WO2010146090A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum schalten einer kapazität - Google Patents

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switch
capacitance
switching
circuit
voltage
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PCT/EP2010/058477
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Inventor
Stephan Dobretsberger
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Austriamicrosystems Ag
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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 present invention relates to a circuit arrangement and a method for switching a capacitance.
  • Full bridge circuits are often used to switch capacitors and find diverse applications in various electronic circuits, such as switching power supplies, motor controllers, and frequency converters. In a common embodiment of such a circuit is switched by means of switches between two switching states. Such a switching sequence is associated with a high power consumption. It is desirable to use full bridge circuits in sensitive applications, such as piezo motor and piezo transformer controls, to reduce power consumption over traditional solutions.
  • the object of the present invention is to provide a circuit arrangement and a method which reduces the power consumption for switching a capacitor with a full-bridge circuit.
  • the circuit arrangement for switching a capacitor has a full bridge circuit, which comprises the capacitance and a switch device and can be connected to a voltage source.
  • the scarf a switching device that controls the switch device.
  • the capacitance charges in a first position of the switch device. In a second position of the switch device, the capacitance is short-circuited and the capacitance discharges in the sequence. If a predetermined state of charge of the capacitance is reached, the switching element releases the short circuit by actuating a third position of the switching device.
  • the sequence of first position, short in the second position and switching to the third position is a possible switching sequence.
  • the switching sequence may also include a switch back from the third position to the first position when in turn switched over the second position of the switch device and short circuit of the capacitance. The capacity is thus recharged, and the switching element, when the predetermined state of charge is reached, releases the short circuit by switching to the first position of the switching device.
  • each switching sequence in this sense is to be understood as reversible.
  • switching sequences consisting of first switch position, second switch position, third switch position are also possible, such as a switching sequence of first switch position, second switch position, third switch position, second switch position, first switch position, etc.
  • the switching sequence can be done as a back and forth in a periodic sequence.
  • the full-bridge circuit is designed for operation with a DC voltage.
  • the operation of the full bridge circuit with a DC voltage permits the preferred integration of the circuitry in an integrated circuit.
  • the switching element comprises a time control
  • the achievement of the predetermined state of charge of the capacitance is defined by a characteristic time interval, preferably one or more half-lives of the discharge characteristic of the capacitance.
  • a characteristic time interval preferably one or more half-lives of the discharge characteristic of the capacitance.
  • the time control comprises a relay circuit.
  • the switching element comprises a control device and a sensor for measuring the state of charge of the capacitance.
  • the sensor for measuring the state of charge of the capacitance detects the state of charge of the capacitance and provides the control device with a sensor signal. If the sensor signal indicates that the capacitance has reached a predetermined state of charge, the control device triggers a short-circuit of the capacitance by means of the switching device.
  • the sensor directly detects the state of charge of the capacitance and without previous assumptions about the discharge behavior of the capacitance.
  • control device and the sensor can be digitally controlled.
  • the digitally controllable control device and the digitally controllable sensor allow the preferred integration of the circuit arrangement in an integrated
  • circuitry is in a more complex integrated circuit, such as a motor controller, that communicates with the circuitry through appropriate programming or execution.
  • the sensor for measuring the state of charge of the capacitance detects a discharge current at the switch device.
  • the capacity is discharged by shorting the capacitance in the second position of the switch device.
  • only the discharge current flows in this position the capacity through the switch device.
  • the discharge current shows a characteristic time course, which allows a conclusion on the state of charge of the capacity.
  • the senor detects a voltage across the capacitance for measuring the state of charge of the capacitance.
  • Discharging the shorted capacitance in the second position of the switch device results in a time varying voltage across the capacitance. This voltage shows a characteristic time course, which allows a conclusion on the state of charge of the capacity.
  • the switch device comprises a first switch, a second switch, a third switch and a fourth switch, which are connected to the full-bridge circuit.
  • the capacitance is located in the shunt branch of the full bridge circuit.
  • the switches can be realized by the switches.
  • the short-circuit of the capacity is possible both via a connected voltage source, as well as the corresponding mass.
  • each switch can be controlled individually.
  • the single-switch design facilitates the preferred implementation of the integrated circuit circuitry.
  • the first switch, the second switch, the third switch and the fourth switch are implemented as one or more metal oxide semiconductor transistors.
  • the first switch, the second switch, the third switch and the fourth switch are designed as one or more bipolar transistors.
  • the first switch, the second switch, the third switch and the fourth switch are designed as controllable current sources.
  • the full bridge circuit in the bridge branch has an electrical load with a capacitive and an inductive component.
  • the capacitive component comprises the capacity.
  • the capacitive component of the electrical load is preferably connected in parallel to the inductive component of the electrical load.
  • the capacitive component of the electrical load is referred to, for example, as a parallel capacitor.
  • a resistor and a further capacitance are connected in series with the inductive component of the electrical load.
  • This series resonant circuit is connected in parallel to the parallel capacitance.
  • the parallel capacitance is essentially greater than the further capacity of the series resonant circuit. Consequently, a series resonance frequency and a parallel resonance frequency result for the electrical load.
  • the electrical load forms, for example, an equivalent circuit diagram of a piezoactuator.
  • the parallel capacitance represents the electrical properties of the piezoactuator
  • the series resonant circuit represents the mechanical properties of the piezoactuator.
  • the bridge circuit is operated in the region of the series resonance frequency at which the mechanical stroke, for example, of a connected piezoactuator is greatest.
  • the series resonance frequency thus determines a respective duration of the individual switching states.
  • the supply voltage is also referred to as a bridge supply voltage.
  • the method for switching a capacitance comprises a sequence of charging the capacitance with a first voltage, discharging the capacitance by short-circuiting and charging the capacitance with a second voltage.
  • the charging of the capacitance by means of the first voltage produces a polarity on the capacitance.
  • the resulting short circuit discharges the capacity.
  • the recharging of the capacitor with the second voltage is carried out so that the capacitance has a polarity opposite to the first voltage.
  • the short-circuiting of the capacitance makes it possible to discharge the capacitance without the first or the second voltage being applied, thus reducing the power consumption of the method.
  • the process is preferably used Switching a capacitance in a bridge or full bridge circuit.
  • the state of charge of the short-circuited capacitance is determined by a measurement and the short-circuit is canceled when a predetermined state of charge is reached.
  • the measurement of the state of charge of the capacitance allows a direct determination without previous assumptions on the discharge behavior of the capacitance.
  • the individual process steps and their sequence can be carried out and optimized accordingly.
  • the discharge of the capacitance takes place in a predetermined time interval.
  • the achievement of the predetermined state of charge of the capacity takes place in a time characteristic of the capacity. After this time, the short-circuit of the capacity is resolved.
  • an electrical load in a bridge branch of a bridge circuit comprises at least one capacitive and one inductive component.
