Ladestrommesseinheit ermittelt einen Ladestrom durch das piezoelektrische Element und übermittelt an die Steuereinheit ein vom Ladestrom abhängiges Messsignal, das eine Spannungsamplitude gegenüber dem Massepotential aufweist, die die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit nicht übersteigt. Die Steuereinheit steuert in Abhängigkeit vom Messsignal ein zweites Spannungspotential an einer zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements.

Description

Beschreibung

Titel

Ansteuerschaltung und Ansteuerverfahren für ein piezoelektrisches Element

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung und ein Ansteuerverfahren für ein piezoelektrisches Element zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum.

STAND DER TECHNIK

Ansteuervorrichtungen für piezoelektrische Elemente werden z.B. in Kraftstoffeinspritzsystemen eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Die piezoelektrische Elemente dienen als Stellglieder, wobei die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffeinspritzsystems auf einer exakten Ansteuerung der Stellglieder mit einem Steuerstrom beruht.

In der DE 10 2004 037 720 Al ist eine Ansteuerschaltung für ein Stellglied beschrieben, wobei ein piezoelektrisches Element angesteuert wird, welches beispielsweise eine Ventilnadel eines Einspritzventils bewegt, um eine Kraftstoffeinspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu bewirken.

In der DE 10 2004 058 671 Al ist eine weitere elektrische Schaltung zur Ansteuerung von piezoelektrischen Elementen insbesondere einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs offenbart, welche Reihenschaltungen von piezoelektrischen Elementen und Auswahltransistoren aufweist, die zueinander parallel geschaltet sind. Die Sekundärseite eines Gleichspannungswandlers ist über eine Diode mit einem Pufferkondensator verbunden, wel- eher ein Betriebspotential von bis zu 330 V Gleichspannung gegen ein Massenpotential des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Das Betriebspotential kann den Anoden der piezoelektrischen Elemente über mit einem Steuersignal ansteuerbare Schalttransistoren zugeführt werden, wobei jeweils ein piezoelektrisches Element mittels der Auswahltransistoren ausgewählt wird. Hierbei sind zwei in Serie geschaltete Schalttransistoren bereitgestellt, deren gemein- samer Anschlusspunkt mit einer Anode des anzusteuernden piezoelektrischen Elements gekoppelt ist, und von welchen jeweils einer zur Aufladung bzw. Entladung der Anode des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist. An der Kathode liegt dabei Massepotential an. Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), die das Steuersignal für die Schalttransistoren bereitstellt, steuert und/oder regelt den Lade- und Entladevorgang der piezoelektrischen Elemente in Abhängigkeit vom tatsächlich gemessenen Lade- bzw. Entla- destrom. Lade- und Entladestrom sind dazu über niederohmige Messwiderstände geführt, die an einem Anschlussende mit dem Massepotential verbunden sind, so dass an ihrem jeweils anderen Anschlussende eine geringe, dem zu messenden Strom proportionale Messspannung gegenüber dem Massepotential entsteht, die der ASIC direkt zugeführt wird.

Firmenintern sind weiterhin Piezo- Endstufen bekannt, bei denen die piezoelektrischen Elemente anodenseitig auf 250 V und kathodenseitig auf 45 V geladen werden. Es werden also zwei Gleichspannungen bereitgestellt, welche über eine geeignete Schaltvorrichtung an die Elektroden der piezoelektrischen Elemente gelegt werden. Dabei sind die piezoelektrischen Elemente kathodenseitig fest mit einem Potential von 45 V verbunden.

