WO2009153130A1 - Circuit arrangement and method for charging a capacitive load - Google Patents
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Definitions
- Using a transistor has the advantage that it can react quickly and thus changes in the load or in the supply can be compensated quickly.
- each charging process such as Also, each discharge takes place in two temporally successive phases, namely a first and second charging phase and a first and second discharge phase.
- the load of a series connection is processing the voltage source and the capacitor to the desired final voltage ge ⁇ charged.
- the load is discharged into the capacitor part, wherein advantageously, energy is stored in this jerk Kon ⁇ capacitor.
- a power source in the context of the present invention can be very simple z. B. as a transistor (field effect transistor or bipolar transistor) may be formed, the control terminal (gate or base) is acted upon by a drive signal for determining the current flowing through the transistor current.
- a bidirectionally operable current source which is used in one direction for charging and in the other direction for discharging in the adjustment of the load current.
- a bidirectional power source can be very simple z. B. be realized using two transistors arranged parallel to each other.
- a power source provided for charging the load is arranged in the first current path and / or a current source provided for discharging the load is arranged in the second current path.
- a DC / DC converter used to generate the supply voltage can operate at about "half voltage" (compared to the desired maximum voltage at the load), which reduces the demands on the circuit components and in particular allows the use of lower maximum voltage components. For lower voltages, a larger and thus more cost-effective component offer can be used.
- a second voltage source for providing a second voltage related to the electrical ground, which is smaller than the first voltage
- control device for controlling the switch and the current adjustment, such that a) during a first charging phase of the second switch ge ⁇ closed to charge the load from the second voltage part, b) during ge ⁇ joined to a second charging phase, the first switch to further charge the load from the first voltage, c) during a first discharge phase, the second switch is closed to partially discharge the load to the second voltage, and d) during a second discharge phase, the third switch is closed, to further discharge the load into the electrical ground.
- the switches are designed as a transistor, then it is possible to use this transistor not only for switching, but also as a component of the current setting device. In other words, the transistor then forms an on and off switchable current source in the sense of the present invention, thus uniting the function of current setting and switching in itself.
- a transistor which may be formed as a switching transistor or as a switching / current setting transistor z. B. a FET, in particular MOS-FET be provided.
- the change in the voltage can be effected by means of a relatively inexpensive circuit, which successively connects different voltages to the switching node.
- the advantage of the method lies in the realization without large and expensive passive power components such as inductors and capacitors, as they are necessary in conventional, based on switching converter concepts, control stages for capacitive loads. At the same time still a citedba ⁇ rer efficiency can but achieved and the disadvantages of switching converter with EMC and controllability (energy packets of finite size) can be avoided.
- FIG. 6 shows a circuit arrangement according to a third exemplary embodiment
- 7 shows the time course of some large in the operation of the circuit arrangement of Fig. 3,
- FIG. 11 shows a fifth embodiment of a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator
- FIG. 12 the time profile of the voltages during charging of the piezoactuator in the fifth embodiment
- Figure 15 is a schematic diagram of a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator.
- switches Sl and S2 in this exemplary embodiment by switching transistors (z. B. FETs) are formed overall, whose control Connections (z. B. Gates) with the Ansteu ⁇ ersignal sl or s2 are supplied.
- the illustrated, overall trapezoidal profile of the piezo voltage Up is to be accomplished.
- the individual phases can be described as follows: During the first charging phase "a" both switches S1, S2 are open and the piezoelectric actuator P is partially charged from the supply voltage Ub. The piezo voltage Up rises continuously. The concrete course is by appropriate control of the current source CSl adjustable ⁇ bar. At the end of this phase, the piezo voltage Up has increased to the supply voltage Ub less a minimum voltage ( ⁇ Uip) necessary for the function of the current source CS1.
- Fig. 3 shows a power amplifier 100 comprising a Wegungsan- order 10 ', which may be formed for example identical to the above ⁇ be written circuitry 10 and (tig makersssei-) has correspondingly two output Connections Al and A2 (ground side).
- the output terminal Al is connected to one of the two load terminals of all the piezo actuators P1, P2, whereas the other load terminal of these piezo actuators is connected to the output terminal A2 via a respectively assigned selector switch (transistors T1, T2,) is.
- a respectively assigned selector switch transistor T1, T2,
- FIG. 4 shows a circuit arrangement (output stage) 10 for controlling a piezoactuator P of a fuel ejection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle.
- the control is carried out by charging and Entla ⁇ the capacitive load representing a piezoelectric actuator P.
- FIG. 5 shows the course of the load current. with Ip is shown.
- the charging of the piezoelectric actuator P er ⁇ follows during a period of time, which is composed of a first charging phase "a" and a directly subsequent thereto second charging phase "b".
- the discharge of the piezoelectric actuator P takes place during a period of time which is composed of a first discharge phase "c” and a second discharge phase "d".
- the first switch S1 is closed in order to continue charging the piezoelectric actuator P from the (higher) voltage Ub.
- the piezo voltage Up continues to increase, for example, up to twice the supply voltage Ub.
- the concrete course is determined again by the corresponding control of the current source CS.
- the second switch S3, S4 (strictly speaking: S3) is closed in order to partially discharge the piezoactuator P into the voltage Uh. Energy from the piezoelectric actuator P is fed back into the power supply.
- FIG. 6 shows a circuit arrangement 100 which substantially corresponds in construction and function to the circuit arrangement 10 described above. Corresponding circuit components are designated by the same reference numerals.
- the modification of the circuit arrangement 100 is that the second voltage or "auxiliary voltage" Uh is generated in a very simple manner within the circuit arrangement 100 (ultimately from the supplied first voltage Ub).
- a capacitor Ch is provided which, as shown in FIG. 6, is connected on the one hand to the voltage Ub and, on the other hand, is connected to the switch S3, S4.
- the capacitor terminal connected to S3, S4 effectively forms the source of the "second voltage" Uh.
- the voltage adjusting circuit 30 includes a battery B, a primary switch SP1, a transformer 20, a series circuit of capacitors C1, C2, C3, C4 and C5, and selector switches S1O, Sil, S12, S13 and S14.
- FIG. 9 shows the voltage curve of the voltage Uk at the switching node K over the time during charging.
- the voltage applied to the capacitor plates with the respective higher potential is referred to for the capacitors Cl, C2, C3 and C4 as UhI, Uh2, Uh3 and Ub.
- the diagram also shows the voltage Up applied across the load. Due to the Re ⁇ gelung of the charging current, this voltage has a continuous course.
- the voltage Uk must always be greater than Up, since the load from the switching node K is charged.
- a voltage measuring circuit 40 is provided which measures the voltage ⁇ Ub during the charging and discharging operations.
- Fig. 11 shows a circuit arrangement according to a fourth Ausfuh ⁇ approximate shape.
- the load P, the switching node K and the current source CSl correspond in arrangement and function to the previous figures.
- the voltage-generating circuit 30 includes a battery B, a coil L, a first switch Sl, a first diode D1, a second diode D2, a second switch S2, and a capacitor C.
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Laden einer kapazitiven LastCircuit arrangement and method for charging a capacitive load
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren Laden einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Emspritzventil einer Brennkraftmaschine .The present invention relates to a circuit arrangement and a method charging a capacitive load, in particular a piezoelectric actuator for a fuel injection valve of an internal combustion engine.
Derartige Schaltungsanordnungen und Verfahren sind beispielsweise aus der DE 199 44 733 Al, der DE 198 14 594 Al und der DE 199 52 950 Al bekannt.Such circuit arrangements and methods are known, for example, from DE 199 44 733 A1, DE 198 14 594 A1 and DE 199 52 950 A1.
Insbesondere die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgas¬ normen für Motoren haben in der Kraftfahrzeugindustrie die Entwicklung von Kraftstoffinjektoren mit schnell und verzoge- rungsfrei ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelost. Bei der praktischen Realisierung derartiger Stellglieder ha- ben sich insbesondere piezoelektrische Elemente (kurz: Piezo- aktoren) als vorteilhaft erwiesen. Derartige Piezoelemente sind üblicherweise als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwen- digen elektrischen Feldstarken erreichen zu können.In particular, the now lately strict emissions standards for engines ¬ have been drawn in the automotive industry, the development of fuel injectors with fast and free verzoge- approximately responsive actuators and actuators. In the practical implementation of such actuators, in particular piezoelectric elements (in short: piezoactuators) have proved to be advantageous. Piezoelectric elements of this type are usually composed as a stack of piezoceramic disks which are operated via an electrical parallel circuit in order to be able to achieve the electric field strengths necessary for a sufficient lift.
Beim Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur Betätigung eines Einspritzventils Verwendung findet, d. h. beim Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststromes, werden erhebliche Anforderun¬ gen an die Ansteuerelektronik gestellt. Em mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z. B. Benzin, Diesel etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr hohe Anforderungen an ern exaktes und reproduzierbares Offnen und Schließen des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektronik gestellt. So müssen dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig Laststrome zum Laden und Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden. Die Ansteu¬ erung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleichzeitig sollte wahrend dieser Ladevorgange und Entladevorgänge der Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kontrol¬ liert zugeführt werden.When driving a capacitive load such as a piezoelectric actuator, which is used to actuate an injection valve, ie when charging and discharging the capacitive load by means of an electrical load current, considerable Anforderun ¬ conditions are made to the control electronics. An injection valve actuated by means of a piezoactuator is used in internal combustion engines for injecting fuel (eg gasoline, diesel, etc.) into a combustion chamber. Here are very high Requirements for ern exact and reproducible opening and closing of the valve and thus also provided to the control electronics. Thus, voltages in the range of up to several 100 V and short-time load currents for charging and discharging of more than 10 A must be provided. The Ansteu ¬ tion is usually in fractions of milliseconds. At the same time during this charging and discharging of the precedent current and voltage should be supplied as possible kontrol ¬ lines to the actuator.
Eine Gemeinsamkeit der oben erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen und Verfahren besteht darin, dass mittels geschal¬ teter Speicheπnduktivitaten die Energie portionenweise transportiert wird. Damit sind zwar gute Wirkungsgrade er- reichbar, allerdings mit sehr großem Bauelementeaufwand. Es treten auch wesentlich höhere kurzzeitige Strome auf als der Mittelwert des in den Piezoaktor fließenden Stromes. Dies bedingt entsprechend hoch belastbare Bauelemente, beispielsweise Halbleiter-Schaltelemente, Kondensatoren und Induktivita- ten.A common feature of the known circuit arrangements and methods mentioned above is that by means of geschal ¬ Teter Speicheπnduktivitaten the energy is transported in portions. Thus, good efficiencies can be achieved, albeit with a very large component expenditure. There are also significantly higher short-term currents than the average of the current flowing in the piezoelectric actuator current. This requires correspondingly high-load components, such as semiconductor switching elements, capacitors and inductances th.
Dies erfordert vergleichsweise große Baugruppen und stellt zudem erhebliche Ansprüche an die Komponenten- als auch Pro¬ duktionstechnologien Darüber hinaus bedingt der geschaltete Betrieb der Ansteuerstufen zumeist einen hohen Aufwand für die Filterung/Unterdrückung der dabei entstehenden hochfrequenten Störungen (EMV-Problematik) .This requires comparatively large assemblies and also makes considerable demands on the component and production technologies Pro ¬ In addition, due to the switched operation of the driving stages usually a lot of effort for filtering / suppression of the resulting high-frequency interference (EMC problem).
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last aufzuzeigen, mittels welchem ein guter Wirkungsgrad bei gleichzeitig ge¬ ringem schaltungstechnischen Aufwand ermöglicht ist. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen An¬ sprüche gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteranspruchen.It is an object of the present invention to provide a way of charging and discharging a capacitive load, by means of which a good efficiency with simultaneously ge ¬ ringem circuit complexity is possible. This object is achieved by the subject matter of the independent claims to ¬. Advantageous embodiments will be apparent from the respective dependent claims.
Es wird eine Schaltungsanordnung zum Laden einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff- Einspritzventil einer Brennkraftmaschine, bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung weist einen Schaltknoten und eine in Rei¬ henschaltung mit der Last angeordnete Stromeinstelleinπch- tung zum Bestromen der Last beim Laden, auf. Der Ladestrom fließt durch den Schaltknoten. Eine Messschaltung ist zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen. Eine Steuereinrichtung dient zur Ansteuerung der Strom- einstellemrichtung, derart, dass der Strom durch die Stromstellereinrichtung mit Hilfe einer Messschaltung geregelt wird. Eine Spannungseinstellschaltung ist zum Verandern der Spannung am Schaltknoten wahrend des Ladens der kapazitiven Last vorgesehen.A circuit arrangement is provided for charging a capacitive load, in particular a piezoactuator for a fuel injection valve of an internal combustion engine. The circuit arrangement has a switching node and, disposed in Rei ¬ henschaltung with the load Stromeinstelleinπch- tung for energizing the load during charging, on. The charging current flows through the switching node. A measuring circuit is provided for measuring the current through the current setting means. A control device is used to control the current setting device, such that the current is regulated by the current controller device with the aid of a measuring circuit. A voltage setting circuit is provided for changing the voltage at the switching node during the charging of the capacitive load.
Em Ladestrom kann sowohl einen Aufladestrom als auch einen Entladestrom betreffen. Em Aufladestrom erhöht die Spannung über dem Piezoaktor, wahrend ein Entladestrom die Spannung verringert, wobei der Bezugspunkt für die Spannung die Masse ist.Em charging current can affect both a charging current and a discharge current. The charging current increases the voltage across the piezo actuator, while a discharge current decreases the voltage, the reference point for the voltage being the ground.
Bei der Regelung kann der momentane Laststrom wahrend der Aufladung bzw. Entladung gemessen und eingestellt werden. Dadurch kann die an dem Piezoaktor anliegende Spannung trotz geringem Bauteilaufwand genau eingestellt werden. Das Veran- dern der Spannung am Schaltknoten sorgt dafür, dass die Verlustleistung in der Stromeinstelleinrichtung nicht zu groß wird. Als Ersatzschaltbild für die Stromeinstelleinrichtung kann ein Widerstand verwendet werden. Wird die über diesem Widerstand abfallende Spannung zu groß, ist auch die Verlustleistung groß. Die Temperatur bzw. die Wärmeabgabe der Piezosteu- erung darf nicht zu groß werden, um Ausfalle der Piezosteue- rung oder benachbart angeordneter Steuerungen auszuschließen. Deshalb wird durch die Veränderung der Spannung am Schaltknoten der Spannungsabfall über der Stromstelleinrichtung be¬ grenzt .In the scheme, the instantaneous load current can be measured and adjusted during charging or discharging. As a result, the voltage applied to the piezoelectric actuator can be set accurately despite low component costs. The change in the voltage at the switching node ensures that the power loss in the current setting device does not become too large. As an equivalent circuit for the Stromeinstelleinrichtung a resistor can be used. If the voltage dropping above this resistance is too great, the power loss is also great. The temperature or the heat output of the piezo control must not be too great to prevent failures of the piezo control or adjacent control systems. Therefore, the voltage drop across the current setting device is limited by the change in the voltage at the switching node .
In einer Ausfuhrungsform ist die Stromstelleinrichtung als ein gesteuerter Widerstand ausgebildet, durch dessen Last¬ strecke der Ladestrom fließt. Em gesteuerter Widerstand kann sehr genau über einen großen Widerstandsbereich linear einge- stellt werden, sodass wahrend des gesamten Aufladevorgangs beziehungsweise Entladevorgangs die Ladecharakteristik einge¬ stellt werden kann.In one embodiment, the current setting device is designed as a controlled resistor, through the load ¬ stretch of the charging current flows. Em controlled resistor can be linearly einge- very accurately over a wide resistance range is such that the entire charging or discharging can be the charging characteristic is ¬ provides while.