  • the electrical load has at least the capacity.
  • the bridge branch is charged to the first voltage.
  • the capacitive component of the electrical load is discharged.
  • the bridge arm is charged to a second voltage, the second voltage being inversely polarized to the first voltage.
  • the capacitive component of the electrical load is negatively charged in a second open switching phase.
  • the internal current flow in the bridge branch which is forced in each case in the first and second open switching phase, discharges or charges the energy stored in the capacitive component of the electrical load with the aid of the inductive component of the electrical load.
  • the current flow is achieved by operating the bridge circuit in an open state in which one connection of the bridge branch is open in each case. In the first and in the second open switching phase, the power loss is therefore approximately equal to the value zero.
  • the proposed method makes it possible to further reduce the power loss when switching the electrical load.
  • the bridge branch is also called the bridge diagonal.
  • the steps forward shift phase, first open shift phase, third open shift phase, reversing shift phase, second open shift phase and third open shift phase are run through. Because in the third open switching phase in turn by a forced flow of current within the electrical load, a transfer of energy between the capacitive component and the inductive Share takes place, the power loss is almost zero in this open switching phase.
  • FIG. 1A, 1B, IC show an exemplary circuit arrangement for switching a capacitor with a voltage sensor and switches according to the proposed principle
  • FIG. 1D shows an exemplary, characteristic voltage curve during operation of the circuit arrangement according to the proposed principle according to FIGS. 1A, 1B and IC,
  • FIG. 2A shows an exemplary, characteristic voltage curve and power curve of the circuit arrangement for switching a capacitor with a conventional switching sequence according to FIGS. 1A and 1C, FIG.
  • FIG. 2B shows an exemplary, characteristic voltage curve and power curve of the circuit arrangement for switching a capacitor according to the proposed principle with a switching sequence according to FIGS. 1A and 1C
  • FIG. 3 shows an exemplary circuit arrangement for switching a capacitor with a sensor for measuring the state of charge of the capacitor and a control device
  • Figure 4 shows an exemplary embodiment of a method for switching a capacitance C according to the proposed principle.
  • Figure IA shows an exemplary embodiment of a circuit arrangement for switching a capacitance C.
  • the circuit arrangement comprises the capacitance C, a first switch 1, a second switch 2, a third switch 3 and a fourth switch 4.
  • the switches are connected to a full bridge circuit, wherein the first switch 1 and the fourth 4 switch are connected in series between a voltage Vdd and a ground GND.
  • a connection node between the first switch 1 and the fourth switch 4 is connected to a first terminal of the capacitor C.
  • the second switch 2 and the third switch 3 are connected in series between the voltage Vdd and the ground GND, and a connection node between the second switch 2 and the third switch 3 is connected to a second terminal of the capacitor C.
  • a switching element S detects the state of charge of the capacitor C via the voltage V dropping across the capacitor and controls the switches.
  • FIG. 1B shows an embodiment of a circuit arrangement for switching a capacitance C with a switch position that has been modified compared to FIG. 1A.
  • a second switch position X the first switch 1 and the second switch 2 are electrically conductive and the third switch and the fourth switch are open.
  • the capacitance C is short-circuited and discharges.
  • the switching element S detects the state of charge of the capacitor C. If the state of charge reaches a predetermined value, the switching element S controls the switches in a further switch position B, which cancels the short circuit.
  • the short-circuit of the capacitor C can take place via the voltage Vdd.
  • the first switch 1 and the second switch 2 are open and the third switch and the fourth switch 4 are switched electrically conductive.
  • Figure IC shows an embodiment of a circuit arrangement for switching a capacitor C with respect to Figure IA and Figure IB changed switch position.
  • the second switch 2 and the fourth switch 4 are electrically conductive and the first switch 1 and the third switch 3 are open.
  • the capacitor C is recharged in the switch position B with a polarity opposite to the switch position A.
  • FIG. 1D shows a characteristic curve of the voltage V across the capacitor C in a succession of switch circuits. Positions according to the figures IA, IB and IC. Plotted in the graph, the voltage V is against the time t.
  • Capacity C recharges.
  • the voltage V in the switch position B is equal to the negative voltage -Vdd.
  • the switching element S initiates the switch position A at a fourth time t4 and the voltage V rises to Vdd.
  • FIG. 2A shows a characteristic voltage profile and a simultaneous power curve of the circuit for switching a capacitor according to FIGS. 1A and 1C.
  • the switching sequence is modified compared with FIGS. 1A, 1B and 1C in that the switch position X is not passed through and thus defines a conventional switching sequence.
  • the upper graph shows the voltage V as a function of time t in the conventional switching sequence.
  • the voltage Vdd is applied to the capacitor C.
  • the first time tl is switched directly into the switch position B.
  • the polarity of the capacitance C changes its sign so that at the capacitance C at the second time t2 the negative voltage -Vdd is applied.
  • the third time t3 is switched back directly into the switch position A.
  • the polarity of the capacitance again changes sign and at the fourth time t3 the voltage Cdd is applied to the capacitance C.
  • the power P for the conventional switching sequence is plotted against the time t.
  • the individual contributions to the power consumption are hatched and result during the transfer of the capacity C from the time course of the power P.
  • the power P for the conventional switching sequence is given by the following relationship:
  • C is the capacitance and V dd is the supply voltage of the full bridge circuit.
  • the switching frequency f of the switching device is chosen so as to allow a complete transfer of the capacity.
  • FIG. 2B shows a characteristic voltage curve and simultaneous power curve of the circuit arrangement for switching a capacitor with a switching sequence according to the proposed principle according to FIGS. 1A, 1B and 1C.
  • the graph in the upper half shows the voltage curve according to FIG. ID.
  • the power P for the switching sequence is plotted against the time t.
  • the individual contributions to the power consumption are marked hatched in the lower graph and arise during the loading and unloading of the capacity C from the temporal Course of the power P.
  • the power P for the switching sequence is given by the following relationship:
  • the switching sequence according to the figures IA, IB and IC results in a reduced power consumption. This is due, in particular, to the fact that in the switching sequence according to FIGS. 1A, 1B and IC, no additional power P has to be applied for reloading the capacitance C.
  • the inventive and advantageous low power consumption through the switching sequence is shown in a comparison of the expression for the power P with the corresponding expression for the conventional switching sequence.
  • the comparison shows a halving of the power consumption for the switching sequence over the conventional switching sequence.
  • FIG. 3 shows an exemplary circuit arrangement for switching a capacitor C with a sensor S1 for measuring the state of charge of the capacitor C and a control device S2.
  • the sensor Sl is coupled to the full bridge circuit at two points, namely between the first switch 1 and the fourth switch 4, as well as between the second switch 2 and the third switch 3.
  • the control device comprises an input El, which is coupled to the sensor Sl, and a second input E2.
