DE10120944A1 - Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoventile - Google Patents
Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere PiezoventileInfo
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Abstract
Es wird eine Steurschaltung für Piezoaktoren (10), insbesondere Piezoventile, vorgeschlagen, wobei eine Ladestromquelle (11) zur Spannungsaufladung des Piezoaktors (10) und eine Entladestromquelle (12) zur Entladung des Piezoaktors (10) vorgesehen sind. Die beiden Stromquellen (11, 12) sind mit einer Gegentaktschalteinrichtung (18) zur alternativen Aktivierung versehen. Durch die Stromquellen werden Stromspitzen vermieden, und es wird ein sanftes Anlegen des spannungsabhängig sich bewegenden Biegeelements des Piezoaktors (10) erreicht.
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für Piezoaktoren,
insbesondere Piezoventile, mit einer Einschalteinrichtung zur
Spannungsaufladung des Piezoaktors und einer Ausschaltein
richtung zur Entladung des Piezoaktors.
Um minimale Schaltzeiten zu erreichen, wird bei herkömmlichen
Steuerschaltungen für Piezoaktoren das Biegeelement des je
weiligen Aktors ungebremst in die Endlage gebracht. Als Ein
schalteinrichtung wird ein Transistor als Schalter zum Aufla
den und ein weiterer Transistor als Schalter zum Entladen des
Piezoaktors verwendet. Dabei entstehen in nachteiliger Weise
unkontrolliert große Lade- und Entladeströme, wobei die
Stromspitzen sowohl den Piezoaktor selbst als auch das Ver
sorgungsnetzteil und die Zuleitungen belasten, insbesondere
wenn mehrere Piezoaktoren angeschlossen sind, die gleichzei
tig eingeschaltet werden. Ein weiterer Nachteil dieser Be
triebsart besteht darin, dass das Biegeelement in den Endla
gen seine gesamte kinetische Energie auf kürzestem Weg abbau
en muss. Dies bedeutet Deformationen und Abnutzungen der me
chanischen Teile, was eine Verkürzung der Lebensdauer zur
Folge hat.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Steuerschaltung für Piezoaktoren der eingangs genannten Gat
tung zu schaffen, durch die neben verbesserten Schaltzeiten
ein sanfter Anschlag des Piezo-Biegeteils in den Endlagen bei
geringeren Strömen erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die
Einschalteinrichtung als Ladestromquelle und die Ausschalt
einrichtung als Entladestromquelle ausgebildet ist, wobei die
beiden Stromquellen durch eine Gegentaktschalteinrichtung
miteinander verknüpft sind.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steuerschaltung bestehen
insbesondere darin, dass hohe Stromspitzen vermieden und da
durch der Piezoaktor, das Versorgungsnetzteil und die Zulei
tungen geschont werden, was zu einer Verlängerung der Lebens
dauer führt. Durch den durch die Stromquelle vorgegebenen
Aufladestrom wird eine definierte Bewegung des Biegeelements
des Piezoaktors und eine sanfte und schonende Anlage in den
Endlagen gewährleistet. Trotz des gegenüber der herkömmlichen
Ausgestaltung geringeren Stroms wird ein schnelleres Schalten
dadurch erreicht, dass ein Prellen in den Endlagen verhindert
wird, was insbesondere bei Ventilen und piezo-elektrischen
Ventilgliedern von besonderem Vorteil ist. Durch die geringe
ren Ströme und das Vermeiden von Strom- und Spannungsspitzen
werden elektromagnetische Störungen und Störabstrahlungen
drastisch verringert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An
spruch 1 angegebenen Steuerschaltung möglich.
Die Stromquellen weisen in vorteilhafter Weise eine Stromre
gelung auf, um den Spannungsaufbau und Spannungsabbau des
Piezoaktors noch zu optimieren.