Alternativ enthalt die Stromeinstelleinrichtung einen Tran- sistor, durch dessen Laststrecke der Ladestrom fließt. DieAlternatively, the current setting device contains a transistor, through the load path of which the charging current flows. The
Verwendung eines Transistors hat den Vorteil, dass er schnell reagieren kann und somit Änderungen in der Last oder in der Versorgung schnell ausgeglichen werden können.Using a transistor has the advantage that it can react quickly and thus changes in the load or in the supply can be compensated quickly.
Vorzugsweise wird der Strom beim Laden so angesteuert, dass der Transistor im linearen Arbeitsbereich arbeitet. Die Kennlinie eines Transistors wird in einen linearen Bereich und einen Sattigungsbereich unterteilt. Im linearen Arbeitsbereich kann der Widerstand der Laststrecke kontinuierlich ein- gestellt werden, was eine genaue Regelung des Stroms erlaubt.Preferably, the current during charging is controlled so that the transistor operates in the linear operating range. The characteristic of a transistor is divided into a linear region and a saturation region. In the linear working range, the resistance of the load path can be set continuously, which allows precise control of the current.
Vorzugsweise ist ein Sollwertgeber zum Vorgeben eines Referenzwertes für den Ladestrom durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen. Anhand eines Vergleichs des Sollwerts mit dem momentan in die Last fließenden Stroms wahrend der Aufla¬ dung bzw. Entladung, ermöglicht ein einfacher Ist- wert/Sollwert-Vergleich, ob die Stromeinsteinrichtung weiter aufgesteuert werden soll oder geschlossen werden soll. Der Referenzwert kann über die Zeit variiert werden, um bestimmte Auf- und Entladekurvenformen zu erzielen, beispielsweise zum Unterdrucken der Piezoresonanzen .Preferably, a reference value generator is provided for presetting a reference value for the charging current through the current setting device. Based on a comparison of the setpoint with the current current flowing into the load during the Aufla ¬ tion or discharge, a simple actual value / setpoint comparison allows whether the Stromeinsteinrichtung should be further controlled or closed. The reference value may be varied over time to achieve certain charging and discharging waveforms, for example, to underpress the piezo resonances.
Eine erfindungsgemaße Schaltungsanordnung gemäß einer ersten Ausfuhrungsform umfasst:An inventive circuit arrangement according to a first embodiment comprises:
- eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine e- lektπsche Masse bezogenen Versorgungsspannung,a voltage source for providing a supply voltage related to an electrical ground,
- einen zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten angeordneten Kondensator, wobei der erste Schaltungsknoten über eine Diode mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten über einen ersten Schalter mit der Spannungsquelle verbindbar ist,a capacitor arranged between a first circuit node and a second circuit node, the first circuit node being connected to the voltage source via a diode, and the second circuit node being connectable to the voltage source via a first switch,
- einen vom ersten Schaltungsknoten zu einem der Lastan- schlusse fuhrenden ersten Strompfad und einen vom zweiten Schaltungsknoten zum anderen der Lastanschlusse fuhrenden zweiten Strompfad,a first current path leading from the first circuit node to one of the load terminals and a second current path leading from the second circuit node to the other of the load terminals,
- eine in Reihenschaltung mit der Last angeordnete Stromein- stellemπchtung, über welche die Last beim Aufladen und Ent¬ laden bestromt wird, und welche eine im ersten Strompfad und/oder eine im zweiten Strompfad angeordnete Stromquelle umfasst,- which is arranged in series with the load Stromein- stellemπchtung over which the load during charging and Ent ¬ load is supplied with current, and comprising a first current path and / or arranged in the second current path current source,
- einen zweiten Schalter, über welchen der erste Strompfad mit dem zweiten Schaltungsknoten verbindbar ist, unda second switch via which the first current path can be connected to the second circuit node, and
- eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Stromeinstelleinrichtung, derart, dass a) wahrend einer ersten Aufladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last aus der Versorgungsspannung teilweise aufgeladen wird, b) wahrend einer zweiten Aufladephase der erste Schalter ge¬ schlossen und der zweite Schalter geöffnet ist und die Last aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators weiter aufgeladen wird, c) wahrend einer ersten Entladephase beide Schalter geöffnet sind und die Last in den Kondensator teilweise entladen wird, und d) wahrend einer zweiten Entladephase der erste Schalter ge¬ öffnet und der zweite Schalter geschlossen ist und die Last in die elektrische Masse weiter entladen wird.a control device for controlling the switches and the current setting device such that a) during a first charging phase both switches are open and the load is partially charged from the supply voltage, b) closed during a second charging phase, the first switch ge ¬ and the second switch is open and the load from the resulting series connection of the voltage source and the capacitor continues to be charged, c) during a first discharging phase, both switches are opened and the load in the Capacitor is partially discharged, and d) during a second discharge phase of the first switch ge ¬ opens and the second switch is closed and the load is further discharged into the electrical ground.
Eine Grundidee dieser ersten Ausfuhrungsform besteht darin, die positiven Eigenschaften einer "linearen Endstufe", d. h. einer Bestromung der kapazitiven Last aus einer einstellbaren Stromquelle, mit dem hohen Wirkungsgrad einer "geschalteten Endstufe" (z. B. Nutzung einer Induktivität als Energiespei¬ cher im Zuge einer Umschwmgfunktion, bei welcher Energieportionen transportiert werden) zu verbinden.A basic idea of this first embodiment is that the positive properties of a "linear power amplifier", ie, a current supply to the capacitive load in an adjustable current source, with the high efficiency of a "switched output stage" (z. B. use of an inductor as Energiespei ¬ cher in During a Umschwmgfunktion in which energy portions are transported) to connect.
Wie es aus dem unten noch detailliert beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel hervorgeht, ist die Verwendung einer Speicher¬ bzw. Umschwingmduktivitat entbehrlich. Dennoch ist ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, insbesondere weil ein wahrend der "ersten Entladephase" fließender Laststrom zur Ruckspeisung von elektrischer Energie in den Kondensator genutzt wird. Außerdem können Bauelemente wie der Kondensator und Halblei- ter-Schaltelemente mit geringerer Belastbarkeit ausgelegt werden. Dies deshalb, weil eine notwendige maximale Aufladespannung für den Piezoaktor durch eine Spannungswandlung (im Wesentlichen Spannungsverdopplung) mittels des Kondensators erreicht wird.As is apparent from the exemplary embodiment described below in detail yet, the use of a memory ¬ or Umschwingmduktivitat is dispensable. Nevertheless, a high degree of efficiency can be achieved, in particular because a load current flowing during the "first discharge phase" is used to feed back electrical energy into the capacitor. In addition, components such as the capacitor and semiconductor switching elements can be designed with lower load capacity. This is because a necessary maximum charging voltage for the piezoelectric actuator is achieved by voltage conversion (essentially voltage doubling) by means of the capacitor.
Bei der Realisierung der erfmdungsgemaßen Grundidee ist bei dieser Ausfuhrungsform wichtig, dass jeder Aufladevorgang wie auch jeder Entladevorgang in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen erfolgt, nämlich einer ersten und zweiten Aufladephase bzw. einer ersten und zweiten Entladephase. Wahrend der zweiten Aufladephase wird die Last aus einer Reihenschal- tung der Spannungsquelle und des Kondensators auf die ge¬ wünschte Endspannung aufgeladen. Wahrend der ersten Entladephase wird die Last in den Kondensator teilweise entladen, wobei vorteilhaft eine Energieruckspeicherung in diesen Kon¬ densator erfolgt.In the realization of erfmdungsgemaßen basic idea is important in this embodiment that each charging process such as Also, each discharge takes place in two temporally successive phases, namely a first and second charging phase and a first and second discharge phase. During the second loading phase, the load of a series connection is processing the voltage source and the capacitor to the desired final voltage ge ¬ charged. During the first discharging, the load is discharged into the capacitor part, wherein advantageously, energy is stored in this jerk Kon ¬ capacitor.
Insbesondere bei einer Anwendung im Bereich der Automobil- elektronik (z. B. zur Ansteuerung eines piezobetatigten Kraftstoff-Einspritzventils) kann die Spannungsquelle, welche die Versorgungsspannung bereitstellt, z. B. durch einen DC/DC- Spannungswandler gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung (z. B. 12 V oder 24 V) in die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung gewandelt werden.In particular, in the case of an application in the field of automotive electronics (for example, for controlling a piezo-fueled fuel injection valve), the voltage source which provides the supply voltage, for. B. be formed by a DC / DC voltage converter. For example, an on-board voltage (eg 12 V or 24 V) can thus be converted into the supply voltage of the circuit arrangement.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Versorgungsspan- nung beispielsweise großer als 50 V. Die mit der Schaltungs¬ anordnung erzeugte maximale Aufladespannung für den Piezoak- tor kann beispielsweise großer als 150 % der Versorgungsspannung sein und beispielsweise mehr als 100 V betragen. Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform weist die Stromeinstellein- πchtung eine erste Stromquelle zum Aufladen der Last und separat davon eine zweite Stromquelle zum Entladen der Last auf. Eine Separation der Stromquellen für die Auf- und Entladung hat sich insbesondere im Hinblick auf die schaltungstechnische Realisierung bzw. Einstellbarkeit der Stromquellen als vorteilhaft herausgestellt. Außerdem kann damit die imIn a preferred embodiment, the supply voltage, for example greater than 50 V. The maximum charging voltage is can tor produced with the circuit arrangement for the ¬ Piezoak- for example, greater than 150% of its supply voltage, and for example, amount to more than 100V. According to a preferred embodiment, the Stromeinstellein- πchtung on a first power source for charging the load and separately from a second power source for discharging the load. A separation of the current sources for charging and discharging has proven to be advantageous, in particular with regard to the circuitry realization or adjustability of the current sources. In addition, so that in the
Bereich der Stromeinstellung entstehende Verlustleistung vorteilhaft in zumindest zwei Zweige aufgeteilt werden. Eine Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann sehr einfach z. B. als Transistor (Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor) ausgebildet sein, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließenden Stromes beaufschlagt wird. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung einer bidirektional betreibbaren Stromquelle, die in einer Richtung zum Aufladen und in der anderen Richtung zum Entladen bei der Einstellung des Laststromes verwendet wird. Eine bidirektionale Strom- quelle kann sehr einfach z. B. unter Verwendung von zwei parallel zueinander angeordneten Transistoren realisiert werden .Area of the current setting resulting power loss can be advantageously divided into at least two branches. A power source in the context of the present invention can be very simple z. B. as a transistor (field effect transistor or bipolar transistor) may be formed, the control terminal (gate or base) is acted upon by a drive signal for determining the current flowing through the transistor current. However, it is also conceivable to use a bidirectionally operable current source, which is used in one direction for charging and in the other direction for discharging in the adjustment of the load current. A bidirectional power source can be very simple z. B. be realized using two transistors arranged parallel to each other.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist eine zum Aufladen der Last vorgesehene Stromquelle im ersten Strompfad angeordnet und/oder ist eine zum Entladen der Last vorgesehene Stromquelle im zweiten Strompfad angeordnet.According to a preferred embodiment, a power source provided for charging the load is arranged in the first current path and / or a current source provided for discharging the load is arranged in the second current path.
Bevorzugt ist wenigstens einer der Schalter, insbesondere sämtliche der Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden die Schalter (z. B. Transistoren) von einer Steuereinrichtung angesteuert, welche auch die Stromeinstelleinrichtung zur Festlegung des gelieferten Stromes ansteuert (etwa durch Ausgabe von Steuerspannungen für die betreffenden Transistoren) .Preferably, at least one of the switches, in particular all of the switches, each formed as a transistor. Preferably, the switches (eg, transistors) are driven by a control device, which also controls the current setting device for determining the supplied current (for example, by outputting control voltages for the transistors in question).
Wenn wenigstens einer der Schalter als Transistor ausgebildet ist, so kommt in Betracht, diesen Transistor nicht nur zum Schalten zu verwenden, sondern auch als eine Komponente der Stromeinstelleinrichtung. Mit anderen Worten bildet der Transistor dann eine ein- und ausschaltbare Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung, vereinigt also die Funktion der Stromeinstellung und des Schaltens in sich. Als Transistor, der als Schalttransistor oder als Schalt- /Stromeinstell-Transistor ausgebildet sein kann, kann z. B. ein FET, insbesondere MOS-FET vorgesehen sein.If at least one of the switches is designed as a transistor, then it is possible to use this transistor not only for switching, but also as a component of the current setting device. In other words, the transistor then forms an on and off switchable current source in the sense of the present invention, thus uniting the function of current setting and switching in itself. As a transistor which may be formed as a switching transistor or as a switching / Stromeinstell transistor, z. B. a FET, in particular MOS-FET be provided.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Aufladung und/oder die Entladung der Last geregelt. Beispielsweise kann der momentane Laststrom und/oder die momentan an der Last anliegende Spannung (Lastspannung) wahrend der Aufladung bzw. Entladung gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden, wobei auf Basis eines Istwert- /Sollwert- Vergleiches die Ansteuersignale für die Schalter und die Stromguelle (n) erzeugt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the charging and / or the discharge of the load is regulated. For example, the instantaneous load current and / or the current voltage applied to the load (load voltage) during charging or discharging can be measured and compared with a setpoint, based on an actual value / setpoint comparison, the control signals for the switch and the Stromguelle (n) are generated.
Durch die erste Aufladephase wird die Last bevorzugt im We- sentlichen auf die Versorgungsspannung aufgeladen. Durch die zweite Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf das Doppelte der Versorgungsspannung aufgeladen. Durch die erste Entladephase wird die Last bevorzugt im wesentlichen auf die Versorgungsspannung entladen. Durch die zweite Entladephase wird die Last bevorzugt im wesentlichen voll- standig (auf "Null" bzw. elektrische Masse) entladen. In einer Ausfuhrungsform ist vorgesehen, dass im ersten Strompfad eine Diode angeordnet ist, über welche der Laststrom wahrend der ersten Entladephase fließt. Parallel zu dieser Entladedi- ode kann eine Stromquelle zum Aufladen der Last (in umgekehrter Stromflussrichtung) vorgesehen sein.Due to the first charging phase, the load is preferably charged essentially to the supply voltage. By the second charging phase, the load is preferably charged to substantially twice the supply voltage. By the first discharge phase, the load is preferably discharged substantially to the supply voltage. Through the second discharge phase, the load is preferably discharged substantially completely (to "zero" or electrical ground). In one embodiment it is provided that in the first current path, a diode is arranged, via which the load current flows during the first discharge phase. Parallel to this discharging diode, a current source for charging the load (in the reverse current flow direction) may be provided.
Weitere Dioden können vorteilhaft in Reihenschaltung mit dem ersten Schalter und/oder mit dem zweiten Schalter angeordnet werden.Further diodes can advantageously be arranged in series with the first switch and / or with the second switch.
Die Erfindung kann vorteilhaft unter Verwendung einer einzigen Spannungsquelle (z. B. ein DC/DC-Wandler) realisiert werden, deren gelieferte Versorgungsspannung vorteilhaft auf- wartsgewandelt wird, um bei der Aufladung der Last eine etwa doppelt so große Lastspannung erreichen zu können. Hierfür wird mit dem Kondensator gewissermaßen eine "Hilfsspannungs- quelle" zur Spannungsuberhohung geschaffen, welche in der zweiten Aufladephase der eigentlichen Versorgungsspannung zugeschaltet wird.Advantageously, the invention can be realized by using a single voltage source (eg a DC / DC converter) whose supplied supply voltage is advantageous. is wartseltelt to reach about twice as large load voltage when charging the load can. For this purpose, an "auxiliary voltage source" for the purpose of voltage excitation is effectively created with the capacitor, which is switched on in the second charging phase of the actual supply voltage.
