DE102008018011A1

DE102008018011A1 - Circuit arrangement for controlling piezoelectric actuator utilized in fuel injector for actuating pressure regulator in motor vehicle, has control device supplying control signals for controlling controllable switches

Info

Publication number: DE102008018011A1
Application number: DE200810018011
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Dominik Bergmann; Matthias Dr. Gerlich; Erhard Dr. Magori; Walter Schrod; Christian Tump
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: DE102008018011B4

Abstract

The arrangement (10) has two output terminals (A1, A2) that are connected to a load (P), and a capacitor (C) that is arranged between two circuit nodes (K1, K2). An inductor (L1) is arranged between a power supply (E2) and the circuit node (K1) and an inductor (L2) is arranged between the circuit node (K2) and a power supply (E1). Controllable switches (Q1, Q2) are arranged between the node (K1) and the power supply (E1) and between the node (K2) and the output terminal (A2) respectively. A control device (ST) supplies control signals (q1, q2) for controlling the switches.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last, wie z. B. eines piezoelektrischen Stellgliedes.The The present invention relates to a circuit arrangement for operating a capacitive load, such. B. a piezoelectric actuator.

Derartige Schaltungsanordnungen sind in vielfältigen Ausführungen insbesondere aus dem Bereich der Automobilelektronik bekannt, und zwar zum Betrieb von piezoelektrischen Stellgliedern in Kraftstoffinjektoren. Bedingt durch die dort gestellten hohen Anforderungen hinsichtlich eines raschen, exakten und reproduzierbaren Öffnens und Schließens von Kraftstoffeinspritzventilen sind die bekannten Schaltungsanordnungen jedoch relativ aufwändig gestaltet.such Circuit arrangements are in various embodiments, in particular from the The field of automotive electronics, namely for the operation of piezoelectric actuators in fuel injectors. conditioned due to the high demands placed on it rapid, accurate and reproducible opening and closing of fuel injectors However, the known circuit arrangements are designed relatively complex.

Für Anwendungen mit geringeren Anforderungen an die Leistungseigenschaften der Schaltungsanordnung wäre daher eine weniger aufwändig gestaltete und somit kostengünstigere Schaltungsanordnung wünschenswert.For applications with lower demands on the performance characteristics of the circuit would be therefore a less elaborately designed and thus cheaper Circuitry desirable.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung zum Betreiben einer kapazitiven Last bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention, a simple constructed circuit arrangement for operating a capacitive load provide.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.These Task is carried out according to the invention a circuit arrangement according to claim 1 or 2 solved. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.

Gemäß eines ersten Erfindungsaspekts umfasst die Schaltungsanordnung:

– einen ersten Versorgungsanschluss und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials bzw. eines zweiten Versorgungspotentials,
– einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss zum Anschluss der Last, wobei der erste Ausgangsanschluss mit dem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist,
– einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten angeordneten Kondensator,
– eine zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss und dem ersten Schaltungsknoten angeordnete erste Induktivität,
– einen zwischen dem ersten Schaltungsknoten und dem ersten Versorgungsanschluss angeordneten ersten ansteuerbaren Schalter,
– eine zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem ersten Versorgungsanschluss angeordnete zweite Induktivität,
– einen zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordneten zweiten ansteuerbaren Schalter, und
– eine Steuereinrichtung zur Bereitstellung von Steuersignalen zur Ansteuerung der beiden Schalter.

According to a first aspect of the invention, the circuit arrangement comprises:

A first supply connection and a second supply connection for applying a first supply potential or a second supply potential,
A first output terminal and a second output terminal for connection of the load, wherein the first output terminal is connected to the first supply terminal,
A capacitor arranged between a first circuit node and a second circuit node,
A first inductor disposed between the second supply terminal and the first circuit node,
A first controllable switch disposed between the first circuit node and the first supply terminal,
A second inductor disposed between the second circuit node and the first supply terminal,
A second controllable switch disposed between the second circuit node and the second output terminal, and
- A control device for providing control signals for controlling the two switches.

In einer Weiterbildung des ersten Erfindungsaspekts sind die beiden Induktivitäten induktiv gekoppelt, also beispielsweise als auf einem gemeinsamen Kern gewickelte Spulen ausgebildet.In a development of the first aspect of the invention are the two inductors inductively coupled, so for example as on a common Core wound coils formed.

Gemäß eines zweiten Erfindungsaspekts umfasst die Schaltungsanordnung:

– einen ersten Versorgungsanschluss und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials bzw. eines zweiten Versorgungspotentials,
– einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss zum Anschluss der Last, wobei der erste Ausgangsanschluss mit dem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist,
– eine zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss angeordnete Reihenschaltung aus einer ersten Induktivität und einem ersten ansteuerbaren Schalter,
– eine induktiv mit der ersten Induktivität gekoppelte zweite Induktivität, die einerseits mit dem ersten Versorgungsanschluss und andererseits über einen zweiten ansteuerbaren Schalter mit dem zweiten Ausgangsanschluss verbunden ist, und
– eine Steuereinrichtung zur Bereitstellung von Steuersignalen zur Ansteuerung der beiden Schalter.

According to a second aspect of the invention, the circuit arrangement comprises:

A first supply connection and a second supply connection for applying a first supply potential or a second supply potential,
A first output terminal and a second output terminal for connection of the load, wherein the first output terminal is connected to the first supply terminal,
A series circuit, which is arranged between the first supply connection and the second supply connection, and comprises a first inductance and a first controllable switch,
- A inductively coupled to the first inductor second inductance, which is connected on the one hand to the first supply terminal and on the other hand via a second controllable switch to the second output terminal, and
- A control device for providing control signals for controlling the two switches.