Bei dieser Anordnung ist es jedoch unmöglich, einen zur Messung des Ladestroms mit dem piezoelektrischen Element in Reihe zu schaltenden Messwiderstand derart in den Stromkreis einzufügen, dass er an einem Anschlussende mit dem Massepotential verbunden ist. Beide Anschlussenden des Messwiderstands, zwischen denen die Messspannung abfällt, befinden sich vielmehr auf einem Potential von etwa 45 V oder etwa 250 V, je nachdem, auf welcher Seite des piezoelektrischen Elements der Messwiderstand eingefügt ist. Da herkömmliche ASIC nur eine Spannungsfestigkeit von beispielsweise 5 V gegenüber dem Massepotential aufweisen, kann die am Messwiderstand abfallende Messspannung einem solchen ASIC nicht unmittelbar zugeführt werden. Den ASIC mit einer entsprechend höheren Spannungs- festigkeit von mindestens 45 V auszuführen würde jedoch die Herstellungs- und Entwicklungskosten wie auch die Baugröße des ASIC erheblich erhöhen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine kostengünstige Ansteuerschaltung für ein piezoelektrisches Element zu schaffen, die ermöglicht, einen Lade- oder Entladestrom des piezoelektrischen Elements zu messen, in Gegenwart einer Spannung gegenüber dem Massepotential, die die Spannungsfestigkeit herkömmlicher integrierter Schaltungen übersteigt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Zur Lösung wird erfindungsgemäß eine Ansteuerschaltung für ein piezoelektrisches Element zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird ein Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum angegeben, welches die in dem nebengeordneten Anspruch 11 enthaltenen Schritte aufweist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Steuereinheit zum Steuern des Ladestroms des piezoelektrischen Elements und eine Ladestrommesseinheit zum Messen des Ladestroms getrennt vorzusehen. Somit kann die Ladestrommesseinheit in einer Bau- weise ausgeführt werden, die hinreichend spannungsfest ist, um dem an der Messstelle gegenwärtigen Potential zu widerstehen, während die Steuereinheit in herkömmlicher Bauweise, z.B. mit einer Spannungsfestigkeit von etwa 5 V, kostengünstig ausgeführt werden kann. Diese Trennung ist besonders vorteilhaft, da die Steuereinheit im Vergleich zur Ladestrommesseinheit umfangreichere Funktionen ausführt, so dass eine kostengünstige Herstellung der Steuereinheit besonders ins Gewicht fällt.

Ermöglicht wird die Trennung dadurch, dass die Ladestrommesseinheit derart ausgeführt wird, dass sie ein Messsignal abgibt, das ständig innerhalb der Grenzen einer durch die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit gegebenen, maximal von der Steuereinheit tolerierten Spannung gegenüber dem Massepotential liegt.

Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung eine Ladeschalteinheit, die einen durch das piezoelektrische Element fließenden Ladestrom zwischen einem ersten und zweiten Spannungspotential einschaltet. An- gesteuert wird die Ladeschalteinheit durch eine Steuereinheit, die eine Spannungsfestigkeit gegenüber einem Massepotential aufweist, die geringer ist als das erste Spannungspotential. Weiterhin vorgesehen ist eine Ladestrommesseinheit, die auf Seite des ersten Spannungspotentials mit dem piezoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist. Die Ladestrommess- einheit stellt der Steuereinheit ein Messsignal bereit, das gegenüber dem Massepotential eine geringere Maximalspannung als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit aufweist.

Dadurch, dass die Ladestrommesseinheit auf Seite des ersten Spannungspotentials mit dem piezoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist, ergibt sich eine so genannte „high-side"- Strommessung, die von besonderem Vorteil ist, wenn das zweite Spannungspotential mit dem Massepotential identisch gewählt ist. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung einen

Kurzschluss gegen Masse als einen plötzlich auftretenden Kurzschlussstrom registrieren und entsprechende Gegenmaßnahmen treffen. Dies ist von Bedeutung insbesondere im Kraftfahrzeugbau, wo die Fahrzeugkarosserie als Massepotential dient.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das zweite Spannungspotential höher als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit. Eine solche Ansteuerschaltung ermöglicht z.B. die Ansteuerung der eingangs beschriebenen Anordnung, bei der ein Ladestrom zwischen einem Potential von 250 V und einem Potential von 45 V fließt. Vorzugsweise ist das zweite Spannungspotential auch höher als das erste Spannungspotential, da in diesem Fall der Ladestrom in Gegenwart des kleineren der beiden zur Auswahl stehenden Potentiale ge- messen wird, so dass es ausreicht, die Ladestrommesseinheit mit für das erste Spannungspotential entsprechend eingeschränkter Spannungsfestigkeit und damit kostengünstiger hergestellt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin eine Entladeschalteinheit vorgesehen, die einen Entladestrom einschaltet, der zwischen dem Massepotential und dem ersten

