DE19836561A1 - Piezo-transformer operating method e.g. for emissions control of internal combustion engine - Google Patents
Piezo-transformer operating method e.g. for emissions control of internal combustion engineInfo
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Abstract
Ein Piezo-Transformator wird angesteuert, indem ein Piezo-Transformator (1) durch mindestens ein elektrisches, zeitlich periodisches Eingangssignal (U¶prim¶) mit mindestens einer Frequenz jeweils entsprechend einer longitudinalen mechanischen Resonanz eines im Piezo-Transformator (1) enthaltenen Vielschicht-Piezoaktors (11) angeregt wird.A piezo transformer is actuated by a piezo transformer (1) using at least one electrical, time-periodic input signal (U¶prim¶) with at least one frequency, each corresponding to a longitudinal mechanical resonance of a multilayered component contained in the piezo transformer (1). Piezo actuator (11) is excited.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Transformators, der auf der Basis eines piezoelektrischen Wirkprinzips arbeitet.The invention relates to an apparatus and a method for Control of a transformer based on a piezoelectric principle works.
Beispielsweise im Hinblick auf einen minimalen Schadstoffaus stoß eines Motors ist eine möglichst gute Verbrennung des in den Brennraum gelangenden Benzin-Luft-Gemisches notwendig. Zur Optimierung einer solchen Verbrennung wird die Forderung nach Zündspannungen zur Zündung des Gemisches in einem Be reich von 40 kV gestellt.For example with a view to minimizing pollutants thrust of an engine is the best possible combustion of the in gasoline-air mixture entering the combustion chamber is necessary. The requirement is to optimize such a combustion after ignition voltages to ignite the mixture in a Be range of 40 kV.
Eine so hohe Zündspannung ist mit einer herkömmlichen Spule auf der Basis einer Magnetspule nur bei einem inakzeptabel großen Bauvolumen und entsprechend hohen Kosten erreichbar. Zudem ist wegen der relativ hohen Induktivität einer Magnet spule eine Mehrfachzündung nicht realisierbar.Such a high ignition voltage is with a conventional coil based on a solenoid only unacceptable large construction volume and correspondingly high costs achievable. It is also a magnet because of the relatively high inductance Coil multiple ignition is not possible.
Alternativ ist die Verwendung eines piezoelektrischen Span nungstransformators auf der Basis eines Vielschicht-Piezoak tors denkbar. Dieser Piezo-Transformator verhält sich weitge hend linear, d. h., daß primärseitig ein Spannungssignal ein geprägt wird, welches proportional dem gewünschten Span nungsimpuls ist.Alternatively, the use of a piezoelectric chip voltage transformer based on a multi-layer piezo actuator tors conceivable. This piezo transformer behaves widely linear, d. that is, a voltage signal on the primary side which is proportional to the desired chip is impulse.
Ein Problem bei der Verwendung eines Piezo-Transformators ist, daß im Augenblick der Zündung der Zündkerze die Sekun därseite des Piezo-Transformators schlagartig entladen wird. Zur sekundärseitigen Wiederaufladung der Spannung auf den ge wünschten Wert muß die primärseitige Spannung weiter erhöht werden. Hierbei gibt es eine Grenze in Bezug auf die maximale Feldstärke. Ist außerdem die Sekundärseite teilweise entla den, so kann die Primärspannung nicht ohne weiteres auf den Wert Null heruntergefahren werden, da sich sonst auf der Se kundärseite die Polarität umkehrt. Unter diesen Umständen ge staltet sich eine kontinuierliche Leistungsentnahme am Piezo- Transformator sehr schwierig, ebenso wird die Möglichkeit ei ner Mehrfachzündung erschwert.A problem when using a piezo transformer is that at the moment the spark plug is ignited, the second Där side of the piezo transformer is suddenly discharged. For secondary charging of the voltage on the ge desired value, the primary-side voltage must be increased further become. There is a limit to the maximum Field strength. The secondary side is also partially discharged the, the primary voltage cannot easily be applied to the Zero value to be shut down, otherwise the Se reverses the polarity. Under these circumstances is a continuous power draw on the piezo Transformer very difficult, as is the possibility Multiple ignition difficult.