In einer Weiterbildung umfasst die Schaltungsanordnung gemäß des zweiten Erfindungsaspekts ferner einen zwischen dem ersten Versorgungsanschluss und dem zweiten Versorgungsanschluss angeordneten Kondensator.In a development comprises the circuit arrangement according to the second The invention further relates to a between the first supply terminal and the second supply terminal arranged capacitor.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann mit relativ wenigen Bauelementen und somit sehr einfach realisiert werden und erlaubt durch entsprechende Ansteuerung der beiden Schal ter ein Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mit im Prinzip beliebigen zeitlichen Verläufen eines entsprechenden Laststromes.The inventive circuit arrangement can be realized with relatively few components and thus very easy be and allowed by appropriate control of the two scarf ter Charging and discharging the capacitive load with basically any temporal progressions a corresponding load current.

Darüber hinaus besitzt dieses Schaltungskonzept eine Reihe weiterer Vorteile, und zwar insbesondere bei einer Verwendung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Stellgliedes (z. B. in einem Proportionalventil).Furthermore This circuit concept has a number of other advantages, and In particular, when used to drive a piezoelectric Actuator (eg in a proportional valve).

Gut geeignet ist die Erfindung z. B. zur Ansteuerung eines (im Vergleich zu Kraftstoffinjektoren) ”relativ langsamen” Stellgliedes in einem verstellbaren Fluidventil (z. B. Proportionalventil), beispielsweise in einem als Druckminderer vorgesehenen Gasventil. Ein piezobetätigtes einstellbares Gasventil kann z. B. als Druckminderer zwischen einem Brenngasreservoirbereich und einem Brenngaseinlassbereich einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine (Gasmotor) eingesetzt werden. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind zeitliche Änderungsraten der Ausgangsspannung (Lastspannung) erzielbar, die zur Ansteuerung eines solchen Druckminderungsventils vollkommen ausreichend sind (typisch im ms-Bereich).Well suited to the invention z. B. for controlling a (relative to fuel injectors) "relatively slow" actuator in an adjustable fluid valve (eg., Proportional valve), for example, in a provided as a pressure reducer gas valve. A piezobetätigtes adjustable gas valve can, for. B. as a pressure reducer between a fuel gas reservoir area and a Brenngaseinlassbe rich gas-powered internal combustion engine (gas engine) are used. With the circuit arrangement according to the invention, temporal change rates of the output voltage (load voltage) can be achieved, which are completely sufficient for driving such a pressure reducing valve (typically in the ms range).

Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, aus einer relativ geringen Versorgungsspannung (= Differenz zwischen den beiden Versorgungspotentialen) eine zur Auslenkung eines Piezoaktors erforderliche höhere Spannung zu erzeugen. Dementsprechend ist auch der ausgangsseitige Spannungshub vorteilhaft sehr groß (weil die Ausgangsspannung auch auf 0 V reduziert werden kann).In addition, the inventive circuit arrangement, from a relatively low supply voltage (= difference between the two supply potentials) one for the deflection of a piezoelectric actuator required higher To create tension. Accordingly, the output side is also Voltage lift advantageous very large (because the output voltage can also be reduced to 0V).

Weiterhin kann mit der Schaltungsanordnung eine konstante Ausgangsspannung in einfacher Weise über eine längere Zeit gehalten werden (z. B. auf einen Sollwert eingeregelt wer den), was z. B. für die oben erwähnte Anwendung bei einem piezogetriebenen Druckminderer in der Praxis häufig vorkommt.Farther can with the circuit a constant output voltage in a simple way over a longer one Be kept (eg adjusted to a target value), what for. B. for the mentioned above Application with a piezo-operated pressure reducer in practice often occurs.

Trotz des extrem einfachen Aufbaus der Schaltungsanordnung kann die Verlustleistung im Betrieb relativ gering gehalten werden. Auch ist eine Rückgewinnung der in der kapazitiven Last gespeicherten elektrischen Energie beim Entladen der Last möglich und ermöglicht so ein verlustarmes Arbeiten in dynamischem Betriebsphasen-Stopp-Start.In spite of the extremely simple construction of the circuit arrangement, the power loss be kept relatively low during operation. Also is a recovery the electrical energy stored in the capacitive load at Unloading of the load possible and allows such a low-loss work in dynamic operating phase stop-start.

In einer Ausführungsform werden die beiden Versorgungspotentiale von einer Batterie bereitgestellt, beispielsweise von einer in einem Kraftfahrzeug zur Versorgung eines elektrischen Bordnetzes vorgesehenen Batterie. In diesem Fall kann die Schaltungsanordnung z. B. zum Betreiben eines piezoelektrischen Stellgliedes im Bereich eines Antriebes des Kraftfahrzeuges vorgesehen sein (z. B. zum Betreiben eines Proportionalventils).In an embodiment the two supply potentials are provided by a battery, For example, from a in a motor vehicle to supply a electrical wiring provided battery. In this case can the circuit z. B. for operating a piezoelectric Actuator provided in the region of a drive of the motor vehicle be (for example, to operate a proportional valve).