  • the control unit S2 comprises a first output A1 which couples to the first switch 1, a second output A2 which couples to the second switch 2, a third output A3 which couples to the third switch 3 and a fourth output A4, which couples to the fourth switch 4.
  • the sensor Sl for measuring the state of charge of the capacitor C detects the voltage V dropping across the capacitor C.
  • the sensor S1 generates a sensor signal and makes it available to the control device S2 at the input E1.
  • the control device S2 controls in each case the first switch 1, the second switch 2, the third switch 3 and the fourth switch 4, each switch being individually controlled can be.
  • the sensor signal at the input El indicates the state of charge of the capacitor C and causes the control unit S2 on reaching the predetermined state of charge to cancel the short circuit of the switch device.
  • the implementation of the circuit arrangement in an integrated circuit is possible, in particular as an individual circuit or as part of a more complex circuit, such as a motor control.
  • a control device S2 By suitable programming or execution of the control device S2, it is possible within the scope of the invention to define suitable switching sequences or to integrate them externally via the input E2.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the method for switching the capacitance according to the proposed invention
  • the switching element S includes, for example, a state machine, which is based on a state transition diagram is, which realizes a switching sequence for driving the switches 1 to 4.
  • an electrical load is provided, which is connected or operated with the bridge circuit.
  • the electrical load has at least one capacitive and one inductive component.
  • the capacitive component is here represented, for example, by a parallel capacitor CP, the inductive component by an inductance L.
  • the inductive component of the electrical load EL is formed by a series resonant circuit comprising the inductance L, the capacitance C and a resistor Rl.
  • the parallel capacitance CP and the series resonant circuit are connected in parallel between a first terminal PIN1 and a second terminal PIN2 and are operated with the voltage V in the bridge branch.
  • the electrical load forms, for example, an equivalent circuit diagram of a piezoactuator.
  • the parallel capacitance CP in this case represents the electrical properties of the piezoactuator, while the series resonant circuit represents the mechanical properties of the piezoactuator.
  • a forward switching phase F the first and third switches 1, 3 are closed while the second and fourth switches 2, 4 are open.
  • the bridge branch is charged to a first voltage Vl.
  • the first voltage Vl corresponds in magnitude to the supply voltage Vdd.
  • a subsequent first open switching phase Ol which is initiated for example by an upward pulse of a higher clock signal, the first switch 1 is opened, so that only the third switch 3 remains closed.
  • a current flow through the series resonant circuit and thus through the inductance L discharges the energy stored in the parallel capacitor CP. This is done with advantage without losses.
  • the third switch 3 is opened and at the same time the second switch 2 is closed.
  • the second connection PIN2 is pulled to the potential of the supply voltage Vdd.
  • the parallel capacitance CP is reversed and charged to the value of a second voltage V2.
  • the second voltage V2 corresponds in its magnitude to the supply voltage Vdd but is polarized inversely thereto. It is also referred to here as a negative supply voltage.
  • a changeover switching phase R is switched over.
  • the second and fourth switches 2, 4 are closed, while the first and third switches 1, 3 are open.
  • the current flow through the inductance L reverses.
  • the negative supply voltage is provided in the bridge branch.
  • Controlled as by a downward edge of the parent clock signal is a switch to a second open switching phase 02.
  • the fourth switch 4 is opened so that only the second switch 2 remains closed.
  • the parallel capacity CP is negatively charged.
  • the energy stored in the series resonant circuit discharges or charges the parallel capacitance CP into the open circuit
  • the bridge circuit is operated, for example, in the range of the series resonant frequency of the series resonant circuit.
  • the superordinate clock signal is selected so that the bridge voltage V at the beginning of the forward or reverse switching phase F, R corresponds in each case to the supply voltage Vdd.
  • the discharging or the charging of the parallel capacitor CP which has a considerable capacitance value, takes place without losses.
  • the time behavior is adapted to the resonance frequency of the series resonant circuit as well as the size of the parallel capacitance CP.

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Abstract

Die Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst eine Vollbrückenschaltung, in deren Querzweig die Kapazität (C) angeordnet ist, und eine Schaltervorrichtung und ist an eine Spannungsquelle (Vdd) anschließbar. Ein Schaltelement (S) steuert die Schaltervorrichtung so, dass die Schaltervorrichtung die Kapazität (C) kurzschließt und bei Erreichen eines vorbestimmten Ladezustandes der Kapazität (C) den Kurzschluss aufhebt.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Schalten einer Kapazität
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Schalten einer Kapazität.
Vollbrückenschaltungen werden häufig zum Schalten von Kapazi- täten verwendet und finden diverse Anwendungen in verschiedenen elektronischen Schaltungen, wie etwa Schaltnetzteilen, Motorsteuerungen und Frequenzumrichtern. In einer gängigen Ausführung einer solchen Schaltung wird mittels Schaltern zwischen zwei Schaltzuständen geschalten. Eine solche Schalt- abfolge ist mit einem hohen Stromverbrauch verbunden. Wünschenswert für die Verwendung von Vollbrückenschaltungen in sensiblen Anwendungsbereichen, wie etwa Steuerungen von Pie- zomotoren und Piezo-Transformatoren, ist es, den Stromverbrauch gegenüber herkömmlichen Lösungen zu reduzieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die den Stromverbrauch zum Schalten einer Kapazität mit einer Vollbrücken- schaltung verringert.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 14 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität eine Vollbrückenschaltung auf, die die Kapazität und eine Schaltervorrichtung umfasst und an eine Spannungsquelle anschließbar ist. Zudem umfasst die Schal- tungsanordnung ein Schaltelement, das die Schaltervorrichtung steuert .
Ist die Vollbrückenschaltung an eine Spannungsquelle ange- schlössen, lädt sich die Kapazität in einer ersten Stellung der Schaltervorrichtung auf. In einer zweiten Stellung der Schaltervorrichtung wird die Kapazität kurzgeschlossen und die Kapazität entlädt sich in der Folge. Ist ein vorbestimmter Ladezustand der Kapazität erreicht, so hebt das Schalt- element den Kurzschluss auf, indem es eine dritte Stellung der Schaltervorrichtung ansteuert.
Vorteilhafterweise wird durch Kurzschließen der Kapazität in der zweiten Stellung der Schaltervorrichtung ein Entladen der Kapazität ermöglicht. Ein erneutes Aufladen der Kapazität ist dann ohne einen zusätzlichen Stromverbrauch möglich. Dies ist im Wesentlichen dadurch möglich, dass, im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltanordnungen, ein Umladen der Kapazität zwischen den unterschiedlichen Schaltzuständen vermieden wird.