Allgemein besteht der Bedarf an einer Steuerung eines Piezo- Transformators zum schnellen und steuerbaren Abgriff einer hohen Leistung.In general, there is a need to control a piezo Transformers for quick and controllable tapping high performance.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine opti mierte Möglichkeit zur Ansteuerung eines Piezo-Transformators bereit zustellen.The object of the present invention is to opti The possibility to control a piezo transformer ready to deliver.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12.The solution to this problem is the characteristics of Claims 1 and 12.
Die Idee der Erfindung basiert auf der Tatsache, daß die Energieübertragung auf ein zu mechanischen Schwingungen fähi ges System dann maximal wird, wenn die Frequenz einer äuße ren, zeitlich periodischen Anregung gleich einer der mechani schen Resonanzfrequenzen des Systems ist.The idea of the invention is based on the fact that the Energy transfer to a capable of mechanical vibrations system becomes maximal when the frequency of an external Ren, temporally periodic excitation equal to one of the mechani the system's resonance frequencies.
Bei einem piezoelektrischen Element kann eine solche äußere Anregung auch elektrisch erfolgen. Bei einem Piezo-Transfor mator, beispielsweise einem eingespannten Vielschicht-Piezo aktor, wird der Piezo-Längseffekt (d33-Effekt) ausgenutzt, so daß eine elektrische Anregung, beispielsweise eine Spannung, in der Hauptsache eine Längsdehnung (in 3-Richtung) des Piezo-Aktors verursacht. Dabei ist der Effekt einer Querkon traktion vernachlässigbar.In the case of a piezoelectric element, such external excitation can also take place electrically. In a piezo transformer, for example a clamped multilayer piezo actuator, the piezo longitudinal effect (d 33 effect) is used, so that an electrical excitation, for example a voltage, mainly a longitudinal extension (in the 3 direction) Piezo actuator caused. The effect of a cross contraction is negligible.
Dementsprechend erzeugt eine elektrische Wechselspannung in einem solchen Vielschicht-Piezoaktor ein elektrisches Wech selfeld, durch das periodisch Dehnungen in denjenigen Berei chen des Piezoaktors erzeugt wird, die diesen elektrischen Spannungs- oder Feldänderungen unterworfen sind. Die periodi schen Dehnungen breiten sich in Längsrichtung im gesamten Piezoaktor aus, d. h. daß eine von außen angelegte Wechsel spannung eine laufende mechanische Welle im Piezoaktor verur sacht. Wird nun der Piezoaktor elektrisch mit einer Frequenz angeregt, die einer seiner longitudinalen mechanischen Reso nanzen entspricht, so ist die Einkoppelung elektrischer Ener gie in dieses elektrisch-mechanische System maximal. Durch eine solche maximale Einkoppelung ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß auch eine hohe Energie aus dem Piezo-Trans formator abgreifbar ist. Eine solche hohe Energiebereitstel lung ist beispielsweise bei einer Ansteuerung einer Zündkerze im 40-kV-Bereich notwendig.Accordingly, an electrical AC voltage in generates such a multilayer piezo actuator an electrical change selfeld, through which periodic stretching in those areas Chen of the piezo actuator is generated, this electrical Are subject to changes in voltage or field. The periodi Elongations spread in the longitudinal direction throughout Piezo actuator off, d. H. that an outside change voltage causes a running mechanical shaft in the piezo actuator gently. Now the piezo actuator becomes electrical with one frequency excited one of its longitudinal mechanical reso nances corresponds to the coupling of electrical energy maximum in this electrical-mechanical system. Such a maximum coupling continues to result the advantage that a high energy from the piezo trans formator can be tapped. Such a high energy supply for example, when a spark plug is actuated necessary in the 40 kV range.
Auch ist mit der vorliegenden Erfindung der Vorteil einer gut steuerbaren Leistungsabgabe realisierbar.The advantage of the present invention is also good controllable power output realizable.