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schaltungskomponenten so ausgelegt sind, dass eine die Versorgungsspannung übersteigende Ausgangsspannung erzielbar ist. Eine solche Aufwärtswandlung von der Versorgungsspannung zur Ausgangsspannung ist z. B. in einer automobilen Anwendung besonders interessant, etwa wenn es darum geht, aus einem elektrischen Bordnetz mit relativ geringer Spannung (z. B. im Bereich von 12 V bis 16 V) ein piezoelektrisches Stellglied anzusteuern, welches typischerweise zur vollen Auslenkung relativ hohe Spannungen erfordert (z. B. mehr als 50 V, insbesondere mehr als 100 V).In an embodiment it is envisaged that the circuit components are designed so that an output voltage exceeding the supply voltage is achievable. Such an up-conversion from the supply voltage to the output voltage is z. B. in one Automotive application particularly interesting, such as when it comes to goes, from an electrical system with relatively low voltage (eg in the range of 12V to 16V) a piezoelectric actuator to drive, which is typically relatively high for full deflection Voltages (eg more than 50 V, in particular more than 100V).

Der erste ansteuerbare Schalter und/oder der zweite ansteuerbare Schalter können in einfacher Weise als Transistor, insbesondere Feldeffekttransistor (FET), ausgebildet sein. Falls ein Bipolartransistor eingesetzt wird, so ist im Hinblick auf geringe elektrische Verluste ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (”IGBT”) bevorzugt.Of the first controllable switch and / or the second controllable switch can in a simple way as a transistor, in particular field effect transistor (FET), be trained. If a bipolar transistor used is, so in terms of low electrical losses is a bipolar transistor with insulated gate electrode ("IGBT") preferred.

Im Hinblick auf eine möglichst genaue Einstellung der Ausgangsspannung ist es von Vorteil, wenn Mittel zur Messung des über den ersten Schalter fließenden Stromes und/oder Mittel zur Messung des durch die Last fließenden Stromes vorgesehen sind. Ein solches Strommessmittel kann z. B. einen Shuntwiderstand umfassen, der im entsprechenden Strompfad angeordnet ist und dessen Spannungsabfall als für den fließenden Strom repräsentative Messgröße von einer Auswerteeinheit erfasst wird. Die Auswerteeinheit kann insbesondere einen Teil der zur Bereitstellung der Steuersignale für die beiden Schalter ohnehin vorgesehenen Steuereinrichtung sein.in the Regard to one as possible Precise adjustment of the output voltage, it is advantageous if Means for measuring the over the first switch flowing Current and / or means for measuring the current flowing through the load are provided. Such a current measuring means can, for. B. a shunt resistor comprise, which is arranged in the corresponding current path and whose Voltage drop as for the flowing one Electricity representative Measured quantity of one Evaluation unit is detected. The evaluation unit can in particular a part of providing the control signals for the two switches Be provided anyway control device.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben. Es stellen dar:The Invention will be described below with reference to an embodiment with reference to the enclosed Drawing further described. They show:

1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Piezoaktors gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, und 1 a circuit diagram of a circuit arrangement for operating a piezoelectric actuator according to a first embodiment, and

2 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Piezoaktors gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels. 2 a circuit diagram of a circuit arrangement for operating a piezoelectric actuator according to another embodiment.

1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 (Endstufe) zum Betreiben einer kapazitiven Last in Form eines Piezoaktors P. 1 shows a circuit arrangement 10 (Output stage) for operating a capacitive load in the form of a piezoelectric actuator P.

Die Schaltungsanordnung 10 umfasst Versorgungsanschlüsse E1 und E2 zum Anlegen von Versorgungspotentialen GND und VBAT, die hier z. B. aus einer Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellt werden.The circuit arrangement 10 includes supply terminals E1 and E2 for applying supply potentials GND and VBAT, here z. B. be provided from a motor vehicle battery.

Die Versorgungsspannung (Differenz zwischen VBAT und GND) beträgt z. B. 12 V. Ausgangsseitig, zwischen Ausgangsanschlüssen A1 und A2, kann im Betrieb eine Ausgangsspannung (Lastspannung) für den Piezoaktor P eingestellt werden, die z. B. in einem Bereich von 0 V bis 200 V variabel ist.The Supply voltage (difference between VBAT and GND) is z. B. 12 V. Output side, between output terminals A1 and A2, can in operation set an output voltage (load voltage) for the piezoelectric actuator P. be, z. B. in a range of 0 V to 200 V is variable.

Der Piezoaktor P dient z. B. zur Betätigung eines Druckminderers an einem Einlassbereich eines Gasmotors des Kraftfahrzeuges.Of the Piezo actuator P is used z. B. for actuating a Pressure reducer at an inlet region of a gas engine of the motor vehicle.

Die Schaltungsanordnung 10 umfasst ferner

– einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten K1 und einem zweiten Schaltungsknoten K2 angeordneten Kondensator C,
– eine zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss E2 und dem ersten Schaltungsknoten K1 angeordnete erste Induktivität L1,
– einen zwischen dem ersten Schaltungsknoten K1 und dem ersten Versorgungsanschluss E1 angeordneten Schalttransistor Q1,
– eine zwischen dem zweiten Schaltungsknoten K2 und dem ersten Versorgungsanschluss E1 angeordnete zweite Induktivität L2,
– einen zwischen dem zweiten Schaltungsknoten K2 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 angeordneten zweiten Schalttransistor Q2, und
– eine Steuereinrichtung ST zur Bereitstellung von Steuersignalen q1 und q2 zur Ansteuerung der beiden Transistoren Q1 und Q2. Die Einrichtung ST bewirkt diese Ansteuerung auf Basis eines zugeführten Vorgabesignals S (welches z. B. von einer programmgesteuerten Rechnereinrichtung (z. B. Mikrocontroller) erzeugt wird).