Die Abfolge von erster Stellung, Kurzschluss in der zweiten Stellung und Schalten in die dritte Stellung ist eine mögliche Schaltabfolge. Die Schaltabfolge kann ebenso ein Zurückschalten aus der dritten Stellung in die erste Stellung um- fassen, wenn wiederum über die zweite Stellung der Schaltervorrichtung und Kurzschluss der Kapazität geschalten wird. Die Kapazität enlädt sich so erneut, und das Schaltelement hebt, ist der vorbestimmte Ladezustand erreicht, den Kurzschluss auf, indem es in die erste Stellung der Schaltervor- richtung schaltet. Im Folgenden ist jede Schaltabfolge in diesem Sinne als reversibel zu verstehen. Das heißt insbesondere, dass Schaltabfolgen bestehend aus erster Schalterstellung, zweiter Schalterstellung, dritter Schalterstellung ebenso möglich sind, wie eine Schaltabfolge aus erster Schalterstellung, zweiter Schalterstellung, dritter Schalterstellung, zweiter Schalterstellung, erste Schalterstellung usw. Insbesondere kann die Schaltabfolge als ein Hin- und Zurück- schalten in periodischer Abfolge erfolgen.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität ist die Vollbrückenschaltung zum Betrieb mit einer Gleichspannung ausgelegt.
Vorteilhafterweise erlaubt der Betrieb der Vollbrückenschaltung mit einer Gleichspannung die bevorzugte Integration der Schaltungsanordnung in einem integrierten Schaltkreis.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst das Schaltelement eine Zeitsteuerung,
Das Erreichen des vorbestimmten Ladezustandes der Kapazität wird durch ein charakteristisches Zeitintervall, bevorzugt eine oder mehrere Halbwertszeiten der Entladecharakteristik der Kapazität, definiert. In der Folge wird der Kurzschluss der Kapazität aufgelöst, indem die Zeitsteuerung die Schaltervorrichtung steuert.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst die Zeitsteuerung eine Relaisschaltung.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst das Schaltelement eine Steuereinrichtung und einen Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität . - A -
Der Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität detek- tiert den Ladezustand der Kapazität und stellt der Steuereinrichtung ein Sensorsignal bereit. Zeigt das Sensorsignal an, dass die Kapazität einen vorbestimmten Ladezustand erreicht hat, löst die Steuereinrichtung ein Aufheben des Kurzschlusses der Kapazität mittels der Schaltervorrichtung aus.
Vorteilhafterweise detektiert der Sensor direkt den Ladezustand der Kapazität und ohne vorherige Annahmen zum Entlade- verhalten der Kapazität. Insbesondere ist es so möglich, die Schaltabfolge der Schaltervorrichtung im Ablauf optimal zu wählen und insbesondere kurze Schaltzeiten zu ermöglichen.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität ist die Steuereinrichtung und der Sensor digital steuerbar.
Vorteilhafterweise erlaubt die digital steuerbare Steuereinrichtung und der digital steuerbare Sensor die bevorzugte In- tegration der Schaltungsanordnung in einem integrierten
Schaltkreis. Bevorzugt ist die Implementierung der Schaltungsanordnung in einem komplexeren integrierten Schaltkreis, wie eine Motorsteuerung, der durch geeignete Programmierung oder Ausführung mit der Schaltungsanordnung kommuniziert.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität detektiert der Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität einen Entladestrom an der Schaltervorrichtung.
Das Entladen der Kapazität erfolgt durch Kurzschließen der Kapazität in der zweiten Stellung der Schaltervorrichtung. Insbesondere fließt in dieser Stellung nur der Entladestrom der Kapazität durch die Schaltervorrichtung. Dabei zeigt der Entladestrom einen charakteristischen Zeitverlauf, der einen Rückschluss auf den Ladezustand der Kapazität erlaubt.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität detektiert der Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität eine Spannung über der Kapazität.
Das Entladen der kurzgeschlossenen Kapazität in der zweiten Stellung der Schaltervorrichtung führt zu einer zeitlich veränderlichen Spannung über der Kapazität. Diese Spannung zeigt einen charakteristischen Zeitverlauf, der einen Rückschluss auf den Ladezustand der Kapazität erlaubt.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfasst die Schaltervorrichtung einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die zu der Vollbrückenschaltung verschaltet sind. Die Kapazität befindet sich im Querzweig der Vollbrückenschaltung.
Vorteilhafterweise lassen sich durch die Schalter unterschiedliche Schaltabfolgen realisieren. Insbesondere ist der Kurzschluss der Kapazität sowohl über eine angeschlossene Spannungsquelle, als auch über die entsprechende Masse möglich. Bevorzugt lässt sich jeder Schalter individuell ansteuern. Weiterhin erleichtert die Ausführung mit einzelnen Schaltern die bevorzugte Implementierung der Schaltungsanordnung in einem integrierten Schaltkreis.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität sind der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter und der vierte Schalter als ein oder mehrere Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren ausgeführt.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität sind der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter und der vierte Schalter als ein oder mehrere Bipolartransistoren ausgeführt.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität sind der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter und der vierte Schalter als steuerbare Stromquellen ausgeführt.
In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung weist die Vollbrückenschaltung im Brückenzweig eine elektrische Last mit einem kapazitiven und einem induktiven Anteil auf. Dabei umfasst der kapazitive Anteil die Kapazität.
Der kapazitive Anteil der elektrischen Last ist bevorzugt pa- rallel zum induktiven Anteil der elektrischen Last geschaltet. Der kapazitive Anteil der elektrischen Last wird beispielsweise als Parallelkapazität bezeichnet. Insbesondere sind zum induktiven Anteil der elektrischen Last ein Widerstand sowie eine weitere Kapazität in Serie geschaltet. Da- durch ergibt sich für den induktiven Anteil der elektrischen Last ein Serienschwingkreis umfassend eine frequenzbestimmende Induktivität, die weitere Kapazität sowie einen Widerstand. Dieser Serienschwingkreis ist parallel zur Parallelkapazität geschaltet. Die Parallelkapazität ist dabei wesent- lieh größer als die weitere Kapazität des Serienschwingkreises. Für die elektrische Last ergeben sich folglich eine Serienresonanzfrequenz und ein Parallelresonanzfrequenz. Die elektrische Last bildet dabei beispielsweise ein Ersatzschaltbild eines Piezoaktuators . Die Parallelkapazität repräsentiert in diesem Fall die elektrischen Eigenschaften des Piezoaktuators, während der Serienschwingkreis die mechani- sehen Eigenschaften des Piezoaktuators darstellt.
Bevorzugt wird die Brückenschaltung im Bereich der Serienresonanzfrequenz betrieben, bei der der mechanische Hub beispielsweise eines angeschlossenen Piezoaktuators am größten ist. Die Serienresonanzfrequenz bestimmt folglich eine jeweilige zeitliche Dauer der einzelnen Schaltzustände.
Die Versorgungsspannung wird auch als Brückenspeisespannung bezeichnet .