Zur verbesserten Nutzung des Piezo-Transformators bei einer kurzfristigen und hohen Energieabgabe an einen Verbraucher ist es vorteilhaft, wenn das den Piezo-Transformator ansteu ernde Eingangssignal zeitlich begrenzt ist.For improved use of the piezo transformer in a short-term and high energy output to a consumer it is advantageous if this controls the piezo transformer the input signal is limited in time.
Es ist dazu weiterhin von Vorteil, wenn das zeitlich be grenzte Eingangssignal aus einer Überlagerung mehrerer peri odischer Frequenzen besteht, die jeweils einer Resonanzfre quenz des Piezoaktors entsprechen. Dadurch wird eine gleich förmigere Spannungsverteilung am Piezoaktor erreicht.It is also advantageous if this is timed limited input signal from a superposition of several peri odic frequencies, each with a resonance frequency sequence of the piezo actuator. This makes one the same Shaped voltage distribution achieved on the piezo actuator.
Das Eingangssignal kann mittels eines Frequenzgenerators und eines diesem nachgeschalteten Verstärkers erzeugt werden. Der Verbraucher ist in den sekundären Stromkreis eingebracht. Es ist zum Ausgleich einer Dämpfung des Ausgangssignals am Piezo-Transformator vorteilhaft, wenn im sekundären Strom kreis ein Mittel zur Strommessung eingebracht ist, dessen Meßsignal vom Verstärker zur Korrektur seines vom ihm ausge gebenen Frequenzspektrums verwendet wird.The input signal can be by means of a frequency generator and of an amplifier connected downstream of this. The Consumer is inserted in the secondary circuit. It is to compensate for an attenuation of the output signal on Piezo transformer advantageous when in secondary current a means for measuring the current is introduced, the Measurement signal from the amplifier to correct its from him given frequency spectrum is used.
Das Vorhandensein einer auf das Null-Potential geschalteten Diode im sekundären Stromkreis ist bevorzugt, weil dann das elektrische Feld im Sekundärteil des Piezoaktors keine nega tive Polarität annimmt.The presence of one switched to zero potential Diode in the secondary circuit is preferred because then that electrical field in the secondary part of the piezo actuator no nega tive polarity assumes.
Eine Verwendung eines keramischen oder keramikähnlichen Pie zoaktors ist beispielsweise vorteilhaft zur Verwendung bei einer hohen Temperatur, insbesondere in unmittelbarer Nähe einer Zündkerze.A use of a ceramic or ceramic-like pie zoaktors, for example, is advantageous for use with a high temperature, especially in the immediate vicinity a spark plug.
Aus energetischen Gründen ist die Ansteuerung des Piezo- Transformators besonders vorteilhaft durch die Verwendung ei nes elektrischen Schwingkreises.For energetic reasons, the control of the piezo Transformers particularly advantageous through the use of egg electrical circuit.
Es können auch mehrere, miteinander verschaltete Piezo-Trans formatoren angesteuert werden.It is also possible to connect several Piezo-Trans formators can be controlled.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Ansteuerung eines Piezo-Transformators schematisch näher beschrieben.In the following exemplary embodiments, the control of a piezo transformer described schematically in more detail.
Fig. 1 zeigt das Wirkprinzip einer resonanten Einkoppelung eines elektrischen Signals in einen Piezo- Transformator, Fig. 1 shows the operating principle of a resonant incoupling shows an electrical signal to a piezoelectric transformer,
Fig. 2a und 2b zeigen mögliche, den Piezo-Transformator an steuernde, elektrische Signalformen, FIGS. 2a and 2b show possible, the piezoelectric transformer to be controlled, electric waveforms,
Fig. 3a zeigt eine Vorrichtung zur Ansteuerung des Piezo- Transformators, Fig. 3a shows a device for driving the piezoelectric transformer,
Fig. 3b zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Ansteuerung eines Piezo-Transformators. FIG. 3b shows a further embodiment of a drive of a piezo-transformer.