The circuit arrangement 10 further includes

A capacitor C arranged between a first circuit node K1 and a second circuit node K2,
One between the second supply terminal E2 and the first circuit node K1 arranged first inductance L1,
A switching transistor Q1 arranged between the first circuit node K1 and the first supply terminal E1,
A second inductance L2 arranged between the second circuit node K2 and the first supply terminal E1,
A second switching transistor Q2 arranged between the second circuit node K2 and the second output terminal A2, and
A control device ST for providing control signals q1 and q2 for driving the two transistors Q1 and Q2. The device ST effects this activation on the basis of a supplied default signal S (which is generated, for example, by a program-controlled computer device (eg microcontroller)).

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem ersten Transistor Q1 ein Strommesswiderstand Rs1 in Reihe geschaltet, dessen Spannungsabfall Us1 repräsentativ für den über Q1 fließenden Strom ist. Die Messgröße Us1 wird zur Verbesserung der Steuerungsgenauigkeit der Steuereinrichtung ST zugeführt.at the illustrated embodiment is the first transistor Q1 a current measuring resistor Rs1 connected in series, its voltage drop Us1 representative for the current flowing through Q1 is. The measurand Us1 becomes for improving the control accuracy of the control device ST supplied.

Außerdem wird im dargestellten Beispiel ein Spannungsabfall Us2 bei der Steuerung berücksichtigt, der an einem zweiten Strommesswiderstand Rs2 abfällt, der im Verbindungspfad zwischen dem ersten Versorgungsanschluss E1 und dem ersten Ausgangsanschluss A1 angeordnet ist. Us2 ist somit repräsentativ für den durch den Piezoaktor P fließenden Strom.In addition, will in the example shown, a voltage drop Us2 in the controller considered, which drops off at a second current measuring resistor Rs2 in the connection path between the first supply terminal E1 and the first output terminal A1 is arranged. Us2 is thus representative of the piezoelectric actuator P flowing Electricity.

Gemäß einer einfachen Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10 ist vorgesehen, dass ein Aufladen des Piezoaktors P durch einen getakteten Betrieb des ersten Transistors Q1 erfolgt, wohingegen ein Entladen der Last P durch einen getakteten Betrieb des zweiten Transistors Q2 erfolgt.In accordance with a simple mode of operation of the circuit arrangement 10 it is provided that a charging of the piezoelectric actuator P by a clocked operation of the first transistor Q1 takes place, whereas a discharging of the load P by a clocked operation of the second transistor Q2 takes place.

Hinsichtlich des Aufladevorganges ist anzumerken, dass die Schaltungsanordnung 10 im Wesentlichen wie ein so genannter SEPIC (”Single Ended Primary Inductance Converter”)-Wandler arbeitet. Die getaktete Aufladung lässt sich wie folgt beschreiben:
Wenn zu Beginn des Schaltungsbetriebs beide Transistoren Q1 und Q2 sperren, so stellt sich eine Ladespannung am Kondensa tor C ein, die der Versorgungsspannung entspricht. Am Knoten K1 herrscht das Potential VBAT und am Knoten K2 herrscht das Potential GND.With regard to the charging process, it should be noted that the circuit arrangement 10 essentially like a so-called SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) converter. The clocked charge can be described as follows:
If at the beginning of the circuit operation, both transistors Q1 and Q2 lock, so sets a charge voltage at the capaci tor C, which corresponds to the supply voltage. At node K1 there is the potential VBAT and at node K2 the potential GND prevails.

Wenn nun Q1 eingeschaltet wird, so reduziert sich das Potential am Knoten K1 schlagartig auf GND. Dies hat zur Folge, dass ein allmählich ansteigender Strom von E2 über die erste Induktivität L1 (Drossel) und weiter über Q1 nach E1 fließt, und dass das Potential am Knoten K2 schlagartig auf einen Wert von -VBAT absinkt, also unter das Potential GND. Letzteres hat zur Folge, dass auch ein allmählich steigender Strom durch die zweite Induktivität L2 (zweite Drossel) von E1 zum Knoten K2 fließt. Im dargestellten Beispiel sind die Induktivitäten L1 und L2 gleich groß bemessen.If now Q1 is turned on, so reduces the potential at the node K1 abruptly on GND. As a result, a gradually increasing Current from E2 over the first inductance L1 (throttle) and continue over Q1 flows to E1, and that the potential at the node K2 abruptly to a value of -VBAT drops, ie below the potential GND. The latter has the consequence that too gradually increasing current through the second inductance L2 (second choke) of E1 flows to the node K2. In the example shown, the inductances L1 and L2 are the same size.

Nach einer gewissen Zeit wird das Potential am Knoten K2 wieder etwa auf den Wert GND angestiegen sein, wobei in diesem Moment vergleichsweise große Ströme durch beide Induktivitäten L1 und L2 fließen.To a certain time, the potential at the node K2 is about have risen to the value GND, at which moment comparatively size streams through both inductances L1 and L2 flow.