Die Stromquellen werden dabei vorzugsweise durch MOSFET-
Transistoren gebildet, deren Source-Anschluss über eine Z-
Diode oder die Reihenschaltung einer Z-Diode mit einem Wider
stand an den Gate-Anschluss angeschlossen ist. Dabei ist die
Anode der Z-Diode der Ladestromquelle in einer bevorzugten
Ausführungsform über einen Widerstand mit der Kathode der Z-
Diode der Entladestromquelle verbunden. Die Drain-Source-
Strecke des Transistors der Ladestromquelle und der damit
verbundene Widerstand bildet in vorteilhafter Weise den Lade
pfad für den Piezoaktor, wobei der positive Pol der Versor
gungsspannung zweckmäßigerweise an den Drain-Anschluss des
Transistors der Ladestromquelle und über einen Widerstand an
dessen Gate-Anschluss gelegt ist. Die Reihenschaltung der Z-
Diode der Ladestromquelle mit der Drain-Source-Strecke des
Transistors der Entladestromquelle und deren Widerstand bil
det dabei zweckmäßigerweise den Entladepfad. Hierdurch wird
eine automatische Entladefunktion im stromlosen Zustand er
reicht, indem die Spannung des Piezoaktors den Transistor der
Entladestromquelle stromleitend macht. Durch die Z-Dioden
wird ein günstiges Lade- und Entladeverhalten bei leicht ein
stellbarem Lade- und Entladestrom erreicht. Dieser Lade- bzw.
Entladestrom fließt so lange im Wesentlichen konstant, bis
die jeweilige Z-Spannung der Z-Dioden in der Lade- und Entla
destromquelle erreicht wird. Danach fließt automatisch in der
Ladestromquelle ein exponentiell fallender Strom, wodurch die
Endlage sanft erreicht wird. Entsprechend fließt auch in der
Entladestromquelle nach Erreichen der Z-Spannung ein exponen
tiell fallender Strom aus dem Piezoaktor heraus, wodurch das
Biegeelement auch die andere Endlage sanft erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Gegentakt
schalteinrichtung durch einen durch den Steuereingang des
Steuerschalters schaltbaren Steuertransistor gebildet, dessen
Schaltstrecke parallel zur Z-Diode der Entladestromquelle
und/oder parallel zur Gate-Source-Strecke des Transistors der
Entladestromquelle und dem daran angeschlossenen Widerstand
geschaltet ist. Hierdurch kann die Gegentaktschalteinrichtung
mit einfachsten Mitteln kostengünstig realisiert werden.
Die Gegentaktschalteinrichtung kann auch als Inverter ausge
bildet sein, der die Einschalt- oder Steuereingänge der bei
den Stromquellen miteinander verbindet. Auch dies kann auf
einfache Weise realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Steuerschaltung lässt sich auch als
Zweidraht-Anordnung realisieren, wobei dann der Steuereingang
über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Versorgungs
spannung bzw. Versorgungsspannungsleitung verbunden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar
gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einer prinzipiel
len Darstellung und
Fig. 2 eine schaltungsmäßig detailliertere Steuerschaltung
mit Z-Dioden als zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
wird ein Piezoaktor 10 zum Betätigen über eine Ladestromquel
le 11 mit einem Ladestrom ILD geladen und zum Deaktivieren
über eine Entladestromquelle 12 mit einem Entladestrom IEL
entladen. Die beiden Stromquellen 11, 12 sind dabei in Reihe
zwischen einem positiven Versorgungsspannungspol 13 und einem
negativen Versorgungsspannungspol 14 geschaltet. Der Piezoak
tor 10 ist dabei parallel zur Entladestromquelle 12 geschal
tet.
Der Piezoaktor 10 stellt elektrisch gesehen einen Kondensator
dar. Es kann sich dabei um ein Piezoventil bzw. Piezoventil
glied, ein sonstiges Betätigungsglied oder einen Linearmotor,
wie einen Inchworm-Motor, handeln. Derartige Piezoventile
werden beispielsweise als pneumatische Vorsteuerventile ein
gesetzt.
Die Stromquellen 11, 12 werden durch sie steuernde Regelungs
schaltteile 15, 16 geregelt, die als Stromregelkreise ausge
bildet sein können. Steuersignale an einem Steuereingang 17
werden dem Regelungsschaltteil 16 direkt und dem Regelungs
schaltteil 15 über einen Inverter 18 zugeführt, der als Ge
gentaktschalteinrichtung fungiert. Das heißt, wenn die Ladestromquelle
11 eingeschaltet ist, so ist die Entladestrom
quelle 12 automatisch ausgeschaltet und umgekehrt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine
bevorzugte Ausführungsform oder Ausgestaltung der in Fig. 1
nur prinzipiell dargestellten Steuerschaltung dar. Gleiche
Bauteile und Elemente sind mit denselben Bezugszeichen verse
hen und nicht nochmals detailliert beschrieben.
Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel sind wiederum eine La
destromquelle 19 und eine Entladestromquelle 20 in Reihe zwi
schen den beiden Versorungsspannungspolen 13, 14 geschaltet.
Die Ladestromquelle besteht im wesentlichen aus einem als
MOSFET ausgebildeten Transistor 21, dessen Source-Anschluss
mit dem Gate-Anschluss über die Reihenschaltung eines Wider
stands 22 mit einer Z-Diode 23 verbunden ist. Weiterhin ist
der Drain-Anschluss dieses Transistors 21 sowohl mit dem po
sitiven Versorgungsspannungspol 13 als auch über einen weite
ren Widerstand 24 mit dem Gate-Anschluss dieses Transistors
21 verbunden.
Die Entladestromquelle 20 besteht in ähnlicher Weise wiederum
im Wesentlichen aus einem als MOSFET ausgebildeten Transistor
25, dessen Source-Anschluss und Gate-Anschluss über die Rei
henschaltung eines Widerstands 26 mit einer Z-Diode 27 mit
einander verbunden sind. Die mit dem Widerstand 26 verbundene
Anode der Z-Diode 27 liegt dabei am negativen Versor
gungsspannungspol 14. Ein weiterer Widerstand 28 verbindet
den Gate-Anschluss des Transistors 25 mit der Anode der Z-
Diode 23 sowie mit einem Anschluss des Piezoaktors 10, dessen
anderer Anschluss am negativen Versorgungsspannungspol 14
liegt.
Als Gegentaktschalteinrichtung ist die Schaltstrecke eines
weiteren Transistors 29 parallel zur Z-Diode 27 der Entlade
stromquelle 20 geschaltet. Der Steuereingang bzw. Basisan
schluss dieses Transistors 29 ist über einen Eingangswider
stand 30 mit dem Steuereingang 17 sowie über einen Basis-
Emitter-Widerstand 31 mit dem Emitter dieses Transistors 29
sowie mit dem negativen Versorgungsspannungspol 14 verbunden.
Wird ein Steuersignal zur Aktivierung des Piezoaktors 10 an
den Steuereingang 17 gelegt, so wird der Transistor 29 strom
leitend geschaltet, wodurch die Gate-Spannung des Transistors
25 auf Null (Potenzial des negativen Versorgungsspannungspols
14) gezogen wird. Hierdurch sperrt der Tansistor 25, so dass
die Entladestromquelle 20 ausgeschaltet ist. Über den Wider
stand 24 wird dabei der Transistor 21 und damit die Lade
stromquelle 19 eingeschaltet. Ein Ladestrom fließt durch den
Transistor 21 und den Widerstand 22 und lädt den Piezoaktor
10 auf, so dass sein nicht dargestelltes Biegeelement in die
andere Endlage bewegt wird. Der Ladestrom entspricht dabei
dem Quotienten aus der Z-Spannung der Z-Diode 23 und dem Wi
derstandswert des Widerstands 22 UZ23/R22. Dieser Ladestrom
fließt so lange, bis die Spannungsdifferenz zwischen der
Spannung am Piezoaktor 10 und der Versorgungsspannung kleiner
als die Z-Spannung UZ23 wird. Danach fließt ein exponentiell
fallender Strom in den Piezoaktor 10, dessen Biegeelement da
durch die Endlage sanft erreicht.
Wird nun ein Steuersignal 0 an den Steuereingang 17 gelegt,
so wird der Transistor 29 ausgeschaltet und der Transistor 25
über den Widerstand 28 eingeschaltet. Die Kathode der Z-Diode
23 wird in Richtung des Potenzials des negativen Versor
gungsspannungspols 14 gezogen, wodurch diese Z-Diode 23 in
der Durchlassrichtung eingeschaltet wird. Der Spannungsabfall
an dieser Z-Diode 23 führt zu einer negativen Vorspannung am
Gate des Transistors 21, der dadurch gesperrt wird. Somit ist
die Ladestromquelle 19 ausgeschaltet und die Entladestrom
quelle 20 eingeschaltet.