In Fig. 1 ist in Schnittdarstellung als Seitenansicht ein Piezo-Transformator 1 dargestellt, der aus einem in einem Joch 2 fest eingespannten Vielschicht-Piezoaktor 11 aufgebaut ist. Der Vielschicht-Piezoaktor 11 ist mit Hilfe mehrerer aufeinander angeordneter Primärbereiche P (hell) und Sekun därbereiche (dunkel) aufgebaut. Primärbereich P und Sekun därbereich müssen nicht notwendigerweise gleich lang sein.In Fig. 1, a piezoelectric transformer 1 is shown in sectional view in side elevation, which is made up of a fixedly clamped in a yoke 2 multilayer piezoelectric actuator. 11 The multilayer piezo actuator 11 is constructed with the aid of a plurality of primary regions P (light) and secondary regions (dark) arranged one on top of the other. The primary region P and the secondary region do not necessarily have to be of the same length.
Im folgenden bezeichnet "Primärkreis" bzw. "primärer Strom kreis" den elektrischen Stromkreis, über den der Piezo-Trans formator 1 angesteuert wird.In the following, "primary circuit" or "primary circuit" denotes the electrical circuit via which the piezo transformer 1 is driven.
Entsprechend bezeichnet "Sekundärkreis" bzw. "sekundärer Stromkreis" denjenigen Stromkreis, der über das am Sekundär bereich S des Piezoaktors 11 abgegriffene Stromsignal betrie ben wird. Correspondingly, “secondary circuit” or “secondary circuit” denotes that circuit which is operated via the current signal tapped at the secondary region S of the piezo actuator 11 .
Die elektrischen Anschlüsse und Kontaktelektroden sind zur vereinfachten Darstellung nicht abgebildet. Analog sind die Bezeichnungen "primärseitig" bzw. "sekundärseitig" auf in den jeweiligen Stromkreisen befindli che Elemente anzuwenden.The electrical connections and contact electrodes are for simplified representation not shown. Analogously, the designations "primary side" or "secondary side" on the respective circuits che elements to apply.
An den Piezo-Transformators 1 bzw. die mit P bezeichneten Primärbereiche des Vielschicht-Piezoaktors 11 wird ein elek trisches, zeitlich periodisches Eingangssignal Uprim ange legt. Dadurch wird eine entsprechende Dehnung in Längsrich tung erzeugt. Durch die Einspannung werden die mit S bezeich neten Sekundärbereiche entsprechende den Primärbereichen P entgegengesetzt gedehnt bzw. gestaucht. Dadurch läßt sich am Sekundärbereich S des Piezo-Transformators 1 ein dem Ein gangssignal Uprim weitgehend proportionales elektrisches Signal Usec abgreifen.At the piezo transformer 1 or the designated primary areas of the multi-layer piezo actuator 11 , an electrical, time-periodic input signal U prim is applied. A corresponding elongation is generated in the longitudinal direction. By clamping the secondary areas designated with S corresponding to the primary areas P are stretched or compressed in the opposite direction. This makes it possible to tap an electrical signal Usec which is largely proportional to the input signal Uprim at the secondary region S of the piezo transformer 1 .
Es ist zweckmäßig, die Primärbereiche P und Sekundärbereiche S des Vielschicht-Piezoaktors 11 aufeinander anzuordnen, weil sich auch diese Art eine stehende mechanische Welle am ein fachsten ausbildet. Auch ist es günstig, aber nicht zum Be trieb notwendig, alle Primärbereiche P bzw. Sekundärbereiche S zur Spannungstransformation zu verwenden.It is expedient to arrange the primary regions P and secondary regions S of the multilayer piezo actuator 11 one on top of the other because this type of a standing mechanical wave is most easily formed. It is also inexpensive, but not necessary for operation, to use all primary areas P or secondary areas S for voltage transformation.
Falls die Frequenz des Eingangssignals Uprim einer mechani schen Resonanzfrequenz in Längsrichtung des Vielschicht-Pie zoaktors 11 entspricht, so bildet sich in diesem eine ste hende mechanische Welle aus.If the frequency of the input signal Uprim corresponds to a mechanical resonance frequency in the longitudinal direction of the multilayer piezo actuator 11 , then a standing mechanical wave is formed in it.