Spannungspotential durch das piezoelektrische Element fließt. Hierbei ist von Vorteil, dass sowohl der Lade- als auch der Entladestrom durch die Ladestrommesseinheit fließen und daher von ihr erfasst werden können, da die Ladestrommesseinheit mit dem piezoelektrischen Element auf Seite des ersten Spannungspotentials in Reihe geschaltet ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Ladeschalteinheit eine Treibereinheit, die gegenüber dem Massepotential eine höhere Spannungsfestigkeit als das erste und zweite Spannungspotential aufweist. Hierdurch wird ermöglicht, ein galvanisch nicht trennendes Schaltelement wie z.B. einen bipolaren Transistor zum Schalten des Ladestroms einzuset- zen. Da die Treiberschaltung spannungsfest gegenüber den geschalteten Potentialen ist, kann die Steuereinheit das Schaltelement über die Treibereinheit auch dann ansteuern, wenn sie selbst nicht hinreichend spannungsfest gegenüber den geschalteten Potentialen ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Ladestrommesseinheit ein Widerstandselement, das mit dem piezoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist und eine Spannungsmessschaltung, die einen Spannungsabfall am Widerstandselement misst. Für den Widerstand kann ein sehr kleiner Wert wie z.B. 20 mΩ verwendet werden, so dass eine möglichst geringe Leistung verbraucht wird. Dabei umfasst vorzugsweise die Spannungs- messschaltung einen Differenzverstärker, insbesondere einen Operationsverstärker, der die an einem kleinen Widerstand abfallende Spannung entsprechen verstärkt. Vorzugsweise umfasst die Spannungsmessschaltung weiterhin einen ersten und zweiten Spannungsteiler. Der erste Spannungsteiler teilt eine erste Spannung zwischen einem ersten Anschlussende des Widerstandselements und dem Massepotential und führt eine Teilspannung der ersten Spannung einem ersten Eingang des Differenzverstärkers zu. Entsprechend teilt der zweite Spannungsteiler eine erste Spannung zwischen einem zweiten Anschlussende des Widerstandselements und dem Massepotential und führt eine Teilspannung der zweiten Spannung einem ersten Eingang des Differenzverstärkers zu. Auf diese Weise wird es möglich, den Differenzverstärker kostengünstig in gegenüber dem am Messwiderstand gegenwärtigen ersten Spannungspotential nicht spannungsfester Bauweise auszuführen. Es reicht vielmehr aus, die Spannungsteiler entsprechend spannungsfest vorzusehen. Die

Spannungsmessschaltung weist vorzugsweise ein Rückkopplungselement auf, das ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers mit einem Eingang des Differenzverstärkers rückkoppelt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Spannungsmessschaltung als Integrierte Schaltung ausgebildet. Auf diese Weise lassen sich insbesondere die Spannungsteiler mit besonders hoher Präzision herstellen, was die Genauigkeit der Ladestrommessung erhöht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ebenfalls die Steuereinheit kostengünstig als Integrierte Schaltung ausgebildet.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements wird zunächst ein erstes Spannungspotential relativ zu einem Massepotential vorgegeben. Sodann wird einerseits eine Ladestrommesseinheit bereitgestellt, die an einem ersten Anschluss mit einer ersten Elektrode des piezoelektrischen Elements verbunden ist und eine Spannungsfestigkeit gegenüber dem Massepotential aufweist, welche mindestens so hoch ist wie das erste Spannungspotential. Andererseits bereitgestellt wird eine Steuereinheit, die eine Spannungsfestigkeit gegenüber dem Massepotential aufweist, welche niedriger ist als das erste Spannungspotential.