Der Entladestrom durch die Z-Diode 23, den Transistor 25 und
den Widerstand 26 entspricht dabei UZ27/R26. Dieser Entlade
strom ist wiederum so lange konstant, bis die Spannung am
Piezoaktor 10 größer als die Z-Spannung an der Z-Diode 27
wird. Danach fließt ein exponentiell fallender Strom aus dem
Piezoaktor 10 heraus, wodurch sein Biegeelement auch die an
dere Endlage sanft erreicht.
Bei einem Spannungsausfall wird der Transistor 29 automatisch
gesperrt, wodurch der Transistor 25 durch die Spannung des
Piezoaktors 10 über den Widerstand 28 freigeschaltet wird.
Dieser Zustand wird so lange aufrecht erhalten, bis der Pie
zoaktor 10 entladen ist. Diese Funktionsweise hat den Vor
teil, dass der Piezoaktor 10 auch bei einer unerwünschten
Aufladung durch mechanische oder thermische Einflüsse auch
bei nicht angelegter Spannung automatisch entladen wird, so
dass entsprechende Schäden oder Veränderungen im Piezokris
tall wirksam verhindert werden.
Claims (12)
1. Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoven
tile, mit einer Einschalteinrichtung zur Spannungsaufladung
des Piezoaktors und einer Ausschalteinrichtung zur Entladung
des Piezoaktors, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschalt
einrichtung als Ladestromquelle (11; 19) und die Ausschalt
einrichtung als Entladestromquelle (12; 20) ausgebildet ist,
wobei die beiden Stromquellen (11, 12; 19, 20) mit einer Ge
gentaktschalteinrichtung (18; 29-31) zur alternativen Akti
vierung versehen sind.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Stromquellen (11, 12; 19, 20) eine Stromregelung
(15, 16) aufweisen.
3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Stromquellen (19, 20) durch als MOSFET
ausgebildete Transistoren (21, 25) gebildet werden, deren
Source-Anschluss über eine Z-Diode (23, 27) oder die Reihen
schaltung einer Z-Diode (23, 27) mit einem Widerstand (22,
26) an den Gate-Anschluss angeschlossen ist.
4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Anode der Z-Diode (23) der Ladestromquelle über ei
nen Widerstand (28) mit der Kathode der Z-Diode (27) der Ent
ladestromquelle und/oder dem Gate-Anschluss des Transistors
(25) der Entladestromguelle (20) verbunden ist.
5. Steuerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Drain-Source-Strecke des Transistors (21)
der Ladestromquelle (19) und der damit verbundene Widerstand
(22) den Ladepfad für den Piezoaktor (10) bilden.
6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da
durch gekennzeichnet, dass der positive Pol (13) der Versor
gungsspannung an den Drain-Anschluss des Transistors (21) der
Ladestromguelle (19) und über einen Widerstand (24) an dessen
Gate-Anschluss gelegt ist.
7. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Z-Diode
(23) der Ladestromquelle (19) mit der Drain-Source-Strecke
des Transistors (25) der Entladestromquelle (20) und dem da
mit verbundenen Widerstand (26) den Entladepfad bildet.
8. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass ein durch den Steuereingang (17)
der Steuerschaltung schaltbarer Steuertransistor (29) als Ge
gentaktschalteinrichtung vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke
parallel zur Z-Diode (27) der Entladestromguelle (20)
und/oder parallel zur Gate-Source-Strecke des Transistors
(25) der Entladestromquelle (20) und dem daran angeschlosse
nen Widerstand (26) geschaltet ist.
9. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass die Gegentaktschalteinrichtung
(18) als Inverter ausgebildet ist.
10. Steuerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die als Inverter ausgebildete Gegentaktschalteinrichtung
(18) die Einschalt- oder Steuereingänge der beiden Stromquel
len (11, 12) miteinander verbindet.
11. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ihr Steuereingang über einen Wi
derstand mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung ver
bunden ist.
12. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (10) derart mit
dem Steuereingang der Entladestromquelle (20) in Wirkverbin
dung steht, dass bei abgeschalteter Versorgungsspannung im
Piezoaktor (10) vorhandene oder entstehende Spannungen zur
Einschaltung der Entladestromquelle führen.
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