Falls typischerweise der Piezoaktor 11 aus einem einzigen piezoelektrischen Material besteht, ist es für die mechani sche Welle unbedeutend, ob ein Bereich des Piezoaktors 11 elektrisch Primär- oder Sekundärteil ist.If the piezo actuator 11 typically consists of a single piezoelectric material, it is irrelevant for the mechanical shaft whether an area of the piezo actuator 11 is electrically primary or secondary part.
Falls Primärbereich P und Sekundärbereich S gleich lang sind, wird eine sich longitudinal (d. h. hier in Polarisationsrich tung) durch den Piezoaktor 11 fortpflanzende mechanische Welle in beiden Bereichen Verdichtungen und Expansionen glei cher Größe hervorrufen. If the primary region P and the secondary region S are of equal length, a mechanical wave propagating longitudinally (ie here in the direction of polarization) through the piezo actuator 11 will cause compression and expansion of the same size in both regions.
Wird also primärseitig mit einer sinusförmigen Eingangsspan nung Uprim angeregt, so verhalten sich die Amplituden U0,prim bzw. U0,sec der Primärspannung Uprim bzw. der Sekundärspannung Usec nach der Beziehung U0,sec/U0,prim= d2/d1, wobei d1 bzw. d2 die Schichtdicke einer piezoelektrischen Einzelschicht des Primärbereichs P bzw. Sekundärbereichs S darstellt.Thus, if excitation is initiated on the primary side with a sinusoidal input voltage Uprim, the amplitudes U 0, prim and U 0, sec of the primary voltage Uprim and the secondary voltage Usec behave according to the relationship U 0, sec / U 0, prim = d 2 / d 1 , where d 1 or d 2 represents the layer thickness of a piezoelectric single layer of the primary region P or secondary region S.
Wird der Piezo-Transformator 1 also kontinuierlich betrieben, d. h. mit einer dauerhaft anliegenden, sinusförmigen Eingangs spannung Uprim, so ist sekundärseitig auch kontinuierlich eine entsprechend der obigen Gleichung genügende Wechselspan nung abgreifbar.If the piezo transformer 1 is operated continuously, ie with a permanently applied sinusoidal input voltage Uprim, then a sufficient alternating voltage corresponding to the above equation can also be tapped on the secondary side.
Wird ein Piezo-Transformator 1 nun statt einer Zündspule bei spielsweise dazu verwendet, eine Zündkerze 51 zu betreiben, so ist diese Situation in zweifacher Hinsicht verschieden von einer kontinuierlichen Energieentnahme.If a piezo transformer 1 is now used instead of an ignition coil, for example, to operate a spark plug 51 , this situation is different in two respects from a continuous energy extraction.
Zum einen benötigt eine Zündkerze 51 zur Einleitung eines Verbrennungsvorgangs nur über einen vergleichsweise kurzen Zeitraum elektrische Energie.On the one hand, a spark plug 51 only requires electrical energy to initiate a combustion process over a comparatively short period of time.
Zum anderen stellt die Zeitspanne, in der der Funkenüber schlag an der Zündkerze 51 erfolgt, für den Piezo-Transforma tor 1 eine signifikant veränderte Situation dar: ist nämlich bis zum Erreichen der für einen Funkenüberschlag notwendigen Feldstärke der Piezo-Transformator 1 völlig unbelastet, so wird dem Sekundärbereich S während des Zeitraums, in dem der Überschlag erfolgt, ein erheblicher Prozentsatz der in ihm kapazitiv gespeicherten Energie entnommen. Von der mechani schen Seite aus betrachtet wirkt der Funkenüberschlag einer seits wie eine starke mechanische Dämpfung und andererseits wie eine Nichtlinearität des Systems. Zum einen reduziert sich dadurch gegenüber dem unbelasteten Fall die Amplitude der mechanischen Anregung, zum anderen wird die Lage der me chanischen Resonanzfrequenz aufgrund der Dämpfung um einen gewissen Betrag zu einer niedrigeren Frequenz hin verschoben. Darüber hinaus bedingt das nichtlineare Verhalten die Ent stehung von Partialwellen. On the other hand, the time span in which the sparkover occurs at the spark plug 51 represents a significantly changed situation for the piezo transformer 1 : namely, until the field strength required for a sparkover is reached, the piezo transformer 1 is completely unloaded, so a considerable percentage of the energy stored capacitively in it is taken from the secondary region S during the period in which the rollover takes place. From a mechanical point of view, the sparkover looks like strong mechanical damping on the one hand and like a non-linearity of the system on the other. On the one hand this reduces the amplitude of the mechanical excitation compared to the unloaded case, on the other hand the position of the mechanical resonance frequency is shifted by a certain amount due to the damping to a lower frequency. In addition, the non-linear behavior causes the development of partial waves.