Ein zur Erzeugung der Versorgungsspannung eingesetzter DC/DC-Wandler kann auf etwa "halber Spannung" (im Vergleich zur gewünschten Maximalspannung an der Last) arbeiten, was die Anforderungen an die Schaltungskomponenten verringert und insbesondere den Einsatz von Komponenten mit niedrigerer Maximalspannung ermöglicht. Für niedrigere Spannungen ist ein größeres und somit kostengünstigeres Bauteileangebot nutzbar.A DC / DC converter used to generate the supply voltage can operate at about "half voltage" (compared to the desired maximum voltage at the load), which reduces the demands on the circuit components and in particular allows the use of lower maximum voltage components. For lower voltages, a larger and thus more cost-effective component offer can be used.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Kondensator auch als so genannte "Bootstrap"-Spannungsquelle für Ansteuereinheiten zur Ansteuerung des ersten Schalters und/oder des zweiten Schalters verwendet werden. Wegen der (im Vergleich zur maximalen Lastspannung) relativ geringen Versorgungsspannung können solche Ansteuerungsteile zur Ansteuerung der beiden Schalter mit einfachen Mitteln versorgt werden (lineare Stabilisierung) .According to a preferred embodiment of the invention, the capacitor can also be used as a so-called "bootstrap" voltage source for drive units for driving the first switch and / or the second switch. Because of the (compared to the maximum load voltage) relatively low supply voltage such control parts for driving the two switches can be supplied with simple means (linear stabilization).
Zusammenfassend kann mit der vorliegenden Erfindung eine schaltungstechnisch einfache, kompakte und verlustarme Realisierung der Auf- und Entladung einer kapazitiven Last bereitgestellt werden. Wesentlich ist die Verwendung von zwei verschiedenen Spannungen, von denen eine als Versorgungsspannung bereitgestellt wird und die andere durch einen Kondensator bereitgestellt wird und gewissermaßen als Hilfsspannung bei jeweils in zwei Phasen ablaufenden Aufladevorgangen bzw. Entladevorgängen fungiert. Eine Verwendung von "linearen Strom- quellen" ermöglicht vorteilhaft nahezu beliebige Auflade¬ bzw. Entladekurvenformen.In summary, a circuit-technically simple, compact and low-loss realization of the charging and discharging of a capacitive load can be provided with the present invention. Essential is the use of two different voltages, one of which is provided as a supply voltage and the other is provided by a capacitor and acts as a kind of auxiliary voltage in each case running in two phases charging operations or discharging. A use of "linear current swelling "advantageously allows almost any charging ¬ or Entladekurvenformen.
Die erfindungsgemaße Schaltungsanordnung gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform umfasst:The inventive circuit arrangement according to a second embodiment comprises:
- eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen ersten Spannung,a first voltage source for providing a first voltage related to an electrical ground,
- eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse bezogenen zweiten Spannung, die kleiner als die erste Spannung ist,a second voltage source for providing a second voltage related to the electrical ground, which is smaller than the first voltage,
- einen Schaltungsknoten, der über einen ersten Schalter mit der ersten Spannung, über einen zweiten Schalter mit der zweiten Spannung und über einen dritten Schalter mit der e- lektπschen Masse verbindbar ist, - eine in Reihenschaltung mit der Last angeordnete Stromem- stelleinπchtung, über welche die Last beim Aufladen und Entladen bestromt wird, unda circuit node which can be connected to the first voltage via a first switch, to the second voltage via a second switch and to the electrical potential via a third switch, a current-setting device arranged in series with the load, via which the load is charged during charging and discharging, and
- eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Stromeinstelleinrichtung, derart, dass a) wahrend einer ersten Aufladephase der zweite Schalter ge¬ schlossen ist, um die Last aus der zweiten Spannung teilweise aufzuladen, b) wahrend einer zweiten Aufladephase der erste Schalter ge¬ schlossen ist, um die Last aus der ersten Spannung weiter aufzuladen, c) wahrend einer ersten Entladephase der zweite Schalter geschlossen ist, um die Last in die zweite Spannung teilweise zu entladen, und d) wahrend einer zweiten Entladephase der dritte Schalter ge- schlössen ist, um die Last in die elektrische Masse weiter zu entladen.- a control device for controlling the switch and the current adjustment, such that a) during a first charging phase of the second switch ge ¬ closed to charge the load from the second voltage part, b) during ge ¬ joined to a second charging phase, the first switch to further charge the load from the first voltage, c) during a first discharge phase, the second switch is closed to partially discharge the load to the second voltage, and d) during a second discharge phase, the third switch is closed, to further discharge the load into the electrical ground.
Eine Grundidee der zweiten Auffuhrungsform besteht darin, die positiven Eigenschaften einer "linearen Endstufe", d.h. einer Bestromung der kapazitiven Last aus einer einstellbaren Stromquelle, mit dem hohen Wirkungsgrad einer "geschalteten Endstufe" (z. B. Nutzung einer Induktivität als Energiespeicher im Zuge einer Umschwmgfunktion, bei welcher Energiepor- tionen transportiert werden) zu verbinden.A basic idea of the second embodiment is the positive characteristics of a "linear amplifier", ie a Energizing the capacitive load from an adjustable current source to connect with the high efficiency of a "switched output stage" (eg use of an inductance as an energy storage in the course of a Umschwmgfunktion in which energy pores are transported).
Wie es aus den unten noch detailliert beschriebenen Ausfuh- rungsbeispielen hervorgeht, ist bei der Erfindung die Verwen¬ dung einer Speicher- bzw. Umschwinginduktivitat entbehrlich. Dennoch ist ein hoher Wirkungsgrad erzielbar, insbesondere weil ein wahrend der "ersten Entladephase" fließender Laststrom zur Ruckspeisung von elektrischer Energie in die "zweite Spannungsquelle" genutzt wird und weil durch das Umschalten zwischen den beiden unterschiedlichen Spannungen die Ver- luste in der Stromemstellπchtung reduziert sind. Damit können Bauelemente wie Kondensatoren und Halblei¬ ter-Schaltelemente mit geringerer Belastbarkeit ausgelegt werden .As is apparent from the approximate examples detailed below Ausfuh- still, in the invention the USAGE ¬ dung a memory or Umschwinginduktivitat is dispensable. Nevertheless, a high degree of efficiency can be achieved, in particular because a load current flowing during the "first discharge phase" is used for the feedback of electrical energy into the "second voltage source" and because the losses in the current setting direction are reduced by the switching between the two different voltages , Thus, components such as capacitors and semicon ¬ ter switching elements can be designed with lower load capacity.
Bei der Realisierung der erfindungsgemaßen Grundidee ist von wesentlicher Bedeutung, dass jeder Aufladevorgang wie auch jeder Entladevorgang nicht aus bzw. in eine einzige Spannungsversorgung in einem kontinuierlichen Vorgang erfolgt, sondern in zwei zeitlich aufeinander folgenden Phasen. Ein Aufladen und nachfolgendes Entladen, wie es z. B. zur Ansteuerung eines piezobetatigten Kraftstoff-Emspritzventils einer Brennkraftmaschine zum Bewirken eines Einspritzvorganges er¬ forderlich ist, gliedert sich gemäß der Erfindung in eine erste Aufladephase, eine zweite Aufladephase, eine erste Ent- ladephase und eine zweite Entladephase. Gemäß einer in derIn the realization of the basic idea according to the invention, it is essential that each charging process as well as each discharging process does not take place from or into a single power supply in a continuous process, but rather in two successive phases. Charging and subsequent unloading, as z. B. for controlling a piezobetatigten fuel injection valve of an internal combustion engine for effecting an injection process is he ¬ required, is divided according to the invention in a first charging phase, a second charging phase, a first discharge and a second discharge phase. According to one in the
Praxis zumeist vorteilhaften Ausfuhrung ist vorgesehen, dass der Übergang zwischen erster und zweiter Ladephase und/oder Entladephase allmählich erfolgt, d. h. dass die betreffenden Schalter nicht abrupt ein- bzw. ausgeschaltet werden. Damit kann z. B. eine beim Schalten entstehende Verlustleistung besser verteilt werden.In practice, most advantageous execution is provided that the transition between the first and second charging phase and / or discharge takes place gradually, ie that the switches concerned are not turned on or off abruptly. In order to can z. B. a resulting power loss during switching can be better distributed.
Insbesondere bei einer Anwendung im Bereich der Automobil- elektronik (z. B. zur Ansteuerung eines piezobetatigtenParticularly in the case of an application in the field of automotive electronics (for example for the control of a piezo-actuated
Kraftstoff-Einspritzventils) können die beiden Spannungsquellen, welche die erste Spannung und die zweite Spannung bereitstellen, z. B. durch DC/DC-Spannungswandler gebildet sein. Beispielsweise kann damit eine Bordspannung (z. B. 12 V oder 24 V) in eine oder zwei größere Spannungen gewandelt werden. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die erste Spannung beispielsweise großer als 100 V und/oder ist die zweite Spannung großer als 50 V. Die zweite Spannung kann beispielsweise kleiner als 70 %, insbesondere kleiner als 60 %, der ersten Spannung vorgesehen sein.Fuel injection valve), the two voltage sources, which provide the first voltage and the second voltage, for. B. be formed by DC / DC voltage converter. For example, an on-board voltage (eg 12 V or 24 V) can be converted into one or two higher voltages. For example, in a preferred embodiment, the first voltage is greater than 100 V and / or the second voltage is greater than 50 V. The second voltage may, for example, be less than 70%, in particular less than 60%, of the first voltage.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist vorgesehen, dass die Stromeinstellemrichtung wenigstens eine separat von den Schaltern ausgebildete Stromquelle umfasst. Eine Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung kann z. B. als Transistor (Feldeffekttransistor oder Bipolartransistor) ausgebildet sein, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit einem Ansteuersignal zur Festlegung des durch den Transistor fließen¬ den Stromes beaufschlagt wird. Es kann z. B. eine solche se- parate Stromquelle zum Aufladen wahrend der ersten und zweiten Aufladephase und eine weitere separate Stromquelle zum Entladen zumindest wahrend der ersten und ggf. auch zweiten Entladephase vorgesehen sein.According to a preferred embodiment it is provided that the Stromeinstellemrichtung comprises at least one separately formed from the switches power source. A power source in the context of the present invention may, for. B. as a transistor (field effect transistor or bipolar transistor) may be formed, the control terminal (gate or base) is acted upon by a drive signal for determining the flow through the transistor ¬ the current. It can, for. For example, such a separate power source for charging during the first and second charging phase and a further separate power source for discharging at least during the first and possibly also second discharge phase be provided.
Alternativ kann auch eine bidirektional betreibbare Stromquelle vorgesehen sein, die in einer Richtung zum Aufladen und in der anderen Richtung zum Entladen bei der Einstellung des Laststromes verwendet wird. Eine bidirektionale Stromquelle kann sehr einfach z. B. unter Verwendung von zwei pa- rallel zueinander angeordneten Transistoren realisiert werden .Alternatively, a bidirectionally operable current source may be provided which is used in one direction for charging and in the other direction for discharging in the adjustment of the load current. A bidirectional power source can be very simple z. Using two pairs of be realized parallel to each other arranged transistors.
Wenn die Stromeinstelleinrichtung wenigstens eine separat von den Schaltern ausgebildete Stromquelle umfasst, so ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Schaltungsknoten u- ber diese Stromquelle mit der Last (bzw. einem zum Anschluss der Last vorgesehenen Ausgangsanschluss der Schaltungsanord¬ nung) verbunden ist. Alternativ kann die Last (bzw. ein Aus- gangsanschluss der Schaltungsanordnung) über die Stromquelle mit der elektrischen Masse verbunden sein.When the current adjustment device comprises at least one separately formed from the switches power source, so it is provided according to a further development, is that the circuit node u- about this current source to the load (or an intended for connection to the load output terminal of the circuit arrangement), respectively. Alternatively, the load (or an output terminal of the circuit arrangement) can be connected to the electrical ground via the current source.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist wenigstens einer der Schalter, insbesondere samtliche der Schalter, jeweils als Transistor ausgebildet. Bevorzugt werden die Schalter (z. B. Transistoren) von einer Steuereinrichtung angesteuert, welche auch die Stromeinstelleinrichtung zur Festlegung des gelieferten Stromes ansteuert (etwa durch Ausgabe von Steuerspannungen für die betreffenden Transistoren) .In a preferred embodiment, at least one of the switches, in particular all the switches, each formed as a transistor. Preferably, the switches (eg, transistors) are driven by a control device, which also controls the current setting device for determining the supplied current (for example, by outputting control voltages for the transistors in question).
Wenn wenigstens einer der Schalter als Transistor ausgebildet ist, so kommt in Betracht, diesen Transistor nicht nur zum Schalten zu verwenden, sondern auch als eine Komponente der Stromeinstelleinrichtung. Mit anderen Worten bildet der Tran- sistor dann eine ein- und ausschaltbare Stromquelle im Sinne der vorliegenden Erfindung, vereinigt also die Funktion der Stromeinstellung und des Schaltens in sich. Als Transistor, der als Schalttransistor oder als Schalt-/ Stromein- stell-Transistor ausgebildet sein kann, kann z. B. ein FET, insbesondere MOS-FET vorgesehen sein.If at least one of the switches is designed as a transistor, then it is possible to use this transistor not only for switching, but also as a component of the current setting device. In other words, the transistor then forms an on and off switchable current source in the sense of the present invention, thus uniting the function of current setting and switching in itself. As a transistor which may be formed as a switching transistor or as a switching / current setting transistor, z. B. a FET, in particular MOS-FET be provided.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Aufladung und/oder die Entladung der Last geregelt. Beispielsweise kann der momentane Laststrom und/oder die momen- tan an der Last anliegende Spannung (Lastspannung) wahrend der Aufladung bzw. Entladung gemessen und mit einem Sollwert verglichen werden, wobei auf Basis eines Istwert-/Sollwert- Vergleiches die Ansteuersignale für die Schalter und die Stromquelle (n) erzeugt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the charging and / or the discharge of the load is regulated. For example, the instantaneous load current and / or the current tan applied to the load voltage (load voltage) during charging or discharging and compared with a setpoint, based on an actual value / setpoint comparison, the drive signals for the switch and the power source (s) are generated.
Durch die erste Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die zweite Spannung aufgeladen. Durch die zweite Aufladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die erste Spannung aufgeladen. Durch die erste Entladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen auf die zweite Spannung entladen. Durch die zweite Entladephase wird die Last bevorzugt im Wesentlichen vollständig (auf "Null" bzw. elektrische Masse) entladen.By the first charging phase, the load is preferably charged to substantially the second voltage. Through the second charging phase, the load is preferably charged substantially to the first voltage. By the first discharge phase, the load is preferably discharged substantially to the second voltage. By the second discharge phase, the load is preferably discharged substantially completely (to "zero" or electrical ground).
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Spannungsquelle von einem Kondensator gebildet, der beispielsweise die zweite Spannung an einem seiner Anschlüsse bereitstellen kann, wobei bevorzugt dessen anderer Anschluss mit der ersten Spannung verbunden ist.In a preferred embodiment of the invention, the second voltage source is formed by a capacitor which can provide, for example, the second voltage at one of its terminals, wherein preferably the other terminal is connected to the first voltage.
Bei dieser Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Spannung am Kondensator sich selbsttätig auf ein Gleichgewicht zwischen entnommener und ruckgespeister Energie einstellt (wobei dieses Gleichgewicht nahezu im energetischen Optimum liegen kann) .In this development, it can be provided that the voltage at the capacitor adjusts itself automatically to a balance between discharged and jerk-fed energy (whereby this equilibrium can be almost in the energetic optimum).
Vorteilhaft erübrigt sich hierbei eine aufwendigere Gestaltung der zweiten Spannungsquelle (z. B. durch einen DC/DC-Wandler) . Damit können einerseits die Kosten der schaltungstechnischen Realisierung weiter verringert werden und andererseits die Möglichkeit einer Integration wesentlicher Teile der Schaltungsanordnung bzw. Endstufe in eine die Last aufweisende Komponente (z. B. Piezoinj ektor) vereinfacht wer¬ den .Advantageously, this eliminates the need for a more complex design of the second voltage source (eg, by means of a DC / DC converter). Thus, on the one hand, the cost of circuit implementation can be further reduced and, on the other hand, the possibility of integration of essential parts of the circuit or power amplifier in a load Having component (eg Piezoinj ector) simplified ¬ who.