In einem weiteren Schritt wird ein zweiter Anschluss der Ladestrommesseinheit auf das erste Spannungspotential festgelegt. Die Ladestrommesseinheit ermittelt einen Ladestrom durch das piezoelektrische Element und übermittelt an die Steuereinheit ein vom Ladestrom abhängiges Messsignal, das eine Spannungsamplitude gegenüber dem Massepotential aufweist, die die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit nicht übersteigt. Die Steuereinheit steu- ert in Abhängigkeit vom Messsignal ein zweites Spannungspotential an einer zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerschaltung für ein piezoelektrisches Element zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerschaltung für ein piezoelektrisches Element gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Schaltdiagramm einer Spannungsmesseinheit für die Ansteuerschaltung für ein piezoelektrisches Element aus Fig. 1 oder 2.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Figur 1 zeigt als schematisches Schaltbild eine Ansteuerschaltung 100 für ein piezoelektri- sches Element 102, das zum Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum dient. Das piezoelektrische Element 102 ist dazu zweckmäßigerweise in der Nähe des Brennraums angeordnet und über Steckverbindungen 122 mit der Ansteuerschaltung 100 verbunden. Das piezoelektrische Element 102 ist zu einer Seite mit einem niederohmigen Messwiderstand 114 und zur anderen Seite mit einer als Schalttransistor 104 ausgebildeten Ladeschalteinheit 104 in Reihe geschaltet, wobei der Kollektor des Schalttransistors 104 mit dem piezoelektrischen Element 102 verbunden ist. Am freien Ende des Messwiderstands sind ein gegenüber einem Massepotential 112 definiertes erstes Spannungspotential 106, und am Emitter des Schalttransistors 104 ein ebenso gegenüber dem Massepotential 112 definiertes zweites Spannungspotential 108 angelegt. Das erste Spannungspotential 106 beträgt im vorliegenden Beispiel +200 V gegenüber dem Massepotential, während das zweite Spannungspotential 108 als identisch mit dem Massepotential 112 angenommen werden soll.

Die Basis des Schalttransistors 104 ist mit einer als Block dargestellten Steuereinheit 110 verbunden, die den Schalttransistor 104 ansteuert. Die Steuereinheit ist als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgeführt. Sie wird durch eine Versorgungs- spannungsquelle 120 mit Energie versorgt, die eine gegenüber dem Massepotential 122 definierte Versorgungsspannung von 3,3 V bereitstellt. Die Steuereinheit kann anliegenden Spannungen gegenüber dem Massepotential 112 nur bis zu einem Grenzbetrag widerstehen, der so genannten Spannungsfestigkeit, die bei der dargestellten Ausführungsform beispielhaft 3,6 V beträgt und damit kleiner ist als das erste Spannungspotential 106.

Parallel zum Messwiderstand 114 geschaltet ist eine Spannungsmesseinheit 116 vorgesehen, die eine am Messwiderstand 114 abfallende Spannung misst und aus dieser ein Messsignal 118 gewinnt, das sie der Steuereinheit 110 bereitstellt. Spannungsmesseinheit 116 und Widerstand 114 bilden eine Strommesseinheit zum Messen eines durch den Messwi- derstand 114 fließenden Ladestroms 126. Bei dem Messsignal 118 handelt es sich im vorliegenden Fall um ein Spannungssignal mit einer Amplitude von maximal 3,3 V gegenüber dem Massepotential 122, d.h. geringer als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit 110 von 3,6 V.

Im Betrieb steuert die Steuereinheit den Schalttransistor 104 an, dessen Kollektor- Emitter- Strecke leitend wird und eine Elektrode des piezoelektrischen Elements mit dem zweiten Spannungspotential 108, d.h. im vorliegenden Beispiel mit einem Potential von 0 V gegenüber dem Massepotential 112 verbindet. Dadurch beginnt ein das piezoelektrische Element 102 aufladender Ladestrom 126 zwischen dem ersten Spannungspotential 106 und dem zweiten Spannungspotential 108 zu fließen. Der Ladestrom 126 durchfließt den Messwiderstand 114, an dem eine dem Ladestrom 126 proportionale Messspannung 124 abfällt.