Diese gegenüber einer kontinuierlichen Betriebsweise verän derten Randbedingungen beim Betrieb einer Zündkerze 51 muß die primärseitige Anregung des Piezo-Transformators 1 Rech nung tragen.This compared to a continuous mode of operation changed boundary conditions when operating a spark plug 51 must take the primary-side excitation of the piezo transformer 1 account.
In Fig. 2a ist die Form eines möglichen Spannungssignals Uprim zur Ansteuerung des Piezo-Transformators 1 als Auftra gung einer Spannung gegen die Zeit dargestellt.In Fig. 2a, the form of a possible voltage signal Uprim for driving the piezo transformer 1 is shown as a plotting a voltage against time.
Weil die Zündkerze 51 nur über einen kurzen, von der Motor steuerung vorgegebenen Zeitpunkt Energie benötigt, ist es un nötig und der Funktion sogar abträglich, kontinuierlich elek trische Energie in den Piezo-Transformator 1 einzuprägen. Zum einen wird dadurch für die Umladung des Piezo-Aktors 11 bzw. zur Kompensation von dielektrischen und ohmschen Verlusten der Piezoaktor unnötig erwärmt. Zum anderen werden auch Fun kenüberschläge zu Zeiten erzeugt, in denen diese unerwünscht sind.Because the spark plug 51 requires energy only over a short time specified by the engine control, it is unnecessary and even detrimental to the function to impress electrical energy continuously into the piezo transformer 1 . On the one hand, this heats up the piezo actuator unnecessarily for the recharging of the piezo actuator 11 or for compensation of dielectric and ohmic losses. On the other hand, spark flashes are also generated at times when these are undesirable.
Deshalb ist es sinnvoll, das Spannungssignal in Form eines zeitlich begrenzten Eingangssignals Uprim in den Piezo-Trans formator 1 einzuprägen. In dem hier dargestellten einfachsten Fall besteht das Eingangssignal Uprim aus mehreren Perioden einer sinusförmigen Spannung. Diese Spannung besitzt einen maximalen Amplitudenwert Umax. Die Polarität des Eingangs signals Uprim ist positiv.Therefore, it makes sense to impress the voltage signal in the form of a time-limited input signal Uprim in the piezo transformer 1 . In the simplest case shown here, the input signal Uprim consists of several periods of a sinusoidal voltage. This voltage has a maximum amplitude value U max . The polarity of the input signal Uprim is positive.
Durch diese Anregung mit nur einer Frequenz ist die Span nungsverteilung in Achsenrichtung (d. h. der Polarisations richtung) des Piezoaktors 11 der Wellennatur des Energie transportes zufolge ebenfalls periodisch. Wünschenswerter ist allerdings eine möglichst gleichförmige Spannungsverteilung über die unter Umständen elektrisch parallel geschalteten piezoelektrischen Einzelschichten des Sekundärbereich S.Due to this excitation with only one frequency, the voltage distribution in the axial direction (ie the direction of polarization) of the piezo actuator 11 of the wave nature of the energy transport is also periodic. What is more desirable, however, is a voltage distribution that is as uniform as possible over the piezoelectric individual layers of the secondary region S that may be electrically connected in parallel.