Zusammenfassend kann eine schaltungstechnisch einfache, kom- pakte und verlustarme Realisierung der Auf- und Entladung ei¬ ner kapazitiven Last bereitgestellt werden. Wesentlich ist die Verwendung von zwei verschiedenen Spannungen, von denen eine "zweite Spannung" gewissermaßen als Hilfsspannung bei jeweils in zwei Phasen ablaufenden Ladevorgangen bzw. Entla- devorgangen fungiert. Eine Verwendung von "linearen Stromquellen" ermöglicht vorteilhaft nahezu beliebige Auflade¬ bzw. Entladekurvenformen.In summary, a simple circuit design, compact and low-loss realization of charge and discharge ei ¬ ner capacitive load can be provided. What is essential is the use of two different voltages, of which a "second voltage" effectively acts as an auxiliary voltage for charging processes or discharging processes which take place in each case in two phases. A use of "linear current sources" advantageously permits virtually any charging ¬ or Entladekurvenformen.
Gemäß einer dritten Ausfuhrungsform weist die Schaltungsan- Ordnung eine n Vielzahl, n > 2, von Schaltern auf. Jeder dieser n Schalter ist zum Verbinden des Schaltknotens mit einer aus einer n Vielzahl von Spannungen vorgesehen ist. Es hat sich herausgestellt, dass in einigen Konstellationen die Verlustleistung über der Stromeinstelleinrichtung weiter verrin- gert werden kann, wenn der Schaltknoten wahrend des Ladens auf eine Vielzahl von Zwischenspannungen geladen wird.According to a third embodiment, the circuit arrangement has a n variety, n> 2, of switches. Each of these switches is provided for connecting the switch node to one of a plurality of voltages. It has been found that in some constellations the power dissipation across the current setting means can be further reduced if the switching node is charged to a plurality of intermediate voltages during charging.
In einer Ausfuhrungsform wird die Vielzahl von n Spannungen von einer Schaltung bereitgestellt, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren aufweist. Die Reihenschaltung von Kondensatoren ermöglicht, die n Spannungen außerhalb der Ladevorgange zu erzeugen und anschließend die Energie in den Kondensatoren zu speichern. Wahrend des Ladevorgangs können die einzelnen Spannungen auf den Schaltknoten aufgeschal- ten werden. Das Aufladen der Kondensatoren kann somit relativ langsam erfolgen, was die Anzahl bzw. die Große der notwendigen Bauelemente weiter verringert. In einer Ausfuhrungsform werden die n Spannungen jeweils von einer über einen magnetisierbaren Kern eines Übertragers gewickelten Spule versorgt. Übertrager mit magnetisierbaren Kernen ermöglichen eine Energieübertragung mit geringer Ver- lustleistung, wodurch bei relativ geringer Warmentwicklung die Energie von einer Energiequelle auf die Kondensatoren u- bertragen wird.In one embodiment, the plurality of n voltages are provided by a circuit having a plurality of capacitors connected in series. The series connection of capacitors makes it possible to generate the n voltages outside the charging process and then to store the energy in the capacitors. During the charging process, the individual voltages can be connected to the switching node. The charging of the capacitors can thus be done relatively slowly, which further reduces the number or the size of the necessary components. In one embodiment, the n voltages are each supplied by a wound over a magnetizable core of a transformer coil. Transformers with magnetizable cores enable energy transfer with low power loss, whereby energy is transferred from a power source to the capacitors with relatively little heat development.
Gemäß einer vierten Ausfuhrungsform enthalt die Schaltungsan- Ordnung einen Spannungswandler zum Erzeugen eines linearenAccording to a fourth embodiment, the circuit arrangement includes a voltage converter for generating a linear
Anstiegs der Spannung am Schaltknoten beim Aufladen der Last. Für den Anstieg der Spannung am Piezoaktor wird ein möglichst linearer Verlauf angestrebt. Steigt auch die Spannung am Schaltknoten linear an, so kann die über der Stromeinstell- emπchtung abfallende Spannung über lange Zeiträume konstant gehalten werden. Damit variiert die Verlustleistung über den Aufladevorgang nicht so stark und kann insgesamt verringert werden .Increasing the voltage at the switching node when charging the load. For the increase of the voltage at the piezoelectric actuator as linear as possible is sought. If the voltage at the switching node also increases linearly, the voltage drop across the current setting device can be kept constant over long periods of time. Thus, the power loss over the charging process does not vary so much and can be reduced overall.
Die Verlustleistung kann beim Entladen ebenso verringert werden, indem ein Spannungswandler zum Erzeugen eines linearen Abfalls der Spannung am Schaltknoten beim Entladen der Last vorgesehen wird.The power dissipation during discharge can also be reduced by providing a voltage converter for generating a linear drop in the voltage at the switching node when discharging the load.
Falls eine Spannungsmessschaltung vorgesehen ist zum Überprüfen, ob die Spannung über der Stromeinsteileinrichtung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, kann jederzeit die durch die Stromemstellemrichtung verursachte Verlustleistung abgeschätzt werden und bei Überschreiten des Schwellwer- tes die Spannung am Schaltknoten wieder angepasst werden.If a voltage measuring circuit is provided for checking whether the voltage across the current setting device exceeds a predetermined threshold value, the power loss caused by the current setting device can be estimated at any time and the voltage at the switching node can be adjusted again when the threshold value is exceeded.
Gemäß einer fünften Ausfuhrungsform ist ein Messwiderstand im Pfad der Reihenschaltung von Last und Stromstelleinrichtung zur Messung des Stroms durch die Stromemstellemrichtung vorgesehen. Der Spannungsabfall über diesen Messwiderstand kann direkt als Regelparameter für die Regelung des Stroms durch die Last verwendet werden.According to a fifth embodiment, a measuring resistor is in the path of the series connection of load and current setting device for measuring the current through the current setting device intended. The voltage drop across this measuring resistor can be used directly as a control parameter for the regulation of the current through the load.
In einer erweiterten fünften Ausfuhrungsform dient die Schaltungsanordnung auch zum Schalten mindestens einer weiteren kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors. Die Schaltungsanordnung weist eine in Reihenschaltung mit der weiteren Last angeordnete weitere Stromeinstelleinrichtung auf, über welche die weitere Last beim Laden bestromt wird, wobei der Ladestrom durch den Schaltknoten fließt.In an expanded fifth embodiment, the circuit arrangement also serves for switching at least one further capacitive load, in particular a piezoelectric actuator. The circuit arrangement has a further current setting device, which is arranged in series with the further load and via which the further load is supplied with current during charging, the charging current flowing through the switching node.
Der Messwiderstand ist so angeordnet ist, dass Ladestrome für die Last und für die weitere Last durch den Messwiderstand fließen. Damit kann der Strom für den Messwiderstand sowohl als Ruckkopplungsgroße beim Laden der Last als auch beim La¬ den der weiteren Last verwendet werden. Gegenüber einer Anordnung mit zwei Messwiderstanden hat dies den Vorteil, dass es nicht notig ist, zwei Messwiderstande zu kalibrieren. Zu- dem hilft dies auch, die Anzahl der Bauelemente weiter zu verringern .The measuring resistor is arranged so that charging currents for the load and for the additional load flow through the measuring resistor. Thus, the current for the measuring resistor can be used both as a feedback quantity when charging the load and at the La ¬ the other load. This has the advantage over an arrangement with two measuring resistors that it is not necessary to calibrate two measuring resistors. In addition, this also helps to further reduce the number of components.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Laden einer ka¬ pazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraft- stoff-Emspritzventil einer Brennkraftmaschine. Zunächst wird eine erste Spannung an einem Schaltknoten bereitgestellt. Em Ladestrom in die Last wird mit Hilfe einer Stromeinstellem- πchtung als Stellglied geregelt. Dabei ist die Stromeinstelleinrichtung in Reihe mit der Last geschaltet ist und der Ladestrom fließt durch den Schaltknoten.The invention also relates to a method for charging a ka ¬ pazitiven load, in particular a piezoelectric actuator for a fuel-injection valve of an internal combustion engine. First, a first voltage is provided at a switching node. Em charging current into the load is controlled by means of a Stromeinstellem- πchtung as an actuator. In this case, the current setting device is connected in series with the load and the charging current flows through the switching node.
Wahrend des Ladens der Last wird die Spannung an dem Schaltknoten derart geändert, dass der Betrag der über der Strom- emstellemrichtung abfallende Spannung wahrend des Ladevorgangs einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet.During the charging of the load, the voltage at the switching node is changed so that the amount of current over the current Emstelleemrichtung falling voltage during the charging process does not exceed a predetermined threshold.
Dadurch, dass die über der Stromeinsteileinrichtung abfallen- de Spannung begrenzt wird, wird sichergestellt, dass auch die Verlustleistung der Stromstelleinrichtung begrenzt bleibt.By limiting the voltage drop across the current setting device, it is ensured that the power loss of the current setting device remains limited.
Falls die Spannung am Schaltknoten in Stufen verändert wird, kann die Änderung der Spannung mittels einer relativ wenig aufwandigen Schaltung erfolgen, die nacheinander unterschiedliche Spannungen auf den Schaltknoten aufschaltet.If the voltage at the switching node is changed in stages, the change in the voltage can be effected by means of a relatively inexpensive circuit, which successively connects different voltages to the switching node.
Wird dagegen die Spannung am Schaltknoten kontinuierlich verändert, kann die Verlustleistung über den gesamten Ladezeit- räum konstant gehalten werden und damit weiter verringert werden.If, in contrast, the voltage at the switching node is changed continuously, the power loss over the entire charging time can be kept constant and thus further reduced.
Vorzugsweise fließt sowohl der Aufladestrom als auch der Entladestrom durch den Schaltknoten, sodass beide Ladevorgange gleichermaßen hinsichtlich geringerer Verlustleistung verbessert werden können.Preferably, both the charging current and the discharging current flows through the switching node, so that both charging processes can be improved equally with regard to lower power loss.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoak- tors für ein Kraftstoff-Emspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassendThe invention also relates to a method for charging and discharging a capacitive load, in particular a piezo actuator for a fuel injection valve of an internal combustion engine, comprising
- Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen Versorgungsspannung mittels einer Spannungsquelle, und- Providing a reference to an electrical ground supply voltage by means of a voltage source, and
- Einstellung eines Laststromes, der beim Aufladen und Entla- den durch die Last fließt, in wenigstens einem von zwei zur- Setting a load current that flows through the load during charging and discharging, in at least one of two to
Last fuhrenden Strompfaden, wobei die Aufladung und Entladung derart erfolgt, dass a) wahrend einer ersten Aufladephase (a) eine Nachladung ei¬ nes Kondensators und eine teilweise Aufladung der Last jeweils aus der Versorgungsspannung erfolgt, b) wahrend einer zweiten Aufladephase (b) eine weitere Aufla- düng der Last (P) aus einer Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators (Ch) erfolgt, wobei im Kondensator (Ch) gespeicherte Energie teilweise zur Last (P) übertragen wird, c) wahrend einer ersten Entladephase (c) eine teilweise Ent- ladung der Last (P) in den Kondensator (Ch) erfolgt, so dassLoad carrying current paths, wherein the charging and discharging takes place in such a way that a) during a first charging phase (a) a recharging ei ¬ nes capacitor and a partial charging of the load takes place in each case from the supply voltage, b) during a second charging phase (b) fertil a further loading of the load (P) from a series circuit of Voltage source and the capacitor (Ch) takes place, wherein in the capacitor (Ch) stored energy is partially transferred to the load (P), c) during a first discharge phase (c) a partial discharge of the load (P) in the condenser (Ch ), so that
Energie von der Last (P) in den Kondensator (Ch) ruckgespeist wird, und d) wahrend einer zweiten Entladephase (d) eine weitere Entladung der Last in die elektrische Masse erfolgt.Energy from the load (P) in the capacitor (Ch) is fed back, and d) during a second discharge phase (d), a further discharge of the load takes place in the electrical mass.
Die Erfindung ist auch realisiert in einem Verfahren zum Aufladen und Entladen einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Emspritzventil einer Brennkraftmaschine, umfassend - Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse bezogenen ersten Spannung,The invention is also realized in a method for charging and discharging a capacitive load, in particular a piezoactuator for a fuel injection valve of an internal combustion engine, comprising - providing a first voltage related to an electrical ground,
- Bereitstellung einer auf die elektrische Masse bezogenen zweiten Spannung, die kleiner als die erste Spannung ist,Providing a second voltage related to the electrical ground, which is smaller than the first voltage,
- Einstellung eines Stromes, der beim Aufladen und Entladen durch die Last fließt, und- Setting a current that flows through the load during charging and discharging, and
- Ansteuerung von Schaltern und der Stromeinstellung derart, dass a) wahrend einer ersten Aufladephase die Last aus der zweiten Spannung teilweise aufgeladen wird, b) wahrend einer zweiten Aufladephase die Last aus der ersten Spannung weiter aufgeladen wird, c) wahrend einer ersten Entladephase die Last in die zweite Spannung teilweise entladen wird, und d) wahrend einer zweiten Entladephase die Last in die elekt¬ rische Masse weiter entladen wird.- Control of switches and the current setting such that a) during a first charging phase, the load from the second voltage is partially charged, b) during a second charging phase, the load from the first voltage is further charged, c) during a first discharge phase, the load partially discharged into the second voltage, and d) continues to be discharged, the load in the elekt ¬ generic mass during a second discharging phase.
Der Vorteil des Verfahrens liegt in der Realisierung ohne große und teure passive Leistungsbauteile wie Induktivitäten und Kapazitäten, wie sie bei üblichen, auf Schaltwandlerkonzepten beruhenden, Ansteuerstufen für kapazitive Lasten notwendig sind. Gleichzeitig kann aber trotzdem ein vergleichba¬ rer Wirkungsgrad erreicht und die Nachteile der Schaltwandler hinsichtlich EMV und Steuerbarkeit (Energiepakete mit endlicher Große) vermieden werden.The advantage of the method lies in the realization without large and expensive passive power components such as inductors and capacitors, as they are necessary in conventional, based on switching converter concepts, control stages for capacitive loads. At the same time still a vergleichba ¬ rer efficiency can but achieved and the disadvantages of switching converter with EMC and controllability (energy packets of finite size) can be avoided.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand mehrerer Ausfuhrungsbeispiele naher veranschaulicht. Dabei zeigenThe invention is illustrated in more detail in the drawings with reference to several exemplary embodiments. Show
Fig. 1 eine erste Ausfuhrungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,1 shows a first embodiment of a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf einiger Großen im Betrieb der Schaltungsanordnung von Fig. 1,2 shows the time course of some large in the operation of the circuit arrangement of Fig. 1,
Fig. 3 eine Endstufe zur Ansteuerung mehrerer Piezoaktoren unter Verwendung der Schaltungsanordnung von Fig. 1,3 shows an output stage for driving a plurality of piezoelectric actuators using the circuit arrangement of FIG. 1, FIG.