Bei einem beispielhaft angenommenen Ladestrom von 1 A und einem Widerstandswert von 20 mΩ beträgt die Messspannung 20 mV. Da der Messwiderstand 114 an einem Ende mit dem ersten Spannungspotential 106 von 200 V verbunden ist, liegt das andere Ende auf einem Potential von 199,98 V. Die Spannungsmesseinheit bestimmt die am Messwiderstand 114 anliegende Spannung 124 und kodiert diese als eine Amplitude des Messsignals 118, z.B. in diesem Fall 2 V, die gegenüber dem Massepotential 112 definiert ist und innerhalb der durch die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit 110 gegebenen Grenzen liegt. Die Spannungsmesseinheit 116 führt der Steuereinheit 110 das Messsignal 118 zu, die z.B. bei Erreichen eines gewünschten Werts des Ladestroms 126 den Schalttransistor 104 derart ansteuert, dass der Ladestrom 126 unterbrochen wird.

Figur 2 zeigt eine Ansteuerschaltung 100 für ein piezoelektrisches Element 102 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform werden durch eine nicht gezeigte Spannungsquelle ein erstes Spannungspotential 106 von +45 V und ein zweites Spannungspotential 108 von +220 V bereitgestellt, die jeweils gegenüber einem Massepotential 112 definiert sind. Zur Stabilisierung der Spannungspotentiale 106, 108 sind zwischen dem ersten 106 und zweiten 108 Spannungspotential sowie zwischen dem Massepotential 112 und dem ersten Spannungspotential 106 jeweils Pufferkondensatoren 204, 206 vorgesehen.

Das piezoelektrische Element 102 ist zu einer Seite mit einem niederohmigen Messwiderstand 114 und zur anderen Seite mit einer Strom begrenzenden Drossel 208 in Reihe geschaltet, wobei das freie Ende des Messwiderstandes 114 mit dem ersten Spannungspotential 106 verbunden ist. Das freie Ende der Drossel ist durch eine aus einem ersten Schalt- transistor 104 und einer Treibereinheit 202 gebildete Ladeschalteinheit trennbar mit dem zweiten Spannungspotential 108 und durch eine aus einem zweiten Schalttransistor 200 gebildete Entladeschalteinheit 200 ebenfalls trennbar mit dem Massepotential 112 verbunden. Zur Ansteuerung der Ladeschalteinheit 202, 104 und die Entladeschalteinheit 200 ist eine gemeinsame Steuereinheit 110 vorgesehen, die als integrierte Schaltung ausgebildet ist und eine Spannungsfestigkeit von 5 V gegenüber dem Massepotential 112 aufweist.

Wie in der ersten Ausführungsform ist eine Spannungsmesseinheit 116 parallel zum Messwiderstand 114 geschaltet, die eine am Messwiderstand 114 abfallende Spannung misst und aus dieser ein Ladestrommesssignal 118 gewinnt, das sie der Steuereinheit 110 bereitstellt. Spannungsmesseinheit 116 und Widerstand 114 bilden eine Ladestrommesseinheit zum Messen eines durch den Messwiderstand 114 fließenden Ladestroms 126. Bei dem Ladestrommesssignal 118 handelt es sich um ein Spannungssignal mit einer Amplitude von maximal 4 V gegenüber dem Massepotential 122, d.h. geringer als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit 110 von 5 V.

Zusätzlich ist bei der vorliegenden Ausführungsform eine Ladespannungsüberwachungsein- heit 210 vorgesehen, die die am piezoelektrischen Element 102 anliegende Ladespannung misst und der Steuereinheit ein entsprechendes Ladespannungsüberwachungssignal 212 bereitstellt. Bei dem Ladespannungsüberwachungssignal 212 handelt es sich ebenfalls um ein Spannungssignal mit einer Amplitude von maximal 4 V gegenüber dem Massepotential 122, d.h. ebenfalls geringer als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit 110 von 5 V.