In Fig. 2b ist eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung des Eingangssignals Uprim aufgetragen. Wie in Fig. 2a be sitzt das Spannungssignal eine positive Polarität und eine maximale Amplitude Umax. Allerdings sind nun mehrere sinus förmige Frequenzen überlagert, so daß der Piezoaktor 11 zu gleich auf mehreren Resonanzfrequenzen angeregt wird. Dies ist für einen Vielschicht-Piezoaktor 11 vorteilhaft, weil nun eine gleichförmigere Spannungsverteilung an den pie zoelektrischen Einzelschichten erreicht wird.A further possibility for designing the input signal Uprim is plotted in FIG. 2b. As in Fig. 2a be the voltage signal has a positive polarity and a maximum amplitude U max . However, several sinusoidal frequencies are now superimposed, so that the piezo actuator 11 is excited at the same time on several resonance frequencies. This is advantageous for a multi-layer piezo actuator 11 because now a more uniform voltage distribution is achieved on the piezoelectric individual layers.
Eine unter Last auftretende Dämpfung des Ausgangssignals Usec kann bis zu einem gewissen Grad durch eine Erhöhung der Ein gangsspannung Uprim ausgeglichen werden.An attenuation of the output signal Usec occurring under load can to some extent by increasing the A output voltage Uprim can be compensated.
Fig. 3a zeigt eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Zünd kerze 51 mittels eines Piezo-Transformators 1. Fig. 3a shows a device for controlling an ignition candle 51 by means of a piezo-transformer 1.
Dabei wird von einem Signalgenerator 3 ein zeitlich begrenz tes und periodisches elektrisches Signal erzeugt, dessen Fre quenz bzw. Wellenform so angepaßt ist, daß es zu jedem Zeit punkt Frequenz einer oder mehrerer mechanischer Resonanzen des Piezoaktors 11 des Piezo-Transformators 1 entspricht.In this case, a signal generator 3 generates a time-limited and periodic electrical signal, the frequency or waveform of which is adapted so that it corresponds to the frequency of one or more mechanical resonances of the piezo actuator 11 of the piezo transformer 1 at any time.
Dieses Signal wird durch einen Verstärker 4 verstärkt und steuert als Eingangsspannung Uprim den Piezo-Transformator 1. Vom Piezo-Transformator 1 wird ein Ausgangssignal Usec ausge geben. Über das Ausgangssignal Usec wird ein Verbraucher 5, hier eine Zündkerze 51, angesteuert.This signal is amplified by an amplifier 4 and controls the piezo transformer 1 as the input voltage Uprim. An output signal Usec is output by the piezo transformer 1 . A consumer 5 , here a spark plug 51 , is controlled via the output signal Usec.
Im Sekundärkreis ist eine auf das Null-Potential geschaltete Diode 8 vorhanden, die eine negative Polarität des elektri schen Signals im Sekundärkreis verhindert. Ein solcher Ein satz einer Diode 8 ist vorteilhaft, weil eine negative Pola rität bei Verwendung eines keramischen oder keramikähnlichen Piezoaktors 11 einen Depolarisationseffekt zur Folge hat, der die Effizienz und die Lebensdauer des keramischen Piezoaktors 11 herabsetzt. Eine solche negative Polarität tritt bei spielsweise bei fehlender Diode B auf, wenn eine schlagartige Energieentnahme, z. B. zum Zündzeitpunkt einer Zündkerze 51, zu einer erheblichen Verschiebung der Mittellage der Sekun därspannung Usec führt. Dadurch ergibt sich im Minimum der Sekundärspannung Usec eine negative Polarität.In the secondary circuit, a diode 8 connected to the zero potential is present, which prevents a negative polarity of the electrical signal in the secondary circuit. Such a use of a diode 8 is advantageous because a negative polarity when using a ceramic or ceramic-like piezo actuator 11 has a depolarization effect, which reduces the efficiency and the life of the ceramic piezo actuator 11 . Such a negative polarity occurs in the case of a missing diode B, for example, when a sudden energy withdrawal, e.g. B. at the time of ignition of a spark plug 51 leads to a considerable shift in the center position of the secondary voltage Usec. This results in a negative polarity in the minimum of the secondary voltage Usec.