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Schalten einer Kapazität eine Abfolge aus Aufladen der Kapazität mit einer ersten Spannung, Entladen der Kapazität durch Kurzschließen und Aufladen der Kapazität mit einer zweiten Span- nung.
Das Aufladen der Kapazität mittels der ersten Spannung erzeugt an der Kapazität eine Polarität. Durch den darauf folgenden Kurzschluss entlädt sich die Kapazität. Das erneute Aufladen der Kapazität mit der zweiten Spannung erfolgt so, dass die Kapazität eine zur ersten Spannung entgegengesetzte Polarität aufweist.
Vorteilhafterweise ermöglicht das Kurzschließen der Kapazität das Entladen der Kapazität ohne dass dabei die erste oder die zweite Spannung anliegt und reduziert so den Stromverbrauch des Verfahrens. Bevorzugt findet das Verfahren Anwendung zum Schalten einer Kapazität in einer Brücken- oder Vollbrücken- schaltung.
In einer Weiterbildung des Verfahrens zum Schalten einer Ka- pazität wird der Ladezustand der kurzgeschlossenen Kapazität durch eine Messung festgestellt und der Kurzschluß aufgehoben, wenn ein vorbestimmter Ladezustand erreicht ist.
Vorteilhafterweise erlaubt die Messung des Ladezustandes der Kapazität eine direkte Bestimmung ohne vorherige Annahmen zum Entladeverhalten der Kapazität. Die einzelnen Verfahrensschritte und ihre Abfolge können so entsprechend weiter ausgeführt und optimiert werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens zum Schalten einer Kapazität erfolgt das Entladen der Kapazität in einem vorbestimmten Zeitintervall.
Das Erreichen des vorbestimmten Ladezustandes der Kapazität erfolgt in einer für die Kapazität charakteristischen Zeit. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Kurzschluß der Kapazität aufgelöst .
In einer Weiterbildung des Verfahrens zum Schalten einer Ka- pazität umfasst eine elektrischen Last in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil. Dabei weist die elektrische Last wenigstens die Kapazität auf. In einer Vorwärtsschaltphase wird der Brückenzweig auf die erste Spannung aufgeladen. In einer ers- ten offenen Schaltphase wird der kapazitive Anteil der elektrischen Last entladen. In einer Umkehrschaltphase wird der Brückenzweig auf eine zweite Spannung aufgeladen, wobei die zweite Spannung invers zur ersten Spannung gepolt ist. Schließlich wird der kapazitive Anteil der elektrischen Last in einer zweiten offenen Schaltphase negativ aufgeladen.
Durch einen jeweils in der ersten und zweiten offenen Schalt- phase erzwungenen internen Stromfluss im Brückenzweig wird die im kapazitiven Anteil der elektrischen Last gespeicherte Energie mit Hilfe des induktiven Anteils der elektrischen Last entladen beziehungsweise aufgeladen. Der Stromfluss wird dadurch erreicht, dass die Brückenschaltung in einem offenen Zustand betrieben wird, bei dem jeweils ein Anschluss des Brückenzweiges offen ist. In der ersten und in der zweiten offenen Schaltphase beträgt die Verlustleistung daher jeweils annähernd den Wert Null.
Dadurch ermöglicht das vorgestellte Verfahren, die Verlustleistung beim Schalten der elektrischen Last weiter zu reduzieren .
Der Brückenzweig wird auch als Brückendiagonale bezeichnet.
In Weiterbildung des Verfahrens folgt nach der ersten offenen Schaltphase und nach der zweiten offenen Schaltphase jeweils ein Umpolen und Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer dritten offenen Schaltphase.
In dieser Weiterbildung werden demzufolge die Schritte Vor- wärtsschaltphase, erste offene Schaltphase, dritte offene Schaltphase, Umkehrschaltphase, zweite offene Schaltphase und dritte offene Schaltphase durchlaufen. Dadurch dass in der dritten offenen Schaltphase wiederum durch einen erzwungenen Stromfluss innerhalb der elektrischen Last ein Umladen von Energie zwischen dem kapazitiven Anteil und dem induktiven Anteil stattfindet, ist auch in dieser offenen Schaltphase die Verlustleistung annähernd Null.
Die Verlustleistung beim Schalten der elektrischen Last wird folglich weiter minimiert.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Insoweit sich Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen:
Figur IA, IB, IC eine beispielhafte Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität mit einem Spannungs- sensor und Schaltern nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
Figur ID einen beispielhaften, charakteristischen Spannungsverlauf im Betrieb der Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip gemäß der Figuren IA, IB und IC,
Figur 2A einen beispielhaften, charakteristischen Spannungsverlauf und Leistungsverlauf der Schaltungsanord- nung zum Schalten einer Kapazität mit einer herkömmlichen Schaltabfolge gemäß der Figuren IA und IC,
Figur 2B einen beispielhaften, charakteristischen Spannungs- verlauf und Leistungsverlauf der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit einer Schaltabfolge gemäß der Figuren IA und IC, Figur 3 eine bespielhafte Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität mit einem Sensor zum Messen des Ladezustandes der Kapazität und eine Steuereinrichtung, und
Figur 4 eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Schalten einer Kapazität C nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figur IA zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C. Die Schaltungsanordnung umfasst die Kapazität C, einen ersten Schalter 1, einen zweiten Schalter 2, einen dritten Schalter 3 und einen vierten Schalter 4. Die Schalter sind zu einer Vollbrückenschaltung geschalten, wobei der erste Schalter 1 und der vierte 4 Schalter zwischen einer Spannung Vdd und einer Masse GND in Reihe geschalten sind. Ein Verbindungsknoten zwischen dem ersten Schalter 1 und dem vierten Schalter 4 ist an einem ersten Anschluß der Kapazität C angeschlossen. Der zweite Schalter 2 und der dritte Schalter 3 sind zwischen der Spannung Vdd und der Masse GND in Reihe geschalten und ein Verbindungsknoten zwischen dem zweiten Schalter 2 und dem dritten Schalter 3 ist mit einem zweiten Anschluß der Kapazität C verbunden. Ein Schaltelement S detektiert den Ladezu- stand der Kapazität C über die Spannung V, die an der Kapazität abfällt und steuert die Schalter.
In einer ersten Schalterstellung A sind der erste Schalter 1 und der dritte Schalter 3 elektrisch leitend und der zweite Schalter 2 und der vierte Schalter 4 offen geschalten. An der Kapazität C liegt die Spannung V an, gekennzeichnet durch den Pfeil in Figur IA. Figur IB zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C mit gegenüber Figur IA veränderter Schalterstellung. In einer zweiten Schalterstellung X sind der erste Schalter 1 und der zweite Schalter 2 elekt- risch leitend und der dritte Schalter und der vierte Schalter offen geschalten.