Wenn etwa in diesem Moment Q1 wieder ausgeschaltet wird, so führt der weiterhin durch L1 fließende Strom zu einer Erhöhung des am Knoten K1 herrschenden Potentials. Des weiteren kommt es zu einer Überhöhung des am Knoten K2 herrschenden Potentials (weit über den Wert von VBAT hinaus) und es fließt ein Laststrom von K2 über die intrinsische Source-Drain-Diode (nicht dargestellt) des Transistors Q2 und den Ausgangsanschluss A2 zum Piezoaktor P. In dieser Phase wird die Ausgangsspannung erhöht und der Piezoaktor P somit aufgeladen.If at which moment Q1 is switched off again, the leads still flowing through L1 Electricity to an increase of the potential prevailing at the node K1. Furthermore, it comes to an exaggeration of the at the node K2 prevailing potential (far beyond the value of VBAT addition) and it flows a load current from K2 over the intrinsic source-drain diode (not shown) of the transistor Q2 and the output terminal A2 to the piezoelectric actuator P. In this phase the output voltage is increased and the piezoelectric actuator P thus charged.

Durch wiederholtes Einschalten und Ausschalten von Q1 kann somit der Piezoaktor P in einem gewünschten Ausmaß aufgeladen werden bzw. eine gewünschte Ausgangsspannung (Lastspannung) eingestellt werden.By repeated switching on and off of Q1 can thus be the piezoelectric actuator P in a desired Extent charged or a desired Output voltage (load voltage) can be adjusted.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in welchem der zweite Schalter Q2 als Feldeffekttransistor mit in beschriebener Weise gepolter ”intrinsischer Source-Drain-Diode” verwendet wird, erübrigt sich ein Einschalten von Q2 in der Aufladephase. Falls an dieser Stelle abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel ein ansteuerbarer Schalter ohne eine derartige intrinsische bzw. parallel zum Schalter angeordnete Diode verwendet wird, so muss der zweite Schalter Q2 dementsprechend in der Aufladephase eingeschaltet werden.at the illustrated embodiment, in which the second switch Q2 as a field effect transistor with in described Way polarized "intrinsic Source-drain diode "used becomes unnecessary switching on Q2 during the charging phase. If at this point deviating from the illustrated embodiment, a controllable Switch without such intrinsic or parallel to the switch arranged diode is used, so the second switch Q2 Accordingly, be turned on in the charging phase.

In einer Weiterbildung der beschriebenen Ansteuerung der Transistoren Q1 und Q2 wird der Transistor Q2 während der Aufladephase aktiv eingeschaltet, um den Flusswiderstand und somit die Verluste in jeder Aufladephase zu reduzieren.In a development of the described control of the transistors Q1 and Q2, transistor Q2 becomes active during the charging phase switched on to the flow resistance and thus the losses in to reduce each charge phase.

Um die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen A1 und A2 konstant zu halten und somit die im Piezoaktor P gespeicherte Ladung konstant zu halten, werden beide Schalter Q1 und Q2 einfach ausgeschaltet (geöffnet). Um eine allmähliche unerwünschte Entladung z. B. durch Leckströme zu kompensieren, kann die Ausgangsspannung überwacht und auf Basis der Überwachung nachgestellt werden.Around the output voltage between the output terminals A1 and A2 to constant hold and thus the charge stored in the piezoelectric actuator P constant Both switches Q1 and Q2 are simply turned off (open). To a gradual undesirable Discharge z. B. by leakage currents Compensate, the output voltage can be monitored and based on the monitoring be readjusted.

Um die Ausgangsspannung wieder zu verringern und somit den Piezoaktor P zu entladen, wird der Transistor Q2 dauerhaft oder getaktet eingeschaltet. In dieser Weise kann ein gewünschter zeitlicher Entladungsverlauf bewerkstelligt werden.Around to reduce the output voltage again and thus the piezoelectric actuator P is discharged, the transistor Q2 is switched on permanently or clocked. In this way, a desired temporal discharge history be accomplished.

Im Hinblick auf eine möglichst genaue Ansteuerung der beiden Schalter Q1 und Q2 zwecks möglichst präziser Einstellung der Ausgangsspannung ist es von Vorteil, die oben bereits erwähnten Strommesssignale Us1 und Us2 bei der Bestimmung der Schaltzeitpunkte durch die Steuereinrichtung ST zu nutzen.in the Regard to one as possible precise control of the two switches Q1 and Q2 for the purpose of possible more precise Adjusting the output voltage is an advantage, the above already mentioned current measurement signals Us1 and Us2 in the determination of the switching times by the control device ST to use.

Alternativ oder zusätzlich kommt in Betracht, andere Messsignale im Bereich der dargestellten Schaltung zur Bestimmung von optimierten Schaltzeitpunkten zu erfassen. In dieser Hinsicht ist z. B. die Erfassung der Ausgangsspannung in vielen Fällen vorteilhaft, etwa zur Realisierung einer Regelschleife, durch welche die Ausgangsspannung auf einen Sollwert eingestellt wird.alternative or additionally comes into consideration, other measuring signals in the range of the circuit shown to determine the determination of optimized switching times. In In this regard, z. B. the detection of the output voltage in many cases advantageous, for example for the realization of a control loop, through which the output voltage is set to a setpoint.

Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels werden für gleichwirkende Schaltungskomponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung des vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.at the following description of another embodiment be for identical circuit components have the same reference numerals used. Essentially, this is only possible with the differences the embodiment already described received and otherwise hereby expressly refer to the description of the previous embodiment.

2 zeigt eine Schaltungsanordnung 10a (Endstufe) zum Betreiben eines Piezoaktors P. 2 shows a circuit arrangement 10a (Power amplifier) for operating a piezoelectric actuator P.