Im Betrieb steuert die Steuereinheit 110 über die Treibereinheit 202 den ersten Schalttransistor 104 an. Der Schalttransistor wird leitend und verbindet die nicht mit dem Messwiderstand verbundene Elektrode des piezoelektrischen Elements über die Drossel 208 mit dem zweiten Spannungspotential 108. Wie für die erste Ausführungsform beschrieben, misst die Spannungsmesseinheit 116 über den Spannungsabfall am Messwiderstand 114 einen Ladestrom 126, der in diesem Fall zwischen dem zweiten Spannungspotential 108 und dem ersten Spannungspotential 106 fließt. Bei einem angenommenen Spannungsabfall von 20 mV liegen die Anschlussenden des Messwiderstands 114 dabei jeweils auf einem Potential von +45,00 V bzw. +45,02 V, d.h. auf einem Potential, das höher ist als die Spannungsfestigkeit von 5 V, die die Steuereinheit 110 gegenüber dem Massepotential aufweist.

Wenn die Steuereinheit 110 den ersten Transistor 104 nichtleitend und den zweiten Transistor leitend schaltet, fließt ein Entladestrom 218 vom ersten Spannungspotential 106 zum Massepotential 112 durch das piezoelektrische Element, in umgekehrter Richtung zum La- destrom 126. Die Spannungsmesseinheit 116 misst nun über den Spannungsabfall am Messwiderstand 114 den Entladestrom 218. Bei einem angenommenen Spannungsabfall von 20 mV liegen die Anschlussenden des Messwiderstands 114 dabei jeweils auf einem Potential von +44,98 V bzw. +45,00 V, d.h. ebenfalls auf einem Potential, das höher ist als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit 110.

Figur 3 zeigt ein Schaltdiagramm einer Spannungsmesseinheit 116, wie sie in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann. Die Spannungsmesseinheit 116 ist als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgeführt und bezieht an einem Versorgungsspannungseingang 120 eine Versorgungsspannung von +3,3 V gegenüber dem Massepotential 112, für das ebenfalls ein Anschlusskontakt 112 vorhanden ist.

Die an den Enden des Messwiderstands abgegriffenen Potentiale 324, 326, zwischen denen eine Spannung zu messen ist, werden der Spannungsmesseinheit 116 über entsprechende Eingangskontakte zugeführt. Die Spannungen, die die beiden Potentiale 324, 326 jeweils gegenüber dem Massepotential 112 aufweisen, werden jeweils in einem aus einer Widerstandskette 302, 306, 308 bzw. in einem aus einer Widerstandskette 304, 310, 312 bestehenden Spannungsteiler geteilt. Eine resultierende Teilspannung wird jeweils einem nicht invertierenden 320 bzw. einem invertierenden 322 Eingang eines Operationsverstärkers 300 zugeführt.

Weiterhin vorgesehen ist ein Rückkopplungswiderstand 314, der einen Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers festlegt. Zwei Vorspannungseingänge 328, 330 können bei Bedarf mit einem oder zwei Vorspannungspotentialen beschaltet werden, die über Widerstände 316, 306 bzw. 318, 206 dem nicht invertierenden Eingang 320 des Operationsverstärkers zugeführt werden und eine Nullpunktspannung festlegen, die am Ausgang 332 abgegeben wird, wenn die an den Eingängen 324, 326 der Spannungsmesseinheit 116 anliegenden Potentiale identisch sind. Auf diese Weise kann z.B. eingestellt werden, dass im Fall der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ein Messsignal an die Steuereinheit abgegeben wird, das +2V beträgt, wenn kein Strom durch das piezoelektrische Element fließt, zwischen mehr als +2 V und +3,3 V beträgt, wenn ein Ladestrom fließt, und zwischen +0,7 V und weniger als +2 V beträgt, wenn ein Entladestrom fließt.

Claims

Ansprüche

1. Ansteuerschaltung (100) für ein piezoelektrisches Element (102) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, mit: einer Ladeschalteinheit (104, 202), die einen Ladestrom zwischen einem ersten (106) und zweiten (108) Spannungspotential durch das piezoelektrische Element (102) einschaltet; einer Steuereinheit (110), die die Ladeschalteinheit (104) ansteuert und eine Spannungsfestigkeit gegenüber einem Massepotential (112) aufweist, die geringer als das erste Spannungspotential (106) ist; und einer Ladestrommesseinheit (114, 116), die auf Seite des ersten Spannungspotentials

(106) mit dem piezoelektrischen Element in Reihe geschaltet ist und der Steuereinheit (110) ein Messsignal (118) bereitstellt, das gegenüber dem Massepotential (112) eine geringere Maximalspannung als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit (110) aufweist.