Fig. 4 eine zweite Ausfuhrungsform Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,4 shows a second embodiment of circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf einiger Großen im Betrieb der Schaltungsanordnung von Fig. 4,5 shows the time course of some large in the operation of the circuit arrangement of Fig. 4,
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung gemäß eines dritten Ausfuhrungsbeispiels, Fig. 7 den zeitlichen Verlauf einiger Großen im Betrieb der Schaltungsanordnung von Fig. 3,6 shows a circuit arrangement according to a third exemplary embodiment, 7 shows the time course of some large in the operation of the circuit arrangement of Fig. 3,
Figur 8 eine vierte Ausfuhrungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,8 shows a fourth embodiment of a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator,
Figur 9 den zeitlichen Verlauf der Spannungen beim Aufladen des Piezoaktors,FIG. 9 the time profile of the voltages during charging of the piezoactuator,
Figur 10 den zeitlichen Verlauf der Spannungen beim Entladen des Piezoaktors,FIG. 10 shows the time profile of the voltages during discharging of the piezoactuator,
Figur 11 eine fünfte Ausfuhrungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,11 shows a fifth embodiment of a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator,
Figur 12 den zeitlichen Verlauf der Spannungen beim Aufladen des Piezoaktors in der fünften Ausfuhrungsform,FIG. 12 the time profile of the voltages during charging of the piezoactuator in the fifth embodiment,
Figur 13 die Erzeugung der Spannung in der fünften Ausfuh- rungsform,FIG. 13 shows the generation of the voltage in the fifth embodiment;
Figur 14 eine sechste Ausfuhrungsform einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors,FIG. 14 shows a sixth embodiment of a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator,
Figur 15 ein Prinzipschaubild einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors.Figure 15 is a schematic diagram of a circuit arrangement for controlling a piezoelectric actuator.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 zur Ansteuerung eines Piezoaktors P eines Kraftstoff-Einspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen Versorgungsspannung Ub. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel betragt Ub z. B. etwa 100 V.Fig. 1 shows a circuit arrangement 10 for controlling a piezoelectric actuator P of a fuel injection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle. The control is carried out by charging and discharging of a capacitive load performing piezoelectric actuator P. The circuit arrangement 10 comprises a voltage source for providing a supply voltage Ub related to an electrical ground GND. In the illustrated embodiment, Ub z. B. about 100 V.
Zwischen einem ersten Schaltungsknoten Kl und einem zweiten Schaltungsknoten K2 ist ein Kondensator Ch angeordnet, wobei der erste Schaltungsknoten Kl über eine Diode Dl mit der Spannungsquelle verbunden ist und der zweite Schaltungsknoten K2 über einen ersten Schalter Sl mit der Spannungsquelle verbindbar ist. Die Diode Dl ist hierbei so gepolt, dass ein Strom von der Spannungsquelle zum Schaltungsknoten Kl fließen kann .A capacitor Ch is arranged between a first circuit node K1 and a second circuit node K2, the first circuit node K1 being connected to the voltage source via a diode D1 and the second circuit node K2 being connectable to the voltage source via a first switch S1. In this case, the diode D1 is polarized such that a current can flow from the voltage source to the circuit node K1.
Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist außerdem eine Diode D3 in Reihenschaltung zu dem ersten Schalter Sl angeordnet .In the illustrated embodiment, a diode D3 is also arranged in series with the first switch Sl.
Zu Ausgangsanschlussen Al und A2 der Schaltungsanordnung 10, die mit den beiden Lastanschlussen des Piezoaktors P verbunden sind, fuhrt ausgehend vom Schaltungsknoten Kl ein erster Strompfad bzw. ausgehend vom Schaltungsknoten K2 ein zweiter Strompfad.To output terminals Al and A2 of the circuit 10, which are connected to the two load terminals of the piezoelectric actuator P, starting from the circuit node Kl, a first current path or starting from the circuit node K2, a second current path.
Der erste Strompfad wird von einer ersten Stromquelle CSl und der zweite Strompfad von einer zweiten Stromquelle CS2 gebildet. Parallel zur ersten Stromquelle CSl, mittels welcher ein Stromfluss vom Schaltungsknoten Kl zum Ausgangsanschluss Al eingestellt werden kann, ist eine Diode D2 mit entgegenge- setzter Flusspolung angeordnet. Mit der zweiten StromquelleThe first current path is formed by a first current source CS1 and the second current path by a second current source CS2. Parallel to the first current source CS1, by means of which a current flow from the circuit node K1 to the output terminal A1 can be set, a diode D2 is arranged with oppositely set flux polarity. With the second power source
CS2 kann ein Stromfluss vom Schaltungsknoten K2 zum Ausgangsanschluss A2 eingestellt werden, der mit der elektrischen Masse GND verbunden ist. Die beiden Stromquellen CSl und CS2 bilden eine in Reihenschaltung mit dem Piezoaktor P angeord- nete Stromemstellemrichtung, über welche der Piezoaktor beim Aufladen und Entladen bestromt wird. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel umfasst diese Stromeinstelleinrichtung die erste Stromguelle CSl im ersten Strompfad und die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad.CS2, a current flow can be set from the circuit node K2 to the output terminal A2, which is connected to the electrical ground GND. The two current sources CS1 and CS2 form a series circuit with the piezoelectric actuator P angeord- Neten Stromemstellemrichtung, via which the piezoelectric actuator is energized during charging and discharging. In the illustrated exemplary embodiment, this current setting device comprises the first power source CS1 in the first current path and the second current source CS2 in the second current path.
Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 10 einen zweiten Schalter S2 (mit einer Diode D4 in Reihenschaltung dazu) , u- ber welchen der erste Strompfad (zwischen der ersten Strom- quelle CSl und dem Ausgangsanschluss Al) mit dem zweitenFurthermore, the circuit arrangement 10 comprises a second switch S2 (with a diode D4 connected in series therewith), via which the first current path (between the first current source CS1 and the output terminal A1) with the second
Schaltungsknoten K2 verbindbar ist. Die Schaltvorgange im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden unten noch detailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür Steuersignale sl (für den Schalter Sl) und s2 (für den Schalter S2) erzeugt und ausgibt.Circuit node K2 is connectable. The switching operation during operation of the circuit arrangement 10 will be described in detail below and are effected by a control device SE, which generates and outputs control signals sl (for the switch Sl) and s2 (for the switch S2) for this purpose.
Wenngleich dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, so sind die Schalter Sl und S2 bei diesem Ausfuhrungsbeispiel durch Schalttransistoren (z. B. FETs) ge- bildet, deren Steueranschlusse (z. B. Gates) mit dem Ansteu¬ ersignal sl bzw. s2 versorgt werden.Although this is not shown for convenience in the figure, the switches Sl and S2 in this exemplary embodiment, by switching transistors (z. B. FETs) are formed overall, whose control Connections (z. B. Gates) with the Ansteu ¬ ersignal sl or s2 are supplied.
Die Stromquellen CSl und CS2 sind im dargestellten Ausfuh¬ rungsbeispiel ebenfalls jeweils als ein Transistor ausgebil- det, dessen Steueranschluss mit einem Ansteuersignal sipl bzw. sip2 beaufschlagt wird, welches ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale sl und s2 wird mit den Ansteuersignalen sipl und sip2 kein Einschalten und Ausschalten der betreffenden Transistoren be- wirkt, sondern jeweils ein bestimmter Laststrom IpI bzw. Ip2 beim Aufladen und Entladen im ersten bzw. zweiten Strompfad eingestellt . Nachfolgend wird unter Heranziehung auch der Fig. 2 die Ansteuerung des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben.The current sources CSI and CS2 are also trained in the illustrated det Ausfuh ¬ approximately example each as a transistor whose control terminal is supplied with a drive signal SIPL or sip2 applied, which is also generated by the control unit SE. Unlike the drive signals s1 and s2, no switching on and off of the respective transistors is effected with the drive signals sipl and sip2, but in each case a specific load current Ip1 or Ip2 is set during charging and discharging in the first or second current path. The activation of the piezoelectric actuator P by means of the circuit arrangement 10 will be described below with reference also to FIG.
Fig. 2 zeigt am Beispiel eines Ansteuerzyklus (eine Aufladung und eine nachfolgende Entladung) die Verlaufe verschiedener Großen im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 in Abhängigkeit von der Zeit t.2 shows the example of a drive cycle (a charge and a subsequent discharge), the course of different magnitudes in the operation of the circuit 10 as a function of the time t.
Im oberen Teil von Fig. 2 sind die Verlaufe einer ersten Knotenspannung Uboost (zwischen Kl und GND), einer zweiten Knotenspannung Uh (zwischen K2 und GND) und der Last- bzw. Pie- zospannung Up eingezeichnet. Im unteren Teil von Fig. 2 ist der Verlauf des Laststromes Ip dargestellt, der beim Aufladen des Piezoaktors P vom Strom IpI und beim Entladen des Piezoaktors P vom Strom Ip2 gebildet wird. Die Aufladung des Pie¬ zoaktors P erfolgt wahrend einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Aufladephase "a" und einer sich unmittelbar daran anschließenden zweiten Aufladephase "b" zusammensetzt.In the upper part of FIG. 2, the course of a first node voltage Uboost (between K1 and GND), a second node voltage Uh (between K2 and GND) and the load or peak voltage Up are indicated. In the lower part of Fig. 2, the course of the load current Ip is shown, which is formed during charging of the piezoelectric actuator P from the current IpI and the discharge of the piezoelectric actuator P from the current Ip2. The charging of the Pie ¬ zoaktors P takes place during a period of time which is composed of a first charging phase "a" and an immediately subsequent second loading phase "b".
Die Entladung des Piezoaktors P erfolgt wahrend einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Entladephase "c" und einer zweiten Entladephase "d" zusammensetzt. Die in Fig. 2 außer¬ dem eingezeichneten Phasen Slon und S2on bezeichnen diejeni- gen Zeitspannen, in denen die Schaltelemente Sl bzw. S2 eingeschaltet sind.The discharge of the piezoelectric actuator P takes place during a period of time which is composed of a first discharge phase "c" and a second discharge phase "d". The phases Slon the drawn and S2on in Fig. 2 except ¬ denote diejeni- gen time periods in which the switching elements are turned on or Sl S2.
Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel soll der dargestellte, insgesamt trapezförmige Verlauf der Piezospannung Up bewerk- stelligt werden. Die einzelnen Phasen lassen sich wie folgt beschreiben: Wahrend der ersten Aufladephase "a" sind beide Schalter Sl, S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird aus der Versorgungsspannung Ub teilweise aufgeladen. Dabei steigt die Piezospannung Up kontinuierlich an. Der konkrete Verlauf ist durch entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CSl einstell¬ bar. Am Ende dieser Phase ist die Piezospannung Up auf die Versorgungsspannung Ub abzüglich einer für die Funktion der Stromquelle CSl notwendigen Mindestspannung (ΔUip) angestie- gen .In the illustrated exemplary embodiment, the illustrated, overall trapezoidal profile of the piezo voltage Up is to be accomplished. The individual phases can be described as follows: During the first charging phase "a" both switches S1, S2 are open and the piezoelectric actuator P is partially charged from the supply voltage Ub. The piezo voltage Up rises continuously. The concrete course is by appropriate control of the current source CSl adjustable ¬ bar. At the end of this phase, the piezo voltage Up has increased to the supply voltage Ub less a minimum voltage (ΔUip) necessary for the function of the current source CS1.
Wahrend der zweiten Aufladephase "b" ist der erste Schalter Sl geschlossen und der zweite Schalter S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird aus der sich ergebenden Reihenschaltung der Spannungsquelle und des Kondensators Ch weiter aufgeladen.During the second charging phase "b", the first switch Sl is closed and the second switch S2 is opened and the piezo actuator P is further charged from the resulting series connection of the voltage source and the capacitor Ch.
Das Schließen von Sl hebt nämlich das Spannungsniveau am Eingang der Stromquelle CSl mittels des auf die Versorgungsspan¬ nung Ub aufgeladenen Kondensators Ch auf etwa das Doppelte der Versorgungsspannung Ub. Der konkrete Verlauf der weiter ansteigenden Piezospannung Up bzw. des in den Piezoaktor fließenden Laststromes wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CSl festgelegt.Closing Sl namely raises the voltage level at the input of the current source CSl by means of the charged to the supply voltage Ub ¬ clamping capacitor Ch to about twice the supply voltage Ub. The specific course of the further rising piezo voltage Up or of the load current flowing into the piezoelectric actuator is set again by the corresponding control of the current source CS1.
Wahrend der ersten Entladephase "c" sind beide Schalter Sl, S2 geöffnet und der Piezoaktor P wird teilweise in den Kon¬ densator Ch entladen. Diese teilweise Entladung erfolgt über die Diode D2 im ersten Strompfad und über die zweite Stromquelle CS2 im zweiten Strompfad. Dabei wird Energie aus dem Piezoaktor P in den Kondensator Ch zuruckgeliefert . Der kon- krete Verlauf der Piezospannung Up bzw. des Laststromes Ip2 wird durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS2 festgelegt. Diese teilweise Entladung kann solange fortge¬ setzt werden, bis die Knotenspannung Uh auf die für die Funktion der Stromquelle CS2 notwendige Mindestspannung (AUip) gesunken ist oder die Piezospannung Up auf das Niveau der Versorgungsspannung Ub gesunken ist.During the first discharging phase "c" are both switches Sl, S2 opened and the piezoelectric actuator P is partially discharged into the Kon ¬ capacitor Ch. This partial discharge takes place via the diode D2 in the first current path and via the second current source CS2 in the second current path. In this case, energy from the piezoelectric actuator P in the condenser Ch is returned. The specific course of the piezo voltage Up or the load current Ip2 is determined by the corresponding control of the current source CS2. This partial discharge can be fortge ¬ sets until the node voltage is decreased Uh to the necessary for the function of current source CS2 minimum voltage (AUIP) or the piezo voltage Up has fallen to the level of supply voltage Ub.
Wahrend der zweiten Entladephase "d" ist der erste Schalter Sl geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen und wird der Piezoaktor P in die elektrische Masse GND weiter entla¬ den. In dieser Phase ist der Piezoaktor P über die Diode D4, den Schalter S2 und die Stromquelle CS2 mit elektrischer Masse GND verbunden. Dies ermöglicht eine vollständige Entladung des Piezoaktors P. Am Ende (Zeitspanne Tn) dieser zweitenDuring the second discharge phase "d", the first switch S1 is opened and the second switch S2 is closed and becomes the piezoelectric actuator P in the electrical ground GND further entla ¬ . In this phase, the piezoelectric actuator P via the diode D4, the switch S2 and the power source CS2 is connected to electrical ground GND. This allows a complete discharge of the piezoelectric actuator P. At the end (time Tn) of this second
Entladephase wird auch das zuvor im Kondensator Ch entstandene "Ladungsdefizit" (Lade/Entlade-Wirkungsgrad in der Praxis ungleich 1) wieder ergänzt, wodurch (bei unverändertem Strom Ip2) die Steilheit des Piezoentladestromes abgeflacht wird. Ist dieser Abflachungseffekt nicht erwünscht, so kann dies durch eine entsprechende Erhöhung des Entladestromes in dieser Schlussphase kompensiert werden.Discharging is also the previously incurred in the condenser Ch "charge deficit" (charging / discharging efficiency in practice not equal to 1) replenished, whereby (with unchanged current Ip2), the slope of the piezoelectric discharge current is flattened. If this flattening effect is not desired, this can be compensated by a corresponding increase in the discharge current in this final phase.
Durch die beim Übergang von der ersten Ladephase zur zweiten Ladephase erfmdungsgemaß vorgesehene Umschaltung der an der Stromquelle CSl liegenden Spannung (von Ub auf Ub zuzüglich der Kondensatorspannung) ergibt sich für den Ladevorgang der Vorteil einer deutlich reduzierten Verlustleistung in der Stromquelle CSl. Eine entsprechende Wirkungsgradverbesserung ergibt sich auch für den Entladevorgang. Damit kann insgesamt ein Wirkungsgrad erzielt werden, der vergleichbar mit dem Wirkungsgrad bekannter Endstufenkonzepte ist.By erfmdungsgemaß provided at the transition from the first charging phase to the second charging phase switching of lying at the current source CSl voltage (Ub to Ub plus the capacitor voltage) results in the charging of the advantage of a significantly reduced power dissipation in the current source CSl. A corresponding improvement in efficiency also results for the unloading process. Thus, an overall efficiency can be achieved, which is comparable to the efficiency of known final stage concepts.