Die Schaltungsanordnung 10a umfasst

– einen ersten Versorgungsanschluss E1 und einen zweiten Versorgungsanschluss E2 zum Anlegen eines ersten Versorgungspotentials GND bzw. eines zweiten Versorgungspotentials VBAT,
– einen ersten Ausgangsanschluss A1 und einen zweiten Ausgangsanschluss A2 zum Anschluss der Last P, wobei der erste Ausgangsanschluss A1 mit dem ersten Versorgungsanschluss E1 verbunden ist,
– eine zwischen dem ersten Versorgungsanschluss E1 und dem zweiten Versorgungsanschluss E2 angeordnete Reihen schaltung aus einer ersten Induktivität L1 und einem ersten Schalttransistor Q1,
– eine induktiv mit der ersten Induktivität L1 gekoppelte zweite Induktivität L2, die einerseits mit dem ersten Versorgungsanschluss E1 und andererseits über einen zweiten Schalttransistor Q2 mit dem zweiten Ausgangsanschluss A2 verbunden ist, wobei die beiden Induktivitäten einen Transformator bilden, und
– eine Steuereinrichtung ST zur Bereitstellung von Steuersignalen q1, q2 zur Ansteuerung der beiden Schalter Q1, Q2. Die Einrichtung ST bewirkt diese Ansteuerung auf Basis eines Vorgabesignals S (wie oben für das Beispiel gemäß 1 bereits beschrieben).

The circuit arrangement 10a includes

A first supply connection E1 and a second supply connection E2 for applying a first supply potential GND or a second supply potential VBAT,
A first output terminal A1 and a second output terminal A2 for connecting the load P, the first output terminal A1 being connected to the first supply terminal E1,
A series circuit arranged between the first supply terminal E1 and the second supply terminal E2, comprising a first inductance L1 and a first switching transistor Q1,
A second inductance L 2 inductively coupled to the first inductance L 1, which is connected to the first supply terminal E 1 on the one hand and to the second output terminal A 2 via a second switching transistor Q 2, the two inductances forming a transformer, and
- A control device ST for providing control signals q1, q2 for controlling the two switches Q1, Q2. The device ST effects this activation on the basis of a default signal S (as described above for the example according to FIG 1 already described).

Zur Messung von Strömen, die durch den ersten Transistor Q1 bzw. durch den Piezoaktor P fließen, sind Strommesswiderstände Rs1 und Rs2 vorgesehen.to Measurement of currents, which flow through the first transistor Q1 and through the piezoelectric actuator P, are Current Sense Resistors Rs1 and Rs2 are provided.

Gemäß einer einfachen Funktionsweise der Schaltungsanordnung 10a ist vorgesehen, dass ein Aufladen des Piezoaktors P durch einen getakteten Betrieb des ersten Transistors Q1 und des zweiten Transistors Q2 erfolgt, wohingegen ein Entladen der Last P z. B. mittels des zweiten Transistors Q2 erfolgt, der hierfür z. B. getaktet oder dauerhaft betrieben werden kann.In accordance with a simple mode of operation of the circuit arrangement 10a is provided that a charging of the piezoelectric actuator P by a clocked operation of the first transistor Q1 and the second transistor Q2 takes place, whereas a discharge of the load P z. B. by means of the second transistor Q2, the z. B. clocked or can be operated permanently.

Hinsichtlich des Aufladevorganges ist anzumerken, dass die Schaltungsanordnung 10a im Wesentlichen wie ein so genannter Sperrwandler arbeitet.With regard to the charging process, it should be noted that the circuit arrangement 10a essentially like a so-called flyback converter works.

Zur Pufferung der Versorgungsspannung VBAT-GND ist im dargestellten Beispiel ein Kondensator C vorgesehen, der zwischen den beiden Versorgungsanschlüssen E1 und E2 angeordnet ist.to Buffering of the supply voltage VBAT-GND is shown in Example, a capacitor C is provided between the two supply terminals E1 and E2 is arranged.

Die getaktete Aufladung des Piezoaktors P lässt sich wie folgt beschreiben:
Wenn zu Beginn des Schaltungsbetriebs der Transistor Q1 sperrt, so stellt sich eine Ladespannung am Kondensator C ein, die der Versorgungsspannung entspricht. Der Kondensator C ist hier so dimensioniert, dass dessen Ladespannung im Schaltungsbetrieb im Wesentlichen konstant bleibt.The clocked charge of the piezoelectric actuator P can be described as follows:
If, at the beginning of the circuit operation, the transistor Q1 is turned off, then a charging voltage is established at the capacitor C which corresponds to the supply voltage. The capacitor C is dimensioned here such that its charging voltage remains essentially constant in circuit operation.

Wenn nun Q1 eingeschaltet wird, so fließt ein allmählich ansteigender Strom von E2 über die erste Induktivität L1 (Primärseite des Transformators) und weiter über Q1 nach E1. Die induktiv gekoppelte Induktivität L2 (Sekundärseite des Transformators) ist so angeordnet (gewickelt), dass die darin induzierte Spannung versucht, einen Strom von A2 über Q2, L nach A1 fließen zu lassen. Ein solcher Stromfluss findet jedoch nicht statt, da in dieser Phase durch die Steuereinrichtung ST ein Steuersignal q2 ausgegeben wird, welches ein Sperren des Transistors Q2 bewirkt.If now Q1 is turned on, then flows gradually increasing current of E2 over the first inductance L1 (primary side of the transformer) and on Q1 to E1. The inductively coupled inductance L2 (secondary side of the Transformer) is arranged (wound) so that the voltage induced therein trying to get a stream of A2 over Q2, L flow to A1 allow. However, such a current flow does not take place since in this phase by the control device ST, a control signal q2 is output, which causes a blocking of the transistor Q2.