Weiterhin ist im Sekundärkreis ein Mittel zur Strommessung 9 vorgesehen, dessen Meßsignal in den Verstärker 3 eingeht. Dieses Meßsignal wird zur Korrektur bzw. Optimierung des Ein gangssignals Uprim verwendet und dient der Kompensation der Frequenzverschiebung und der Partialwellen, die als Folge der schlagartigen Entladung auftreten.Furthermore, a means for current measurement 9 is provided in the secondary circuit, the measurement signal being received in the amplifier 3 . This measurement signal is used to correct or optimize the input signal Uprim and is used to compensate for the frequency shift and the partial waves that occur as a result of the sudden discharge.
Zusätzlich oder alternativ kann zur angepaßten Steuerung der Eingangsspannung Uprim das direkt am Primärbereich P des Piezo-Transformators 1 anliegende Signal verwendet werden. Beispielsweise kann das Spannungssignal Uprim am Primärteil erfaßt werden. Durch eine Entladung des Piezoaktors erzeugte Abweichungen am Signal, z. B. Oberwellen, werden ausgewertet und zur Korrektur des Eingangssignals Uprim verwendet.Additionally or alternatively, the signal applied directly to the primary region P of the piezo transformer 1 can be used for the adapted control of the input voltage Uprim. For example, the voltage signal Uprim can be detected on the primary part. Deviations in the signal generated by a discharge of the piezo actuator, e.g. B. harmonics are evaluated and used to correct the input signal Uprim.
Fig. 3c zeigt eine weitere Ausführungsform eines Systems zur Ansteuerung eines Piezo-Transformators 1. Dabei wird die Ka pazität des Primärkreises mit einer Induktivität zu einem LC- Schwingkreis so kombiniert, daß dessen Frequenz der durch eine Entladung des Piezoaktors beeinflußten Frequenz der An ordnung, der sog. Über-Alles-Frequenz, entspricht. Dazu wird mittels einer Ferrit-Spule 6, deren Induktivität durch ein statisches Magnetfeld veränderbar ist, die Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises auf elektrischem Wege ge steuert, ohne daß auf verlustbehaftete technische Mittel wie einen analogen Leistungsverstärker 3 zurückgegriffen werden muß. Die Frequenz dieses LC-Kreises wird mittels einer Feld spule 7, welche ein statisches Magnetfeld erzeugt, gesteuert. Bevorzugt entspricht die Frequenz des LC-Kreises mindestens einer mechanischen Resonanzfrequenz des Vielschicht-Piezoak tors 11. Es können auch weitere Bausteine im LC-Schwingkreis vorhanden sein. Fig. 3c shows a further embodiment of a system for driving a piezoelectric transformer 1. The capacitance of the primary circuit is combined with an inductance to form an LC resonant circuit in such a way that its frequency corresponds to the frequency influenced by a discharge of the piezo actuator, the so-called over-all frequency. For this purpose, by means of a ferrite coil 6 , the inductance of which can be changed by a static magnetic field, the resonance frequency of the electrical oscillating circuit is controlled electrically, without having to resort to lossy technical means such as an analog power amplifier 3 . The frequency of this LC circuit is controlled by means of a field coil 7 , which generates a static magnetic field. The frequency of the LC circuit preferably corresponds to at least one mechanical resonance frequency of the multilayer piezo actuator 11 . There may also be other components in the LC resonant circuit.
Claims (20)
- - dessen Frequenz mindestens einer longitudinalen mechani schen Resonanzfrequenz mindestens eines Vielschicht- Piezoaktors (11) entspricht,
- - durch das der Piezo-Transformator (1) ansteuerbar ist.
- - whose frequency corresponds to at least one longitudinal mechanical resonance frequency of at least one multilayer piezo actuator ( 11 ),
- - Through which the piezo transformer ( 1 ) can be controlled.
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