Ein noch wesentlicherer Vorteil der beschriebenen Schaltungs- anordnung bzw. des damit bewerkstelligten Ansteuerverfahrens liegt im Kostenbereich. Es lassen sich nämlich deutliche Einsparungen bei teuren Induktivitäten, Kondensatoren und Leis- tungshalbleitern erzielen. Insbesondere kann auf Grund der mittels der Schaltungsanordnung realisierten Spannungsuberho- hung bzw. Spannungsverdopplung ein DC/DC-Wandler, welcher die Versorgungsspannung Ub bereitstellt, auf etwa "halber Spannung" (im Vergleich zur gewünschten Maximalspannung am Piezoaktor) arbeiten, was die Verwendung kostengünstigerer Schal- tungskomponenten (einschließlich derjenigen des DC/DC-Wandlers) gestattet.An even more significant advantage of the circuit arrangement described or of the control method implemented thereby lies in the cost range. In fact, significant savings can be achieved with expensive inductors, capacitors and power semiconductors. In particular, due to the voltage excess realized by means of the circuit arrangement, a DC / DC converter which provides the supply voltage Ub can operate at approximately "half voltage" (in comparison to the desired maximum voltage at the piezoactuator), which makes the use of less expensive scarf - components (including those of the DC / DC converter).
Viele Komponenten der Schaltungsanordnung müssen nur auf et- was mehr als die Versorgungsspannung Ub und nicht auf die volle maximale Piezospannung Up ausgelegt werden. Außerdem stellt die Schaltungsanordnung geringere Bauraumanforderungen und besitzt eine hohe Robustheit, was insbesondere bei so ge¬ nannter "Vorort-Elektronik" (z. B. im Motorraum eines Kraft- fahrzeugs) von großer Bedeutung ist.Many components of the circuit arrangement only have to be designed for something more than the supply voltage Ub and not for the full maximum piezo voltage Up. In addition, the circuit arrangement less space requirements and has a high durability, which is particularly so-¬-called "suburban electronics" (z. B. in the engine compartment of a motor vehicle) of great importance.
Eine Anordnung für mehrere kapazitive Lasten, beispielsweise mehrere piezobetatigte Kraftstoff-Emspritzventile bei einem Kraftfahrzeug, lasst sich in einfacher Weise z. B. durch mas- seseitige "Auswahlschalter" realisieren. Eine solche Schaltungsanordnung bzw. Endstufe zur Ansteuerung einer Mehrzahl von Piezoaktoren ist in Fig. 3 dargestellt.An arrangement for a plurality of capacitive loads, for example, several piezobetatigte fuel-injection valves in a motor vehicle, can be in a simple manner z. B. by mas- ssseige "selection switch" realize. Such a circuit arrangement or output stage for controlling a plurality of piezo actuators is shown in FIG.
Fig. 3 zeigt eine Endstufe 100 umfassend eine Schaltungsan- Ordnung 10', die beispielsweise identisch zu der oben be¬ schriebenen Schaltungsanordnung 10 ausgebildet sein kann und dementsprechend zwei Ausgangsanschlusse Al (versorgungssei- tig) und A2 (masseseitig) aufweist.Fig. 3 shows a power amplifier 100 comprising a Schaltungsan- order 10 ', which may be formed for example identical to the above ¬ be written circuitry 10 and (tig versorgungssei-) has correspondingly two output Connections Al and A2 (ground side).
Wie aus der Figur ersichtlich, ist der Ausgangsanschluss Al mit jeweils einem der beiden Lastanschlusse sämtlicher Piezoaktoren Pl, P2, verbunden, wohingegen der jeweils andere Lastanschluss dieser Piezoaktoren über einen jeweils zugeordneten Auswahlschalter (Transistoren Tl, T2, ) mit dem Aus- gangsanschluss A2 verbunden ist. In diesem VerbindungspfadAs can be seen from the figure, the output terminal Al is connected to one of the two load terminals of all the piezo actuators P1, P2, whereas the other load terminal of these piezo actuators is connected to the output terminal A2 via a respectively assigned selector switch (transistors T1, T2,) is. In this connection path
(zwischen A2 und den Auswahlschaltern) ist außerdem noch ein Strommesswiderstand Rs angeordnet, mittels welchem der momentane Laststrom des jeweils ausgewählten Piezoaktors gemessen werden kann. In an sich bekannter Weise wird hierfür der Spannungsabfall am Messwiderstand Rs gemessen, wofür die Schaltungsanordnung 10' mit einem Eingangsanschluss El versehen ist, über welchen der gemessene Spannungsabfall der entsprechenden Steuereinrichtung innerhalb der Schaltungsanord- nung 10' zur Auswertung bzw. Berücksichtigung bei der Ansteuerung zugeführt wird. Der zu messende Spannungsabfall ist mit Uirs bezeichnet.(Between A2 and the selection switches) is also still a current measuring resistor Rs arranged by means of which the instantaneous load current of the selected piezoelectric actuator can be measured. In known manner, this is the Voltage drop across the measuring resistor Rs measured, for which the circuit arrangement 10 'is provided with an input terminal El, via which the measured voltage drop of the corresponding control device within the circuit arrangement 10' for evaluation or consideration in the control is supplied. The voltage drop to be measured is called Uirs.
Die Schaltungsanordnung 10' lasst sich somit vorteilhaft auch zum Aufladen und Entladen einer Mehrzahl von Piezoaktoren verwenden. Ansteuersignale für das Schalten der Auswahlschalter Tl, T2, können ebenfalls von der betreffenden Steuereinrichtung erzeugt und ausgegeben werden (nicht dargestellt) .The circuit arrangement 10 'can thus be used advantageously also for charging and discharging a plurality of piezoelectric actuators. Activation signals for switching the selector switches Tl, T2 can also be generated and output by the relevant control device (not shown).
Bemerkenswert ist, dass bei der Endstufe 100 die Auswahlschalter Tl, T2, ... vorteilhaft auch die Funktion einer Stromeinstellung übernehmen können, wie Sie in Fig. 1 beispielsweise durch die Stromquelle CSl realisiert ist. Damit kann z. B. eine der Stromquelle CSl entsprechende gemeinsame Stromquelle des Schaltungsteils 10' ersetzt werden oder eine bei einer solchen Stromemstellung auftretende Verlustleistung besser verteilt werden.It is noteworthy that in the case of the output stage 100, the selection switches T1, T2,... Can advantageously also assume the function of a current setting, as is realized, for example, in FIG. 1 by the current source CS1. This can z. B. a current source CSl corresponding common current source of the circuit part 10 'to be replaced or occurring at such a current adjustment power dissipation be better distributed.
Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung (Endstufe) 10 zur An- Steuerung eines Piezoaktors P eines Kraft- stoff-Emspritzventils einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entla¬ den des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P.4 shows a circuit arrangement (output stage) 10 for controlling a piezoactuator P of a fuel ejection valve of an internal combustion engine of a motor vehicle. The control is carried out by charging and Entla ¬ the capacitive load representing a piezoelectric actuator P.
Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezo¬ genen ersten Spannung Ub und eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse GND bezogenen zweiten Spannung Uh, die kleiner als die erste Spannung Ub ist. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel betragt Ub z. B. etwa 200 V und Uh etwa 100 V.The circuit arrangement 10 comprises a first voltage source for providing an electrical ground GND bezo ¬ antigenic first voltage Ub and a second voltage source for providing related to the electrical ground GND second voltage Uh, which is smaller than the first voltage Ub is. In the illustrated embodiment, Ub z. B. about 200 V and Uh about 100 V.
Em Schaltungsknoten K ist über einen ersten Schalter Sl mit der Spannung Ub, über einen zweiten Schalter S3, S4 mit der Spannung Uh und über einen dritten Schalter S2 mit der Masse GND verbindbar.Em circuit node K is connected via a first switch Sl with the voltage Ub, via a second switch S3, S4 with the voltage Uh and a third switch S2 to the ground GND.
Die Schaltvorgange im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 wer- den unten noch detailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür Steuersignale sl (für den Schalter Sl), s2 (für den Schalter S2), s3 und s4 (für den Schalter S3, S4) erzeugt und ausgibt. Wenngleich dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, so sind die Schalter bei diesem Ausfuhrungsbeispiel durch Schalttransistoren (z. B. FETs) gebildet.The switching operations during operation of the circuit arrangement 10 will be described in detail below and are effected by a control device SE, which for this control signals sl (for the switch Sl), s2 (for the switch S2), s3 and s4 (for the switch S3, S4) generates and outputs. Although this is not shown in the figure for the sake of simplicity, the switches in this exemplary embodiment are formed by switching transistors (eg FETs).
Die Schalter Sl und S2 sind jeweils von einem Transistor gebildet, dessen Steueranschluss (Gate bzw. Basis) mit dem An- Steuersignal sl bzw. s2 versorgt wird. Der Schalter S3, S4 ist in der Figur als Reihenschaltung zweier Einzelschalter S3 und S4 eingezeichnet. Dies deshalb, weil dieser Schalter tatsächlich aus einer Reihenschaltung von zwei FETs gebildet ist, um einen Strom in beiden entgegengesetzten Richtungen schalten zu können. Wird S3 eingeschaltet, so kann ein Strom über S3 und die "intrinsische Source-Drain-Diode" von S4 in einer Richtung (in Fig. 4 von rechts nach links) fließen. Der umgekehrte Stromfluss (in Fig. 4 von links nach rechts) lasst sich dementsprechend durch Einschalten von S4 freigeben. Die zum Schalten der Einzelschalter S3 und S4 erforderlichen und von der Steuereinrichtung SE gelieferten Ansteuersignale sind mit s3 bzw. s4 bezeichnet. Der Piezoaktor P ist an Ausgangsanschlussen Al und A2 an die Schaltungsanordnung 10 angeschlossen. In Reihenschaltung mit dem Piezoaktor P ist eine Stromeinsteileinrichtung in Form einer Stromquelle CS vorgesehen, über welche der Piezoaktor P beim Aufladen und Entladen bestromt wird.The switches S1 and S2 are each formed by a transistor whose control terminal (gate or base) is supplied with the on control signal s1 or s2. The switch S3, S4 is shown in the figure as a series connection of two individual switches S3 and S4. This is because this switch is actually formed of a series connection of two FETs in order to switch a current in both opposite directions. When S3 is turned on, current may flow through S3 and the "intrinsic source-drain diode" of S4 in one direction (from right to left in FIG. 4). The reverse current flow (in Fig. 4 from left to right) can be released accordingly by turning on S4. The control signals required for switching the individual switches S3 and S4 and supplied by the control device SE are designated s3 and s4, respectively. The piezoelectric actuator P is connected to the output terminals Al and A2 to the circuit 10. Connected in series with the piezoelectric actuator P is a current setting device in the form of a current source CS, via which the piezoelectric actuator P is energized during charging and discharging.
Die Stromquelle CS ist im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ebenfalls als ein Transistor ausgebildet, dessen Steueran- schluss mit einem Ansteuersignal sip beaufschlagt wird, wel- ches ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale sl bis s4 wird mit dem Ansteuersignal sip kein Einschalten und Ausschalten des betreffenden Transistors bewirkt, sondern ein bestimmter Laststrom Ip beim Aufladen und Entladen eingestellt. Abweichend von der darge- stellten "versorgungsseitigen" Anordnung der Stromquelle CS zwischen dem Schaltungsknoten K und dem Ausgangsanschluss Al ist in der Praxis oftmals eine Variante von besonderem Vorteil, bei welcher die Stromquelle CS "masseseitig", also zwischen der elektrischen Masse GND und dem Ausgangsanschluss A2 angeordnet ist.The current source CS is also formed in the illustrated embodiment as a transistor, the control terminal is acted upon by a drive signal sip, which is also generated by the control device SE. Unlike the drive signals sl to s4, no turning on and off of the relevant transistor is effected with the drive signal sip, but a specific load current Ip is set during charging and discharging. Deviating from the illustrated "supply-side" arrangement of the current source CS between the circuit node K and the output terminal Al is in practice often a variant of particular advantage in which the current source CS "ground side", ie between the electrical ground GND and the output terminal A2 is arranged.
Nachfolgend wird unter Heranziehung auch der Fig. 5 die Ansteuerung des Piezoaktors P mittels der Schaltungsanordnung 10 beschrieben.Subsequently, the driving of the piezoelectric actuator P by means of the circuit 10 will be described with reference also to FIG.
Fig. 5 zeigt am Beispiel eines Ansteuerzyklus (eine Aufladung und eine nachfolgende Entladung) die Verlaufe verschiedener Großen im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 in Abhängigkeit von der Zeit t.5 shows the example of a drive cycle (a charge and a subsequent discharge), the course of different magnitudes in the operation of the circuit 10 as a function of time t.
Im oberen Teil von Fig. 5 sind die Verlaufe einer Knotenspannung Us (zwischen dem Schaltungsknoten K und der elektrischen Masse GND), und der Last- bzw. Piezospannung Up eingezeichnet. Im unteren Teil von Fig. 5 ist der Verlauf des Laststro- mes Ip dargestellt ist. Die Aufladung des Piezoaktors P er¬ folgt wahrend einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Aufladephase "a" und einer sich unmittelbar daran anschließenden zweiten Aufladephase "b" zusammensetzt. Die Entladung des Piezoaktors P erfolgt wahrend einer Zeitspanne, die sich aus einer ersten Entladephase "c" und einer zweiten Entladephase "d" zusammensetzt.In the upper part of Fig. 5, the course of a node voltage Us (between the circuit node K and the electrical ground GND), and the load or piezo voltage Up are located. The lower part of FIG. 5 shows the course of the load current. with Ip is shown. The charging of the piezoelectric actuator P er ¬ follows during a period of time, which is composed of a first charging phase "a" and a directly subsequent thereto second charging phase "b". The discharge of the piezoelectric actuator P takes place during a period of time which is composed of a first discharge phase "c" and a second discharge phase "d".
Die in Fig. 5 außerdem eingezeichneten Phasen Slon, S2on, S3on und S4on bezeichnen diejenigen Zeitspannen, in denen die Schaltelemente Sl, S2, S3 bzw. S4 eingeschaltet sind. Im dargestellten Ansteuerungsbeispiel soll der dargestellte, insge¬ samt trapezförmige Verlauf der Piezospannung Up bewerkstelligt werden. Die einzelnen Phasen lassen sich wie folgt be- schreiben:The phases Slon, S2on, S3on and S4on, which are also shown in FIG. 5, denote those time periods in which the switching elements S1, S2, S3 and S4 are switched on. In the illustrated control example, the shown, ins ¬ total trapezoidal course of the piezoelectric voltage to be accomplished. The individual phases can be described as follows:
Wahrend der ersten Aufladephase "a" ist der zweite Schalter S3, S4 (genau genommen: S4) geschlossen, um den Piezoaktor P aus der Spannung Uh teilweise aufzuladen. Dabei steigt die Piezospannung Up kontinuierlich an. Der konkrete Verlauf ist durch entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS einstellbar. Am Ende dieser Phase ist die Piezospannung Up auf die "Hilfsspannung" Uh abzuglich der für die Funktion der Strom¬ quelle CS notwendigen Mindestspannung (ΔUip) angestiegen.During the first charging phase "a", the second switch S3, S4 (strictly speaking: S4) is closed in order to partially charge the piezoactuator P from the voltage Uh. The piezo voltage Up rises continuously. The specific course can be set by appropriate control of the current source CS. At the end of this phase, the piezo voltage Up to the "Auxiliary voltage" Uh less costs necessary for the functioning of the current source CS ¬ minimum voltage (ΔUip) has risen.