In der Schalterstellung X ist die Kapazität C kurzgeschlossen und entlädt sich. Das Schaltelement S detektiert den Ladezu- stand der Kapazität C. Erreicht der Ladezustand einen vorbestimmten Wert, steuert der Schaltelement S die Schalter in eine weitere Schalterstellung B, die den Kurzschluss aufhebt.
Alternativ zur Schalterstellung X und in der Figur IB nicht gezeigt, kann der Kurzschluss der Kapazität C über die Spannung Vdd erfolgen. Dazu sind der erste Schalter 1 und der zweite Schalter 2 offen und der dritte Schalter und der vierte Schalter 4 elektrisch leitend geschalten.
Figur IC zeigt eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C mit gegenüber Figur IA und Figur IB veränderter Schalterstellung.
In der Schalterstellung B sind der zweite Schalter 2 und der vierte Schalter 4 elektrisch leitend und der erste Schalter 1 und der dritte Schalter 3 offen geschalten.
Die Kapazität C wird in der Schalterstellung B mit einer im Vergleich zur Schalterstellung A entgegensetzten Polarität erneut aufgeladen.
Figur ID zeigt einen charakteristischen Verlauf der Spannung V an der Kapazität C in einer Aufeinanderfolge der Schalter- Stellungen gemäß der Figuren IA, IB und IC. Aufgetragen im Graphen ist die Spannung V gegen die Zeit t.
In der Schalterstellung A gemäß Figur IA ist die Spannung V über der Kapazität C gleich der angeschlossenen Spannung Vdd. Wird zu einer ersten Zeit tl in die Schalterstellung X gemäß Figur IB (im Graphen markiert durch die gestrichelten Linien) geschalten, fällt die Spannung V auf Null ab. Die Kapazität C ist dann entladen und das Schaltelement S initiiert zu einer zweiten Zeit t2 die Schalterstellung B gemäß Figur IC. Die
Kapazität C lädt sich erneut auf. Durch die zur Schalterstellung A entgegengesetzte Polarität ist die Spannung V in der Schalterstellung B gleich der negativen Spannung -Vdd. Zu einer dritten Zeit t3 wird in die Schalterstellung A über die Schalterstellung X zurückgeschalten. Die Spannung V fällt zunächst während der Schalterstellung X und der Entladung der Kapazität C wieder auf Null zurück. Dann initiiert das Schaltelement S zu einer vierten Zeit t4 die Schalterstellung A und die Spannung V steigt auf Vdd.
Figur 2A zeigt einen charakteristischen Spannungsverlauf und gleichzeitigen Leistungsverlauf der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität gemäß der Figur IA und IC. Die Schaltabfolge ist gegenüber den Figuren IA, IB und IC dahin- gehend modifiziert, dass die Schalterstellung X nicht durchlaufen wird und definiert so eine herkömmliche Schaltabfolge.
Der obere Graph zeigt die Spannung V als Funktion der Zeit t in der herkömmlichen Schaltabfolge. In der Schalterstellung A liegt die Spannung Vdd an der Kapazität C an. Zur ersten Zeit tl wird direkt in die Schalterstellung B geschalten. Die Polarität der Kapazität C ändert ihr Vorzeichen so, dass an der Kapazität C zur zweiten Zeit t2 die negative Spannung -Vdd anliegt. Zur dritten Zeit t3 wird direkt in die Schalterstellung A zurückgeschalten. Die Polarität der Kapazität ändert erneut ihr Vorzeichen und zur vierten Zeit t3 liegt an der Kapazität C die Spannung Vdd an.
Im unteren Graphen ist die Leistung P für die herkömmliche Schaltabfolge gegen die Zeit t aufgetragen. Die einzelnen Beiträge zum Stromverbrauch sind schraffiert gekennzeichnet und ergeben sich während des Umladens der Kapazität C aus dem zeitlichen Verlauf der Leistung P. Die Leistung P für die herkömmliche Schaltabfolge ist gegeben durch die folgende Beziehung :
Figure imgf000016_0001
Dabei bedeuten C die Kapazität und Vdd die Versorgungsspannung der Vollbrückenschaltung. Die Schaltfrequenz f der Schaltervorrichtung ist so gewählt, dass sie ein vollständiges Umladen der Kapazität ermöglicht.
Figur 2B zeigt einen charakteristischen Spannungsverlauf und gleichzeitigen Leistungsverlauf der Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität mit einer Schaltabfolge nach dem vorgeschlagenen Prinzip gemäß der Figuren IA, IB und IC. Der Graph in der oberen Hälfte zeigt den Spannungsverlauf gemäß Figur ID. Im unteren Graphen ist die Leistung P für die Schaltabfolge gegen die Zeit t aufgetragen.
Die einzelnen Beiträge zum Stromverbrauch sind im unteren Graphen schraffiert gekennzeichnet und ergeben sich während des Auf- und Entladens der Kapazität C aus dem zeitlichen Verlauf der Leistung P. Die Leistung P für die Schaltabfolge ist gegeben durch die folgende Beziehung:
Vorteilhafterweise ergibt die Schaltabfolge gemäß der Figuren IA, IB und IC einen reduzierten Stromverbrauch. Dies begründet sich insbesondere in der Tatsache, dass in der Schaltabfolge gemäß der Figuren IA, IB und IC keine zusätzliche Leis- tung P zum Umladen der Kapazität C aufgebracht werden muss.
Der erfindungsgemäße und vorteilhafte niedrige Stromverbrauch durch die Schaltabfolge zeigt sich in einem Vergleich des Ausdrucks für die Leistung P mit dem entsprechenden Ausdruck für die herkömmliche Schaltabfolge. Der Vergleich zeigt eine Halbierung des Stromverbrauchs für die Schaltfolge gegenüber der herkömmlichen Schaltabfolge.
Figur 3 zeigt eine bespielhafte Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität C mit einem Sensor Sl zum Messen des Ladezustandes der Kapazität C und eine Steuereinrichtung S2. Der Sensor Sl ist an zwei Stellen, nämlich zwischen dem ersten Schalter 1 und dem vierten Schalter 4, sowie zwischen dem zweiten Schalter 2 und dem dritten Schalter 3, an die VoIl- brückenschaltung gekoppelt. Die Steuereinrichtung umfasst einen Eingang El, der mit dem Sensor Sl gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang E2. Des Weiteren umfasst die Steuereinheit S2 einen ersten Ausgang Al, der an den ersten Schalter 1 koppelt, einen zweiten Ausgang A2, der an den zweiten Schal- ter 2 koppelt, einen dritten Ausgang A3, der an den dritten Schalter 3 koppelt und einen vierten Ausgang A4, der an den vierten Schalter 4 koppelt. Der Sensor Sl zum Messen des Ladezustandes der Kapazität C detektiert die über der Kapazität C abfallende Spannung V. Davon abhängig generiert der Sensor Sl ein Sensorsignal und stellt dieses der Steuereinrichtung S2 am Eingang El bereit. Über den ersten Ausgang Al, den zweiten Ausgang A2, den dritten Ausgang A3 und den vierten Ausgang A4 steuert die Steuereinrichtung S2 jeweils den ersten Schalter 1, den zweiten Schalter 2, den dritten Schalter 3 und den vierten Schalter 4, wobei jeder Schalter individuell angesteuert werden kann. Dabei zeigt das Sensorsignal am Eingang El den Ladezustand der Kapazität C an und veranlasst die Steuereinheit S2 bei Erreichen des vorbestimmten Ladezustands den Kurzschluss der Schaltervorrichtung aufzuheben.