Nach einer gewissen Zeit fließt ein vergleichsweise großer Strom durch die Induktivität L1.To flowing for a while a comparatively large one Current through the inductance L1.

Wenn dann Q1 wieder ausgeschaltet wird und der Primärstrom zusammenbricht, so wird in der zweiten Induktivität L2 eine relativ große Spannung induziert, so dass ein Laststrom von L2 über den (hierfür eingeschalteten) zweiten Transistor Q2 und den Ausgangsanschluss A2 zum Piezoaktor P fließt. In dieser Phase wird die Ausgangsspannung erhöht und der Piezoaktor P somit aufgeladen.Then, when Q1 is turned off again and the primary current collapses, a relatively large voltage is induced in the second inductor L2, so that a load current of L2 flows through the second transistor Q2 (turned on) and the output terminal A2 to the piezoactuator P. In this phase, the output voltage is increased and the piezoelectric actuator P thus charged.

Durch wiederholtes Einschalten und Ausschalten von Q1 (und entsprechend synchronisiertes Schalten von Q2) kann somit der Piezoaktor P in einem gewünschten Ausmaß aufgeladen werden bzw. eine gewünschte Ausgangsspannung (Lastspannung) eingestellt werden.By repeatedly turning on and off Q1 (and correspondingly synchronized switching of Q2) can thus the piezoelectric actuator P in a desired one Extent charged or a desired Output voltage (load voltage) can be adjusted.

Um die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsanschlüssen A1 und A2 konstant zu halten und somit die im Piezoaktor P gespeicherte Ladung konstant zu halten, werden beide Schalter Q1 und Q2 ausgeschaltet (geöffnet). Um eine allmähliche unerwünschte Entladung z. B. durch Leckströme zu kompensieren, kann die Ausgangsspannung überwacht und auf Basis der Überwachung nachgestellt werden.Around the output voltage between the output terminals A1 and A2 to constant hold and thus the charge stored in the piezoelectric actuator P constant Both switches Q1 and Q2 are switched off (opened). To a gradual undesirable Discharge z. B. by leakage currents To compensate, the output voltage can be monitored and based on the monitoring be readjusted.

Um die Ausgangsspannung wieder zu verringern und somit den Piezoaktor P zu entladen, wird der Transistor Q2 dauerhaft oder getaktet eingeschaltet. In dieser Weise kann ein gewünschter zeitlicher Entladungsverlauf (und eine Energierückgewinnung in die Versorgung) bewerkstelligt werden.Around to reduce the output voltage again and thus the piezoelectric actuator P is discharged, the transistor Q2 is switched on permanently or clocked. In this way, a desired temporal discharge course (and an energy recovery in the supply) be accomplished.

Bei der Ansteuerung der beiden Schalter Q1 und Q2 werden die oben bereits erwähnten Strommesssignale Us1 und Us2 zur Bestimmung betriebsgünstiger Schaltzeitpunkte durch die Steuereinrichtung ST genutzt.at the control of the two switches Q1 and Q2 are the above already mentioned Current measurement signals Us1 and Us2 for determining more convenient Switching times used by the control device ST.

Im dargestellten Beispiel umfasst die Schaltungsanordnung ferner einen zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss A2 und dem ersten Ausgangsanschluss A1 angeordneten Transistor Q3, mittels welchem eine zusätzlich nutzbare Entladepassage geschaffen ist. Alternativ oder zusätzlich zu einem Einschalten von Q2 kann der Entladevorgang somit auch durch Einschalten von Q3 initiiert werden (z. B. um ein rascheres Entladen des Piezoaktors P zu erzielen). Im dargestellten Beispiel ist dem Transistor ein Shuntwiderstand Rs3 in Reihe geschaltet, welcher den maximalen Entladestrom vorteilhaft begrenzt.in the As shown, the circuit arrangement further comprises a between the second output terminal A2 and the first output terminal A1 arranged transistor Q3, by means of which an additionally usable Unloading passage is created. Alternatively or in addition to When Q2 is switched on, the discharging process can also be carried out Switching on of Q3 (eg, for faster unloading to achieve the piezoelectric actuator P). In the example shown is the Transistor a shunt resistor Rs3 connected in series, which Advantageously limits the maximum discharge current.

Eine Besonderheit der dargestellten, mittels Q3 und Rs3 realisierten Entladepassage besteht darin, dass die Ansteuerung des Transistors Q3 nicht durch direktes Anlegen eines von der Einrichtung ST bereitgestellten Steuersignals q3 an den Steuereingang (hier: Gate) des Transistors Q3 bewerkstelligt wird, sondern mittels eines Operationsverstärkers OPAMP eine Entladestromregelung realisiert ist, bei welcher ein Spannungswert des Steuersignals q3 eine Vorgabe für den einzustellenden Entladestrom darstellt. Zu diesem Zweck wird das Signal q3 an einem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPAMP angelegt, von welchem ein invertierender Eingang mit dem Source-Anschluss von Q3 verbunden ist und ein Ausgangsanschluss mit dem Gate-Anschluss von Q3 verbunden ist. Außerdem ist der Source-Anschluss von Q3 nicht direkt sondern über den erwähnten Shuntwiderstand Rs3 mit dem Verbindungspfad von E1 nach A1 verbunden. Durch diese Maßnahmen stellt sich ein durch Q3 und Rs3 fließender Entladestrom in Abhängigkeit vom Steuersignal q3 ein.A Special feature of the illustrated, realized by means of Q3 and Rs3 Discharge passage is that the driving of the transistor Q3 not by directly applying one provided by the device ST Control signal q3 to the control input (here: gate) of the transistor Q3 is accomplished, but by means of an operational amplifier OPAMP a discharge current control is realized in which a voltage value of the control signal q3 represents a default for the discharge current to be set. For this purpose, the signal q3 is applied to a non-inverting Input of the operational amplifier OPAMP applied, of which an inverting input to the source terminal from Q3 and an output terminal to the gate terminal connected by Q3. Furthermore Q3 is not directly connected to the source terminal but via the mentioned Shunt resistor Rs3 connected to the connection path from E1 to A1. Through these measures a discharge current flowing through Q3 and Rs3 is dependent from the control signal q3.