Wahrend der zweiten Aufladephase "b" ist alternativ oder zusatzlich der erste Schalter Sl geschlossen, um den Piezoaktor P aus der (höheren) Spannung Ub weiter aufzuladen. Dabei steigt die Piezospannung Up weiter an, etwa bis auf die dop- pelt so hohe Versorgungsspannung Ub. Der konkrete Verlauf wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS festgelegt. Wahrend der ersten Entladephase "c" ist der zweite Schalter S3, S4 (genau genommen: S3) geschlossen, um den Piezoaktor P in die Spannung Uh teilweise zu entladen. Dabei wird Energie aus dem Piezoaktor P in die Spannungsversorgung zuruckgelie- fert. Der konkrete Verlauf der Piezospannung Up bzw. desDuring the second charging phase "b", alternatively or additionally, the first switch S1 is closed in order to continue charging the piezoelectric actuator P from the (higher) voltage Ub. In this case, the piezo voltage Up continues to increase, for example, up to twice the supply voltage Ub. The concrete course is determined again by the corresponding control of the current source CS. During the first discharge phase "c", the second switch S3, S4 (strictly speaking: S3) is closed in order to partially discharge the piezoactuator P into the voltage Uh. Energy from the piezoelectric actuator P is fed back into the power supply. The concrete course of the piezo voltage Up or the
Laststromes Ip wird wieder durch die entsprechende Ansteuerung der Stromquelle CS festgelegt. Am Ende dieser Phase erreicht die Piezospannung Up das Niveau der Spannung Uh zuzüg¬ lich der für die Funktion der Stromquelle CS notwendigen Min- destspannung (ΔUip) .Load current Ip is set again by the corresponding control of the current source CS. At the end of this phase, the piezo voltage Up reaches the level of the voltage Uh zuzüg ¬ lich necessary for the function of the current source CS minimum voltage (ΔUip).
Wahrend der zweiten Entladephase "d" ist alternativ oder zu¬ satzlich der dritte Schalter S2 geschlossen, um den Piezoaktor P in die elektrische Masse GND weiter zu entladen. Der konkrete Entladungsverlauf wird wieder durch die Ansteuerung der Stromquelle CS definiert. Die Entladung kann vollständig (bis auf Up = 0) vorgesehen sein. Durch die erfmdungsgemaß vorgesehene Umschaltung der an der Stromquelle CS liegenden Spannung (von Ub auf Uh bzw. umgekehrt) ergibt sich der Vor- teil einer deutlich reduzierten Verlustleistung in der Stromquelle. Damit kann ein Wirkungsgrad erzielt werden, der vergleichbar dem Wirkungsgrad bekannter Endstufenkonzepte ist.During the second discharging phase "d" is closed alternatively or ¬ satzlich the third switch S2, to discharge the piezo actuator P in the electric ground GND on. The concrete discharge curve is again defined by the control of the current source CS. The discharge may be complete (except for Up = 0). The switching of the voltage present at the current source CS (from Ub to Uh or vice versa) provided by the invention results in the advantage of a significantly reduced power loss in the current source. Thus, an efficiency can be achieved, which is comparable to the efficiency of known power amplifier concepts.
Em noch wesentlicherer Vorteil der beschriebenen Schaltungs- anordnung bzw. des damit bewerkstelligten Ansteuerverfahrens liegt im Kostenbereich. Es lassen sich nämlich deutliche Einsparungen bei teuren Induktivitäten, Kondensatoren und Leis- tungshalbleitern erzielen. Außerdem stellt die Schaltungsanordnung geringe Bauraumanforderungen und besitzt eine hohe Robustheit, was insbesondere bei so genannter "Vorort-Elektronik" (z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeuges) von großer Bedeutung ist. Bei dem oben beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel können die beiden erforderlichen Spannungen Ub und Uh insbesondere als Ausgangsspannungen von zwei DC/DC-Spannungswandlern einer Au- tomobilelektronik vorgesehen sein. Nachfolgend wird ein modi- fiziertes Ausfuhrungsbeispiel mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 beschrieben, welches die Einsparung eines DC/DC- Spannungswandlers ermöglicht.An even more significant advantage of the circuit arrangement described or of the control method implemented therewith lies in the cost range. In fact, significant savings can be achieved with expensive inductors, capacitors and power semiconductors. In addition, the circuit arrangement has low space requirements and has a high degree of robustness, which is of great importance, in particular in so-called "on-the-spot electronics" (eg in the engine compartment of a motor vehicle). In the exemplary embodiment described above, the two required voltages Ub and Uh can be provided in particular as output voltages of two DC / DC voltage converters of an automotive electronics. Hereinafter, a modified exemplary embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7, which enables the saving of a DC / DC voltage converter.
Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung 100, die in Aufbau und Funktion im wesentlichen der oben beschriebenen Schaltungsanordnung 10 entspricht. Einander entsprechende Schaltungskomponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.FIG. 6 shows a circuit arrangement 100 which substantially corresponds in construction and function to the circuit arrangement 10 described above. Corresponding circuit components are designated by the same reference numerals.
Die Modifikation der Schaltungsanordnung 100 besteht darin, dass die zweite Spannung bzw. "Hilfsspannung" Uh in sehr einfacher Weise innerhalb der Schaltungsanordnung 100 erzeugt wird (letztlich aus der zugefuhrten ersten Spannung Ub) . Es ist ein Kondensator Ch vorgesehen, der wie in Fig. 6 ersichtlich einerseits mit der Spannung Ub verbunden ist und ande- rerseits mit dem Schalter S3, S4 verbunden ist. Der mit S3, S4 verbundene Kondensatoranschluss bildet gewissermaßen die Quelle der "zweiten Spannung" Uh.The modification of the circuit arrangement 100 is that the second voltage or "auxiliary voltage" Uh is generated in a very simple manner within the circuit arrangement 100 (ultimately from the supplied first voltage Ub). A capacitor Ch is provided which, as shown in FIG. 6, is connected on the one hand to the voltage Ub and, on the other hand, is connected to the switch S3, S4. The capacitor terminal connected to S3, S4 effectively forms the source of the "second voltage" Uh.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung 100, der genauso wie oben für die Schaltungsanordnung 10 beschrieben erfolgt, stellt sich am Kondensator Ch selbsttätig ein Gleichgewicht zwischen entnommener und ruckgespeister Energie ein, wodurch sich eine eigene Spannungserzeugung an dieser Stelle vorteilhaft erübrigt. Abweichend vom dargestellten Ausfuhrungsbeispiel konnte der Kondensator Ch anstatt mit der ersten Spannung Ub auch mit einer anderen festen Spannung, insbesondere z. B. der e- lektπschen Masse GND verbunden sein. Fig. 7 ist eine Zeitverlaufsdarstellung ähnlich der Fig. 5, jedoch für den Betrieb der in Fig. 6 dargestellten Schaltungsanordnung 100.During operation of the circuit arrangement 100, which takes place in the same way as described above for the circuit arrangement 10, the capacitor Ch automatically adjusts itself to a balance between discharged and jerk-fed energy, which advantageously eliminates the need for generating its own voltage at this point. Notwithstanding the illustrated embodiment, the capacitor Ch could instead of the first voltage Ub with a different fixed voltage, in particular z. B. the e- lektπschen mass GND be connected. FIG. 7 is a timing diagram similar to FIG. 5, but for operation of the circuitry 100 shown in FIG. 6.
Fig. 8 zeigt eine Schaltanordnung gemäß einer vierten Ausfuhrungsform. Die Schaltungsanordnung weist wie in den vorherigen Schaltungsanordnungen einen Schaltknoten K, eine Strom- einstellemrichtung CSl und die Last P. Allerdings ist die Spannungseinstellschaltung 30 zum Andern der Spannung Uk am Schaltknoten K unterschiedlich zu den oben beschriebenen Ausfuhrungsformen .Fig. 8 shows a circuit arrangement according to a fourth embodiment. As in the previous circuit arrangements, the circuit arrangement has a switching node K, a current setting device CS1 and the load P. However, the voltage setting circuit 30 for changing the voltage Uk at the switching node K is different from the embodiments described above.
Die Spannungsemstellschaltung 30 enthalt eine Batterie B, einen Primarschalter SPl, einen Übertrager 20, eine Reihen- Schaltung von Kondensatoren Cl, C2, C3, C4 und C5 sowie Auswahlschalter SlO, Sil, S12, S13 und S14.The voltage adjusting circuit 30 includes a battery B, a primary switch SP1, a transformer 20, a series circuit of capacitors C1, C2, C3, C4 and C5, and selector switches S1O, Sil, S12, S13 and S14.
Die Batterie B ist mit ihrem negativem Pol mit der Masse verbunden, wahrend ihr positiver Pol mit einem ersten Anschluss des Primarschalters SPl verbunden ist. Der Übertrager 20 ent¬ halt eine Pπmarspule 21, einen magnetisierbaren Kern 23 und Sekundarspulen 220, 221, 222, 223 und 224, wobei die Pπmar- spule 21 und die Sekundarspulen 220, 221, 222, 223 und 224 um den Kern 23 gewickelt sind.The battery B is connected to the ground with its negative pole, while its positive pole is connected to a first terminal of the primary switch SP1. The transformer 20 ent ¬ holding a Pπmarspule 21, a magnetizable core 23 and secondary coils 220, 221, 222, 223 and 224, wherein the Pπmarspule 21 and the secondary coils 220, 221, 222, 223 and 224 wound around the core 23 ,
Die Pπmarspule 21 ist zwischen dem zweiten Anschluss des Primarschalters SPl und die Masse vorgesehen. Die Sekundar¬ spulen 220, 221, 222, 223 und 224 sind in Reihe geschaltet, wobei ein Endpunkt dieser Reihenschaltung von Sekundarspulen mit einem der Endpunkte der Reihenschaltung von Kondensatoren und gleichzeitig mit Masse verbunden sind. Der zweite End¬ punkt der Reihenschaltung der Sekundarspulen ist mit dem zweiten Endpunkt der Reihenschaltung der Kondensatoren über die Diode D14 gekoppelt, wobei die Anode dieser Diode D14 mit zweiten Endpunkt der Reihenschaltung der Sekundarspulen und die Kathode mit zweiten Endpunkt der Reihenschaltung der Kondensatoren verbunden ist.The parking coil 21 is provided between the second terminal of the primary switch SP1 and the ground. The secondary coils 220, 221, 222, 223 and 224 are connected in series, one end point of this series circuit of secondary coils being connected to one of the end points of the series connection of capacitors and simultaneously to ground. The second end ¬ point of the series circuit of the secondary coil is coupled to the second end point of the series circuit of the capacitors through the diode D14, the anode of this diode D14 with second end point of the series connection of the secondary coils and the cathode is connected to the second end point of the series connection of the capacitors.
Die Verbindungspunkte zwischen den Sekundarspulen 220, 221, 222, 223 und 224 sind jeweils über eine der Dioden DlO, Dil, D12, D13 mit einem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren Cl bis C5 derart gekoppelt, dass die Anode der jeweiligen Diode DlO bis D13 mit den Anschlüssen der Sekundarspulen 220,221,222,223,224 und die Kathode mit den Anschlüssen der Kondensatoren Cl, C2, C3, C4, C5 verbunden ist.The connection points between the secondary coils 220, 221, 222, 223 and 224 are each coupled via one of the diodes D10, D11, D12, D13 to a connection point between the capacitors C1 to C5 such that the anode of the respective diode D10 to D13 is connected to the Terminals of the secondary coils 220,221,222,223,224 and the cathode to the terminals of the capacitors Cl, C2, C3, C4, C5 is connected.
Durch periodisches Offnen und Schließen des Primarschalters SPl wird Strom in der Pπmarspule 21 erzeugt, die das Magnet- feld des Kerns 23 verändert und somit eine Spannung in den Sekundarspulen 220, 221, 222, 223, 224 induziert. Dadurch wird jeweils ein Strom erzeugt, der über die Dioden DlO bis D14 fließt und die in den Kondensatoren Cl bis C5 gespeicherten Ladungen erhöht. Dadurch werden auch die von den Konden- satoren bereitgestellten Spannungen erhöht. Je nach Auflade- zustand des Piezo wird selektiv über die Schalter SlO, Sil, S12, S13, S14 eine der von der Reihenschaltung von Kondensatoren bereitgestellten Spannungen auf den Schaltknoten K ge¬ schaltet .By periodically opening and closing the primary switch SP1, current is generated in the parking coil 21, which changes the magnetic field of the core 23 and thus induces a voltage in the secondary coils 220, 221, 222, 223, 224. As a result, a current is generated in each case, which flows through the diodes D10 to D14 and increases the charges stored in the capacitors C1 to C5. This also increases the voltages provided by the capacitors. Depending on the charging state of the piezo is selectively via the switches SLO Sil, S12, S13, S14 provided by the one of the series connection of capacitors voltages on the switching node K ge ¬ on.
Eine Idee dieser Ausfuhrungsform beruht darauf, anstelle einer konstanten Spannung die Versorgungsspannung der Stromquelle CSl in mehreren Stufen, entsprechend dem Anstieg der Spannung am Piezo P, zu erhohen. Anstelle einer Stromquelle CSl kann auch ein gesteuerter Widerstand verwendet werden, dies ist nur eine Frage der Steuercharakteristik.An idea of this embodiment is based on instead of a constant voltage to increase the supply voltage of the current source CSl in several stages, corresponding to the increase of the voltage at the piezo P. Instead of a current source CS1, a controlled resistance can also be used, this is only a question of the control characteristic.
Die mittlere Differenzspannung ΔUb sinkt damit deutlich ab und damit auch die Verlustleistung in der Stromquelle CSl. Je hoher die Anzahl der Stufen, umso kleiner kann die an der Stromquelle abfallende Differenzspannung ΔUb und damit die Verlustleistung gehalten werden.The mean differential voltage ΔUb thus drops significantly and thus also the power loss in the current source CS1. ever the higher the number of stages, the smaller the difference voltage ΔUb dropping at the current source and thus the power loss can be kept.
Die sinnvolle Anzahl der Stufen resultiert aus dem vertretba¬ ren Schaltungsaufwand und der erreichbaren Reduktion der Verlustleistung. In der Praxis wird die Anzahl der Zwischenstufen zwischen 2 und etwa 5 liegen, wobei eine Zwischenstufe eine Spannung zwischen der geringsten Spannung Masse und der maximalen Spannung bezeichnet. Bei weiterer Erhöhung der Zwischenstufen wurde keine signifikante Verbesserung mehr ermittelt.The reasonable number of steps resulting from the vertretba ¬ ren circuitry and the achievable reduction in power dissipation. In practice, the number of intermediate stages will be between 2 and about 5, with an intermediate designating a voltage between the lowest voltage ground and the maximum voltage. As the intermediates were further increased, no significant improvement was found.
Figur 8 zeigt eine Spannungsvervielfachung. Die gewünschte Spannung Uk kann aber auch durch Umschaltung auf mehrere konstante Versorgungsspannungen erreicht werden.FIG. 8 shows a voltage multiplication. The desired voltage Uk can also be achieved by switching to several constant supply voltages.
Figur 9 zeigt den Spannungsverlauf der Spannung Uk am Schaltknoten K über der Zeit beim Aufladen. Die Spannung, die an den Kondensatorplatten mit dem jeweils höheren Potential anliegt, wird für die Kondensatoren Cl, C2, C3 und C4 als UhI, Uh2, Uh3 und Ub bezeichnet.FIG. 9 shows the voltage curve of the voltage Uk at the switching node K over the time during charging. The voltage applied to the capacitor plates with the respective higher potential is referred to for the capacitors Cl, C2, C3 and C4 as UhI, Uh2, Uh3 and Ub.
Die Spannung Uk hat am Anfang den Wert UhI, in dieser Phase ist der Sekundarschalter SlO geschlossen und die restlichen Schalter S2, Sil, S12, S13, S14 und S15 sind geschlossen. In der darauffolgenden Phase wird der Sekundarschalter SlO geöffnet und der Sekundarschalter Sil geschlossen. Dadurch steigt die Spannung Uk auf den Wert Uh2 an. Anschließend wird der Sekundarschalter Sil wieder geöffnet und der Sekundarschalter S12 geschlossen, woraufhin die Spannung Uk auf Uh3 ansteigt. Am Ende des Ladevorgangs wird der Sekundarschalter S12 geschlossen und der Sekundarschalter S13 geschlossen, wo- durch die Spannung Uk am Schaltknoten auf die Endspannung Ub ansteigt .The voltage Uk initially has the value UhI, in this phase the secondary switch S10 is closed and the remaining switches S2, S11, S12, S13, S14 and S15 are closed. In the following phase, the secondary switch SlO is opened and the secondary switch Sil closed. As a result, the voltage Uk rises to the value Uh2. Subsequently, the secondary switch Sil is opened again and the secondary switch S12 is closed, whereupon the voltage Uk rises to Uh3. At the end of the charging process, the secondary switch S12 is closed and the secondary switch S13 is closed. rises to the end voltage Ub through the voltage Uk at the switching node.