Vorteilhafterweise ist die Implementierung der Schaltungsanordnung in einem integrierten Schaltkreis möglich, insbesondere als individueller Schaltkreis oder als Teil eines komplexeren Schaltkreises, etwa einer Motorsteuerung. Durch geeignete Programmierung oder Ausführung der Steuereinrichtung S2 ist es im Rahmen der Erfindung möglich, geeignete Schaltabfolgen zu definieren oder über den Eingang E2 extern einzubinden .
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des Verfah- rens zum Schalten der Kapazität nach dem vorgeschlagenen
Prinzip. Nebeneinander sind unterschiedliche Schaltzustände in einzelnen Schaltphasen dargestellt, die eine Schaltreihenfolge bilden, welche von links nach rechts durchlaufen wird. Die dargestellte Schaltreihenfolge bildet eine mögliche Grundlage für die zeitliche Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 der Brückenschaltung aus Figur 1 durch das Schaltelement S. Das Schaltelement S umfasst dazu beispielsweise einen Zustandsautomaten, dem ein Zustandsübergangsdiagramm zugrunde liegt, welches eine Schaltreihenfolge zur Ansteuerung der Schalter 1 bis 4 realisiert.
Im Verbindungszweig der Brückenschaltung ist eine elektrische Last vorgesehen, die mit der Brückenschaltung geschaltet beziehungsweise betrieben wird. Die elektrische Last weist zumindest einen kapazitiven und einen induktiven Anteil auf. Der kapazitive Anteil wird hier beispielsweise von einer Parallelkapazität CP, der induktive Anteil von einer Induktivi- tat L repräsentiert. Im Einzelnen wird der induktive Anteil der elektrischen Last EL durch einen Serienschwingkreis umfassend die Induktivität L, die Kapazität C und einen Widerstand Rl gebildet. Die Parallelkapazität CP und der Serienschwingkreis befinden sich in Parallelschaltung zwischen ei- nem ersten Anschluss PINl und einem zweiten Anschluss PIN2 und werden mit der Spannung V im Brückenzweig betrieben. Die elektrische Last bildet dabei beispielsweise ein Ersatzschaltbild eines Piezoaktuators . Die Parallelkapazität CP repräsentiert in diesem Fall die elektrischen Eigenschaften des Piezoaktuators, während der Serienschwingkreis die mechanischen Eigenschaften des Piezoaktuators darstellt.
Es sei angemerkt, dass die hier gezeigte Ausführungsform der Brückenschaltung mit der elektrischen Last nicht als Ein- schränkung aufzufassen ist. Andere Ausführungen, die beispielsweise nur die Kapazität C im Verbindungszweig aufweisen, sind alternativ oder ergänzend möglich.
In einer Vorwärtsschaltphase F sind der erste und der dritte Schalter 1, 3 geschlossen, während der zweite und der vierte Schalter 2, 4 geöffnet sind. Der Brückenzweig wird auf eine erste Spannung Vl aufgeladen. Die erste Spannung Vl entspricht in ihrer Höhe der Versorgungsspannung Vdd. In einer darauf folgenden ersten offenen Schaltphase Ol, welche etwa durch einen Aufwärtsimpuls eines übergeordneten Taktsignals eingeleitet wird, wird der erste Schalter 1 geöffnet, so dass lediglich der dritte Schalter 3 geschlossen bleibt. Ein Stromfluss durch den Serienschwingkreis und damit durch die Induktivität L entlädt die in der Parallelkapazität CP gespeicherte Energie. Dies erfolgt mit Vorteil ohne Verluste .
Sobald die Spannung V im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat, wird in eine dritte offene Schaltphase 03 umgeschaltet. Hier wird der dritte Schalter 3 geöffnet und gleichzeitig der zweite Schalter 2 geschlossen. Dadurch wird der zweite An- schluss PIN2 auf das Potential der Versorgungsspannung Vdd gezogen. Die Parallelkapazität CP wird umgepolt und auf den Wert einer zweiten Spannung V2 aufgeladen. Die zweite Spannung V2 entspricht dabei in ihrem Betrag der Versorgungsspannung Vdd ist jedoch invers zu dieser gepolt. Sie wird hier auch als negative Versorgungsspannung bezeichnet.
Sobald ein Istwert der Spannung V im Brückenzweig den Wert der negativen Versorgungsspannung -Vdd erreicht hat, wird in eine Umkehrschaltphase R umgeschaltet. In dieser Schaltphase sind der zweite und der vierte Schalter 2, 4 geschlossen, während der erste und der dritte Schalter 1, 3 geöffnet sind. In der Umkehrschaltphase R kehrt sich der Stromfluss durch die Induktivität L um. Die negative Versorgungsspannung wird im Brückenzweig bereitgestellt.
Gesteuert etwa durch eine Abwärtsflanke des übergeordneten Taktsignals erfolgt ein Umschalten in eine zweite offene Schaltphase 02. Der vierte Schalter 4 wird geöffnet, so dass lediglich der zweite Schalter 2 geschlossen bleibt. Die Parallelkapazität CP wird negativ aufgeladen.
Sobald die Spannung V im Brückenzweig den Wert Null erreicht hat, wird erneut in die dritte offene Schaltphase 03 umgeschaltet. Die Parallelkapazität CP wird erneut umgepolt und wieder positiv aufgeladen. Zu diesem Zweck ist der dritte Schalter 3 geschlossen, alle übrigen Schalter sind geöffnet. Sobald die Spannung V im Brückenzweig den Wert der positiven Versorgungsspannung Vdd erreicht hat, erfolgt ein Umschalten in die Vorwärtsschaltphase F und die Schaltphasen werden wie beschrieben erneut durchlaufen.