2. Ansteuerschaltung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Spannungspotential (108) höher als die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit (110), und insbesondere als das erste Spannungspotential (106) ist.

3. Ansteuerschaltung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Entladeschalteinheit (200) vorgesehen ist, die einen Entladestrom zwischen dem Massepotential (112) und dem ersten Spannungspotential (106) durch das piezoelektrische Element (102) einschaltet.

4. Ansteuerschaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschalteinheit (104, 202) eine Treibereinheit (202) umfasst, die gegenüber dem Massepotential (112) eine höhere Spannungsfestigkeit als das erste (106) und zweite (108) Spannungspotential aufweist.

5. Ansteuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestrommesseinheit (114, 116) umfasst: ein Widerstandselement (114), das mit dem piezoelektrischen Element (102) in Reihe geschaltet ist; eine Spannungsmessschaltung (116), die einen Spannungsabfall am Widerstandselement (114) misst.

6. Ansteuerschaltung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung (116) einen Differenzverstärker (300), insbesondere einen Operationsverstärker (300) umfasst.

7. Ansteuerschaltung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung (116) weiterhin umfasst: einen ersten Spannungsteiler (302; 306, 308), der eine erste Spannung zwischen einem ersten Anschlussende des Widerstandselements (114) und dem Massepotential (112) teilt und eine Teilspannung der ersten Spannung einem ersten Eingang (320) des Diffe- renzverstärkers (300) zuführt; und einen zweiten Spannungsteiler (304; 310, 312), der eine zweite Spannung zwischen einem zweiten Anschlussende des Widerstandselements (114) und dem Massepotential (112) teilt und eine Teilspannung der zweiten Spannung einem zweiten Eingang (322) des Differenzverstärkers (300) zuführt.

8. Ansteuerschaltung (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung (116) ein Rückkopplungselement (314, 310) aufweist, das ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers mit einem Eingang (322) des Differenzverstärkers (300) rückkoppelt.

9. Ansteuerschaltung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessschaltung (116) als Integrierte Schaltung ausgebildet ist.

10. Ansteuerschaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Steuereinheit (110) als Integrierte Schaltung ausgebildet ist.

11. Ansteuerverfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements (102) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, mit den folgenden Schritten:

Vorgeben eines ersten Spannungspotentials (106) relativ zu einem Massepotential (112);

Bereitstellen einer Ladestrommesseinheit (114, 116), die an einem ersten Anschluss mit einer ersten Elektrode des piezoelektrischen Elements (102) verbunden ist und eine Spannungsfestigkeit gegenüber dem Massepotential (112) aufweist, welche mindestens so hoch ist wie das erste Spannungspotential (106);

Bereitstellen einer Steuereinheit (110), die eine Spannungsfestigkeit gegenüber dem Massepotential (112) aufweist, welche niedriger ist als das erste Spannungspotential (106);

Festlegen eines zweiten Anschlusses der Ladestrommesseinheit (114, 116) auf das erste Spannungspotential (106);

Ermitteln, durch die Ladestrommesseinheit (114, 116), eines Ladestroms (126) durch das piezoelektrische Element; Übermitteln, von der Ladestrommesseinheit (114, 116) an die Steuereinheit (110), eines vom Ladestrom (126) abhängigen Messsignals (118), das eine Spannungsamplitude gegenüber dem Massepotential (112) aufweist, die die Spannungsfestigkeit der Steuereinheit (110) nicht übersteigt; und Steuern, durch die Steuereinheit (110), in Abhängigkeit vom Messsignal (118), eines zweiten Spannungspotentials (108) an einer zweiten Elektrode des piezoelektrischen

Elements (102).