In das Diagram ist die über der Last anliegende Spannung Up ebenfalls eingezeichnet. Diese Spannung hat aufgrund der Re¬ gelung des Ladestroms einen kontinuierlichen Verlauf. Die Spannung Uk muss stets großer als Up sein, da die Last aus dem Schaltknoten K aufgeladen wird. Die Differenzspannung AUb=Uk-Up ist so eingestellt, dass ein bestimmter Schwellwert nicht überschritten wird, um die Verlustleistung der Strom- einstelleinπchtung CSl zu begrenzen. Gemäß Figur 8 ist eine Spannungsmessschaltung 40 vorgesehen, die wahrend der Auflade- und Entladevorgänge die Spannung ΔUb misst.The diagram also shows the voltage Up applied across the load. Due to the Re ¬ gelung of the charging current, this voltage has a continuous course. The voltage Uk must always be greater than Up, since the load from the switching node K is charged. The differential voltage AUb = Uk-Up is set so that a specific threshold value is not exceeded in order to limit the power loss of the current setting device CS1. According to FIG. 8, a voltage measuring circuit 40 is provided which measures the voltage ΔUb during the charging and discharging operations.
Figur 10 zeigt das entsprechende Verfahren für die Entladung des Piezo. Dabei muss in diesem Fall die Bezugsspannung Uk für die Entladestromquelle immer tiefer als die Spannung Up am Piezo liegen. Die Energie wird in die Versorgung ruckgespeist. Die Schalter S12, SlO SlO und S2 werden nacheinander jeweils einzeln geöffnet, so dass sich der gezeigte Span¬ nungsverlauf mit den Spannungsstufen Uh3,Uh2, UhI, OV ergibt.Figure 10 shows the corresponding method for the discharge of the piezo. In this case, the reference voltage Uk for the discharge current source must always be lower than the voltage Up at the piezo in this case. The energy is fed back into the supply. The switches S12, SIO SIO and S2 are opened sequentially one at a time, so that the clamping ¬ shown extending voltage, with voltage levels Uh3, Uh2, Uhl, OV is obtained.
Fig. 11 eine Schaltungsanordnung gemäß einer vierten Ausfuh¬ rungsform. Die Last P, der Schaltknoten K und die Stromquelle CSl entsprechen in Anordnung und Funktion den vorherigen Figuren. Die Spannungsemstellungsschaltung 30 weist eine Batterie B, eine Spule L, einen ersten Schalter Sl, eine erste Diode Dl, eine zweite Diode D2, einen zweiten Schalter S2 und einen Kondensator C auf.Fig. 11 shows a circuit arrangement according to a fourth Ausfuh ¬ approximate shape. The load P, the switching node K and the current source CSl correspond in arrangement and function to the previous figures. The voltage-generating circuit 30 includes a battery B, a coil L, a first switch Sl, a first diode D1, a second diode D2, a second switch S2, and a capacitor C.
Die Batterie B ist mit ihrem negativen Pol mit der Masse ver¬ bunden, wahrend ihr positiver Pol mit einem ersten Anschluss der Spule L verbunden ist, dessen zweiter Anschluss mit dem Zwischenknoten ZK verbunden ist. Die erste Diode ist mit ih- rer Kathode an den Zwischenknoten ZK und ihrer Anode an die Masse angeschlossen. Der erste Schalter Sl ist als NMOS Feldeffekttransistor ausgebildet, der mit seiner Drain mit dem Zwischenknoten ZK und mit seiner Source mit der Masse verbun- den ist.The battery B is connected to its negative pole to the ground ver ¬ prevented, while its positive pole is connected to a first terminal of the coil L, the second terminal is connected to the intermediate node ZK. The first diode is connected to Cathode connected to the intermediate node ZK and its anode to the ground. The first switch S1 is designed as an NMOS field-effect transistor, which is connected with its drain to the intermediate node ZK and its source to the ground.
Die zweite Diode D2 ist mit ihrer Anode mit dem Zwischenknoten ZK und mit ihrer Kathode mit dem Schaltknoten K verbun¬ den. Der Kondensator C mit seinen Anschlüssen an den Schalt- knoten K und die Masse angeschlossen. Der zweite Schalter S2 ist mit einem seiner Source- und Dram-Anschlusse mit dem Schaltknoten K und mit dem anderen der Source- und Drain- Anschlusse mit dem Zwischenknoten ZK verbunden.The second diode D2 is verbun ¬ with its anode to the intermediate node ZK and with its cathode to the switching node K verbun ¬ . The capacitor C with its connections to the switching node K and ground connected. The second switch S2 is connected to the switching node K at one of its source and drain terminals and to the intermediate node ZK at the other of the source and drain terminals.
Alternativ kann z.B. die Aufladung an dem Zwischenkreiskon- densator C durch mittels LC-Schwingkreis erzeugt werden. Wichtig ist nur, dass diese Speisespannung immer eine ausreichende, aber nicht zu große Differenz ΔUb zur Spannung am Piezo zur Verfugung stellt.Alternatively, e.g. the charge on the DC link capacitor C are generated by means of LC resonant circuit. It is only important that this supply voltage always provides a sufficient, but not too large difference ΔUb to the voltage at the piezo available.
Die Figur 12 zeigt den Spannungsverlauf der am Schaltknoten K anliegenden Spannung Uk über der Zeit. Die Emspeisung erfolgt mit einer zeitlich invarianten, sich kontinuierlich än¬ dernden, aber den gewünschten Verlauf der Spannung am Piezo nicht wiedergebenden Spannung.FIG. 12 shows the voltage curve of the voltage Uk applied to the switching node K over time. The Emspeisung takes place with a time-invariant, continuously än ¬-promoting, but the desired variation of the voltage at the piezo not reproducing voltage.
Figur 13 veranschaulicht anhand von vier Diagrammen, wie der Anstieg beziehungsweise das Abfallen der Spannung Uk realisiert wird. Die oberen zwei Diagramme zeigen das Aufladen des Kondensators C. Der erste Schalter Sl wird geschlossen, wahrend der zweite Schalter S2 geöffnet bleibt. Der Strom IL durch die Spule L steigt beginnend von 0 linear an, wodurch eine Spannung über der Spule aufgebaut wird und Energie im Magnetfeld der Spule gespeichert wird. Wenn der erste Schal- ter Sl wieder geöffnet wird, steigt die Spannung am Zwischenknoten ZK an, sodass der Strom durch die Diode D2 abfließt. Der Strom IL fließt durch die zweite Diode zum Schaltknoten K, wo der Kondensator C aufgeladen wird.FIG. 13 illustrates, on the basis of four diagrams, how the rise or fall of the voltage Uk is realized. The upper two diagrams show the charging of the capacitor C. The first switch S1 is closed while the second switch S2 remains open. The current IL through the coil L increases linearly from 0, thereby establishing a voltage across the coil and storing energy in the magnetic field of the coil. If the first shell ter Sl is opened again, the voltage at the intermediate node ZK increases, so that the current flows through the diode D2. The current IL flows through the second diode to the switching node K, where the capacitor C is charged.
Im zweiten Diagram wird der Verlauf der Spannung Uk gezeigt. Wahrend der ersten Phase, in der der erste Schalter Sl geschlossen ist, bleibt die Spannung konstant, wogegen sie in der zweiten Phase bei geöffnetem Schalter in Form einer Si- nusviertelwelle ansteigt. Die Spannung Uk wird in einem Zyklus auf- bzw. wieder abgebaut.The second diagram shows the course of the voltage Uk. During the first phase, in which the first switch S1 is closed, the voltage remains constant, whereas in the second phase, when the switch is open, it rises in the form of a sine wave quarter wave. The voltage Uk is opened or closed again in one cycle.
In den zwei unteren Diagrammen werden die Verlaufe des Stroms IL durch die Spule L und die Spannung Uk beim Entladen des Kondensators C gezeigt. Beim Entladen bleibt der Schalter Sl stets geöffnet. Wahrend der ersten Phase ist der Schalter S2 geschlossen und der Strom fließt durch den Schalter S2 und die Spule L in die Batterie zurück. In der zweiten Phase wird der Schalter S2 geöffnet. Die sich am Zwischenknoten ZK sich ergebene negative Spannung wird durch einen Stromfluss durch die Spule L und die erste Diode Dl abgebaut. Wahrend der ersten Phase wird die Spannung UK am Kondensator C verringert.In the two lower diagrams, the curves of the current IL through the coil L and the voltage Uk during discharge of the capacitor C are shown. When unloading the switch Sl always remains open. During the first phase, the switch S2 is closed and the current flows back through the switch S2 and the coil L into the battery. In the second phase, the switch S2 is opened. The negative voltage arising at the intermediate node ZK is dissipated by a current flow through the coil L and the first diode D1. During the first phase, the voltage UK on the capacitor C is reduced.
Fig. 14 veranschaulicht eine Schaltungsanordnung zum Ansteu- ern mehrerer Lasten. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Schalter Sl, einen zweiten Schalter S2, einen Messwiderstand Rs, eine Entladesteuerung 15, eine Aufladesteuerung 14, eine Last P, eine weitere Last P2, einen ersten Auswahlschalter Tl, einen zweiten Auswahlschalter T2, einen ersten SoIl- wertgeber 16 und einen zweiten Sollwertgeber 17 auf. Der erste Schalter Sl und der zweite Schalter S2 sind in Reihe zwischen die Versorgungsspannung Ub und der Masse geschaltet, wobei der Verbindungsknoten zwischen den beiden Schaltern Sl und S2 der Schaltknoten K ist. Die Last P und die weiter Last P2 sind jeweils mit einem An- schluss mit dem Schaltknoten K verbunden, wahrend ihre zweiten Anschlüsse mit einem ersten Anschluss des Auswahlschal- ters Tl beziehungsweise T2 verbunden sind. Die zweiten An¬ schlüsse der beiden Auswahlschalter Tl und T2 sind gemeinsam mit einem ersten Anschluss des Messwiderstands Rs verbunden, dessen zweiter Anschluss mit der Masse verbunden ist. Der erste Anschluss eines Auswahlschalters Tl oder T2 und der zweite Anschluss desselben Auswahlschalters bilden die Laststrecke, wobei die Hohe des durch die Laststrecke fließenden Stroms durch die Steuereingange der Auswahlschalter Tl und T2 bestimmt werden. Die Auswahlschalter Tl und T2 sind als MOSFET-Transistoren ausgebildet. Es können auch IGBT mit pa- ralleler Diode verwendet werden.Fig. 14 illustrates a circuit arrangement for driving a plurality of loads. The circuit arrangement has a first switch S1, a second switch S2, a measuring resistor Rs, a discharge control 15, a charge control 14, a load P, a further load P2, a first selection switch T1, a second selection switch T2, a first reference value transmitter 16 and a second setpoint generator 17. The first switch Sl and the second switch S2 are connected in series between the supply voltage Ub and ground, wherein the connection node between the two switches Sl and S2 of the switching node K is. The load P and the further load P2 are each connected to a connection to the switching node K, while their second terminals are connected to a first terminal of the selector switch T1 or T2. The second An ¬ connections of the two selection switches Tl and T2 are connected in common with a first terminal of the measuring resistor Rs, whose second terminal is connected to the ground. The first terminal of a selection switch Tl or T2 and the second terminal of the same selection switch form the load path, wherein the height of the current flowing through the load path are determined by the control input of the selection switches Tl and T2. The selection switches Tl and T2 are formed as MOSFET transistors. It is also possible to use IGBTs with a parallel diode.
Die Aufladesteuerung 14 und die Entladesteuerung 15 empfangen jeweils die über dem Messwiderstand Rs abfallende Spannung, um die Strome durch den zweiten Schalter S2 und die Auswahl- Schalter Tl und T2 zu steuern, indem ihre Steuereingange ent¬ sprechend angesteuert werden. Die Aufladesteuerung 14 und die Entladesteuerungen 15 empfangen von dem Sollwertgeber 16 bzw. 17 jeweils einen Sollwert für den Ladestrom.The charging control unit 14 and the discharge controller 15 respectively receive the voltage drop across the measuring resistor Rs voltage to the currents through the second switch S2 and the selection switches Tl and T2 to control by their control inputs are driven ent ¬ speaking. The charge controller 14 and the discharge controllers 15 each receive a setpoint value for the charge current from the setpoint generator 16 or 17.
Die ohnehin vorhandenen masseseitigen Halbleiterschalter Tl und T2 zur Auswahl des aktiven Injektors P und P2 werden gleichzeitig zur Stromsteuerung bei der Aufladung des jeweiligen Injektors benutzt. Dabei kann der in der Masseleitung liegender gemeinsamer Strommesswiderstand Rs sowohl für die Steuerung der Aufladung als auch für jene der Entladung benutzt werden. Die Stromregelkreise müssen daher eingangssei- tig nicht umgeschaltet werden. Für die Aufladung ist nur ein Stromregelkreis notwendig, der innerhalb der Steuereinheit auf den jeweils aktiven Transistor geschalten wird. Alle nicht aktiven können über ihren Steuereingang fest auf Masse geschalten werden. Damit er- reicht man neben der Verlagerung der Aufladestromquelle in den leicht zu beherrschenden Massepfad vor allem auch eine Aufteilung der Aufladeverluste auf mehrere ohnehin notwendige Leistungshalbleiter . Wegen des Lade/Entladewirkungsgrades des Piezo sind die Aufladeverluste deutlich hoher als die Ver- lustleistung in der Entladestromquelle.The already existing ground-side semiconductor switches Tl and T2 for selecting the active injector P and P2 are used simultaneously for controlling the current during charging of the respective injector. At this time, the common current sense resistor Rs in the ground line can be used both for controlling the charging and discharging. The current control loops must therefore not be switched on the input side. For charging only one current control loop is necessary, which is switched within the control unit to the respective active transistor. All inactive can be switched firmly to ground via their control input. In addition to the displacement of the charging current source into the easy-to-control ground path, the distribution of the charging losses to a plurality of power semiconductors, which are in any case necessary anyway, is achieved in particular. Because of the charging / discharging efficiency of the piezo, the charging losses are significantly higher than the power loss in the discharge current source.
Die Entladung kann ebenfalls unter Nutzung desselben Strommesswiderstandes gegen Massebezug erfolgen, was die Realisierung in einem gemeinsamen ASIC ermöglicht. Es bleibt ledig- lieh die Notwendigkeit eines Schalters Sl, der die Versorgungsspannung der Endstufe wahrend der Entladung abtrennt.The discharge can also be done using the same current sense resistor to ground reference, which allows the realization in a common ASIC. There remains only the likelihood of a switch Sl, which disconnects the supply voltage of the output stage during the discharge.
Figur 15 zeigt eine Übersicht der erfmdungsgemaßen Schaltungsanordnung.FIG. 15 shows an overview of the inventive circuit arrangement.
Eine Stromquelle CSl ist in Reihe mit der Last P geschaltet. Die Reihenschaltung ist zwischen die Masse und eine Span- nungseinstellungsschaltung 30 geschaltet, die eine Spannung bereitstellt, die abhangig von UP die Verlustleistung über der Spannungsquelle CSl möglichst gering halt. A current source CSl is connected in series with the load P. The series circuit is connected between the ground and a voltage setting circuit 30, which provides a voltage which, depending on U P , minimizes the power loss across the voltage source CS1.
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