Die im Serienschwingkreis gespeicherte Energie entlädt bezie- hungsweise lädt die Parallelkapazität CP in den offenen
Schaltphasen Ol, 02 und 03. Die Brückenschaltung wird beispielsweise im Bereich der Serienresonanzfrequenz des Serienschwingkreises betrieben. Das übergeordnete Taktsignal wird dabei so gewählt, dass die Brückenspannung V am Anfang der Vorwärts- beziehungsweise Rückwärtsschaltphase F, R jeweils in ihrem Betrag der Versorgungsspannung Vdd entspricht. Dadurch, dass jeweils zwischen der Vorwärtsschaltphase F und der Rückwärtsschaltphase R die erste und die dritte offene Schaltphase Ol und 03, und zwischen der Rückwärtsschaltphase R und der Vorwärtsschaltphase F die zweite und die dritte offene Schaltphase 02 und 03 durchlaufen werden, ist sichergestellt, dass ein Potential des jeweiligen offenen Anschlusses PINl oder PIN2 weder unterhalb des Bezugspotentials noch oberhalb des Potentials der Versorgungsspannung Vdd liegt. Dadurch wird mit Vorteil erreicht, dass das Entladen beziehungsweise das Aufladen der Parallelkapazität CP, die einen beträchtlichen Kapazitätswert aufweist, ohne Verluste erfolgt. Das Zeitverhalten ist dabei angepasst an die Resonanz- frequenz des Serienschwingkreises sowie an die Größe der Parallelkapazität CP.
Bezugs zeichenliste
1 erster Schalter
2 zweiter Schalter 3 dritter Schalter
4 vierter Schalter A Schalterstellung Al erster Ausgang A2 zweiter Ausgang A3 dritter Ausgang
A4 vierter Ausgang
B Schalterstellung
C Kapazität
CP Parallelkapazität El erster Eingang
E2 zweiter Eingang
F Vorwärtsschaltphase
GND Masse
L Induktivität Ol erste offene Schaltphase
02 zweite offene Schaltphase
03 dritte offene Schaltphase PINl erster Anschluss
PIN2 zweiter Anschluss R Umkehrschaltphase
Rl Widerstand t Zeit tl erste Zeit t2 zweite Zeit t3 dritte Zeit t4 vierte Zeit
5 Schaltelement Sl Sensor S2 Steuereinrichtung
V Spannung
Vdd Spannung
X Schalterstellung

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Schalten einer Kapazität umfassend: - eine Vollbrückenschaltung, die die Kapazität (C) und eine Schaltervorrichtung zum Kurzschließen der Kapazität (C) umfasst, und die an eine Spannungsquelle (Vdd) anschließbar ist, und
- ein Schaltelement (S) , das die Schaltervorrichtung so steuert, dass die Schaltervorrichtung die Kapazität
(C) kurzschließt und bei Erreichen eines vorbestimmten Ladezustandes der Kapazität (C) den Kurzschluss aufhebt .
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Vollbrückenschaltung zum Betrieb mit einer Gleichspannung ausgelegt ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Schaltelement (S) ein Zeitsteuerungsbauelement umfasst, das das Erreichen des vorbestimmten Ladezustandes der Kapazität (C) durch ein festes Zeitintervall festlegt .
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, wobei die Zeitsteuerung eine Relaisschaltung umfasst.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei - das Schaltelement einen Sensor (Sl) zum Messen des Ladezustandes der Kapazität (C) und eine Steuereinrichtung (S2) umfasst, - der Sensor (Sl) der Steuereinrichtung (S2) ein Sensorsignal bereitstellt, das den Ladezustand der Kapazität (C) anzeigt, und
- die Steuereinrichtung (S2) bei Erreichen des vorbe- stimmten Ladezustandes das Aufheben des Kurzschlusses auslöst .
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, wobei der Sensor (S) zum Messen des Ladezustandes der Kapazität (C) und durch eine Steuereinrichtung (S2) digital steuerbar ist.
7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 5 oder 6, wobei der Sensor (Sl) zum Messen des Ladezustandes der Kapazität (C) einen Entladestrom an der Schaltervorrichtung detektiert.
8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 5 oder 6, wobei der Sensor (Sl) zum Messen des Ladezustandes der Kapazität (C) eine Spannung (V) über der Kapazität (C) detek- tiert.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schaltervorrichtung einen ersten Schalter (1), einen zweiten Schalter (2), einen dritten Schalter (3) und einen vierten Schalter (4) umfasst, die zu der VoIl- brückenschaltung miteinander verschaltet sind, wobei die Kapazität (C) im Querzweig der Vollbrückenschaltung angeordnet ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, wobei der erste
Schalter (1), der zweite Schalter (2), der dritte Schalter (3) und der vierte Schalter (4) jeweils als Metall- Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistoren ausgeführt sind.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, wobei der erste Schalter (1), der zweite Schalter (2), der dritte Schalter (3) und der vierte Schalter (4) jeweils als Bipolartransistoren ausgeführt sind.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, wobei der erste Schalter (1), der zweite Schalter (2), der dritte Schalter (3) und der vierte Schalter (4) jeweils als steuerbare Stromquellen ausgeführt sind.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
- die Vollbrückenschaltung im Brückenzweig eine elektrische Last mit einem kapazitiven und einem indukti- ven Anteil umfasst, und
- der kapazitive Anteil die Kapazität (C) aufweist.
14. Verfahren zum Schalten einer Kapazität umfassend:
- Aufladen der Kapazität (C) mit einer ersten Spannung (Vdd) ,
- Entladen der Kapazität (C) durch Kurzschließen, und
- Aufladen der Kapazität (C) mit einer zweiten Spannung
(-Vdd) , die eine zur ersten Spannung (Vdd) entgegengesetzte Polarität aufweist.
15. Verfahren zum Schalten einer Kapazität nach Anspruch 14, bei dem das Entladen der Kapazität (C) durch eine Messung des Ladezustands der Kapazität (C) festgestellt wird und der Kurzschluß aufgehoben wird, wenn ein vorbe- stimmter Ladezustand erreicht ist.
16. Verfahren zum Schalten einer Kapazität nach Anspruch 14, bei dem das Entladen der Kapazität (C) in einem vorbestimmten Zeitintervall erfolgt.
17. Verfahren zum Schalten einer Kapazität nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei
- eine elektrische Last in einem Brückenzweig einer Brückenschaltung einen kapazitiven und einen induktiven Anteil umfasst, - der kapazitive Anteil die Kapazität (C) aufweist, und das Verfahren die Schritte umfasst:
- Aufladen des Brückenzweiges auf eine erste Spannung
(Vl) in einer Vorwärtsschaltphase (F),
- Entladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer ersten offenen Schaltphase (Ol),
- Aufladen des Brückenzweiges auf eine zweite Spannung
(V2) in einer Umkehrschaltphase (R), wobei die zweite Spannung (V2) invers zur ersten Spannung (Vl) gepolt ist, und - Negatives Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer zweiten offenen Schaltphase (02) .
18. Verfahren nach Anspruch 17, weiter aufweisend nach der ersten offenen Schaltphase (Ol) sowie nach der zweiten offenen Schaltphase (02)
- Umpolen und Aufladen des kapazitiven Anteils der elektrischen Last in einer dritten offenen Schaltphase (03) .
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