Bei der Schaltungsanordnung 10a könnte auch die am Shuntwiderstand Rs3 abfallende Spannung bei der Ansteuerung berücksichtigt werden (z. B. alternativ oder zusätzlich zur Spannung Us2).In the circuit arrangement 10a The voltage dropping at the shunt resistor Rs3 could also be taken into account during the activation (for example as an alternative or in addition to the voltage Us2).

Eine zusätzliche Entladepassage (Q3) wie vorstehend für die Schaltungsanordnung 10a von 2 beschrieben, und deren Modifikationen bzw. Besonderheiten (Rs3, OPAMP, Nutzung der an Rs3 abfallenden Spannung), kann auch bei der oben beschriebenen Schaltungsanordnung 10 vorgesehen sein.An additional discharge passage (Q3) as above for the circuitry 10a from 2 and their modifications or peculiarities (Rs3, OPAMP, use of the voltage dropping across Rs3) can also be described in the circuit arrangement described above 10 be provided.

Zusammenfassend sind mit den beschriebenen Schaltungsanordnungen 10 und 10a jeweils einfach aufgebaute und somit kostengünstige Endstufen zur Ansteuerung eines Piezoaktors geschaffen. Die Schaltungsanordnungen sind nur einstufig und es ist kein nachgeschalteter Linearregler erforderlich. Es können prinzipiell beliebige Ausgangsspannungen und Eingangsspannungen eingestellt werden. Durch die kapazitive bzw. induktive Entkopplung zwischen Versorgungsseite und Ausgangsseite kann sichergestellt werden, dass in einem Fehlerfall kein hoher Strom oder eine hohe Spannung am Ausgang herrschen. Außerdem kann die in der Last gespeicherte Energie beim Entladen der Last zumindest teilweise wieder zurückgewonnen werden.In summary, with the described circuit arrangements 10 and 10a each created simple and therefore cost-effective power amplifiers for controlling a piezoelectric actuator. The circuit arrangements are only single-stage and there is no downstream linear regulator required. In principle, any output voltages and input voltages can be set. Due to the capacitive or inductive decoupling between the supply side and the output side, it can be ensured that, in the event of a fault, there is no high current or high voltage at the output. In addition, the energy stored in the load can be at least partially recovered when unloading the load.

Claims

Circuit arrangement for operating a capacitive load (P), comprising - a first supply terminal (E1) and a second supply terminal (E2) for applying a first supply potential (GND) or a second supply potential (VBAT), - a first output terminal (A1) and a second output terminal (A2) for connecting the load (P), the first output terminal (A1) being connected to the first supply terminal (E1), a capacitor arranged between a first circuit node (K1) and a second circuit node (K2) ( C), - a first inductance (L1) arranged between the second supply terminal (E2) and the first circuit node (K1), - a first controllable switch (Q1) arranged between the first circuit node (K1) and the first supply terminal (E1), A second inductance (L2) arranged between the second circuit node (K2) and the first supply terminal (E1), a second controllable switch (Q2) arranged between the second circuit node (K2) and the second output terminal (A2), and Control device (ST) for providing control signals (q1, q2) for driving the two switches (Q1, Q2).

Circuit arrangement ( 10a ) for operating a capacitive load (P), comprising - a first supply terminal (E1) and a second supply terminal (E2) for applying a first supply potential (GND) or a second supply potential (VBAT), - a first output terminal (A1) and a second output terminal (A2) for connecting the load (P), wherein the first output terminal (A1) is connected to the first supply terminal (E1), - a series circuit arranged between the first supply terminal (E1) and the second supply terminal (E2) a first inductance (L1) and a first controllable switch (Q1), a second inductance (L2) inductively coupled to the first inductance (L1), connected on the one hand to the first supply terminal (E1) and, on the other hand, via a second controllable switch (Q2 ) is connected to the second output terminal (A2), and - a control device (ST) for providing control signals (q1, q2 ) for controlling the two switches (Q1, Q2).

Circuit arrangement according to claim 2, further comprising one between the first supply terminal (E1) and the second Supply connection (E2) arranged capacitor (C).

Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, where the two supply potentials (GND, VBAT) from a battery to be provided.

Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, wherein the circuit components are designed so that one Supply voltage exceeding (VBAT-GND) Output voltage can be achieved.

Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, wherein the first controllable switch (Q1) and / or the second controllable switch (Q2) is designed as a transistor, in particular FET.

Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, wherein means (Rs1) for measuring the first switch (Q1) flowing stream and / or means (Rs2) for measuring the current flowing through the load (P) are provided.

Circuit arrangement according to one of the preceding Claims, further comprising one between the second output terminal (A2) and the first output terminal (A1) arranged transistor (Q3).

Circuit arrangement according to claim 8, wherein means (OPAMP, Rs3) for the regulated setting of a current flowing through the transistor (Q3) are provided.

Use of a circuit arrangement ( 10 . 10a ) according to one of the preceding claims for driving a piezoelectric actuator.