DE10120944B4

DE10120944B4 - Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoventile

Info

Publication number: DE10120944B4
Application number: DE10120944.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Szenn Otto; Walter Suchy
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2021-04-21
Also published as: DE10120944A1

Abstract

Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoventile, mit einer Einschalteinrichtung zur Spannungsaufladung des Piezoaktors und einer Ausschalteinrichtung zur Entladung des Piezoaktors, wobei die Einschalteinrichtung als Ladestromquelle (11; 19) und die Ausschalteinrichtung als Entladestromquelle (12; 20) ausgebildet ist und wobei die beiden Stromquellen (11, 12; 19, 20) mit einer Gegentaktschalteinrichtung (18; 29–31) zur alternativen Aktivierung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, 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 Reihenschaltung einer Z-Diode (23, 27) mit einem Widerstand (22, 26) an den Gate-Anschluss des jeweiligen Transistors (21, 25) angeschlossen ist und dass die die Anode der Z-Diode (23) der Ladestromquelle über einen Widerstand (28) mit der Kathode der Z-Diode (27) der Entladestromquelle und/oder dem Gate-Anschluss des Transistors (25) der Entladestromquelle (20) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoventile, mit einer Einschalteinrichtung zur Spannungsaufladung des Piezoaktors und einer Ausschalteinrichtung zur Entladung des Piezoaktors, wobei die Einschalteinrichtung als Ladestromquelle und die Ausschalteinrichtung als Entladestromquelle ausgebildet ist und wobei die beiden Stromquellen durch eine Gegentaktschalteinrichtung zur alternativen Aktivierung versehen sind.
Um minimale Schaltzeiten zu erreichen, wird bei herkömmlichen Steuerschaltungen für Piezoaktoren das Biegeelement des jeweiligen Aktors ungebremst in die Endlage gebracht. Als Einschalteinrichtung wird ein Transistor als Schalter zum Aufladen 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 Versorgungsnetzteil und die Zuleitungen belasten, insbesondere wenn mehrere Piezoaktoren angeschlossen sind, die gleichzeitig eingeschaltet werden. Ein weiterer Nachteil dieser Betriebsart besteht darin, dass das Biegeelement in den Endlagen seine gesamte kinetische Energie auf kürzestem Weg abbauen muss. Dies bedeutet Deformationen und Abnutzungen der mechanischen Teile, was eine Verkürzung der Lebensdauer zur Folge hat.
Die DE 26 00 890 A1 offenbart einen Ultraschallgenerator, bei dem jeweils mit Hilfe einer Zenerdiode eine elektrische Verbindung zwischen dem Emitter und der Basis eines npn-Transistors und eine elektrische Verbindung zwischen dem Emitter und der Basis eines pnp-Transistors geschaffen wird, wobei die Anode der Zenerdiode, die dem pnp-Transistor zugeordnet ist, mit der Kathode der Zenerdiode verbunden ist, die dem npn-Transistor zugeordnet ist, um den Ultraschallgenerator in stabiler Weise zumindest im Wesentlichen mit seiner Eigenfrequenz betreiben zu können.
Aus der DE 199 00 474 A1 ist eine Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements bekannt, bei der ein impulsbreitenmoduliertes Schalten einer Hochspannungsquelle und einer Niederspannungsquelle vorgesehen ist, um einen geringen Leistungsverbrauch zu ermöglichen und eine kompakte Gestaltung der Schaltung zu erlauben.
Die DE 198 14 594 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, wobei der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang bereit eine gewisse Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element beendet wird, wodurch eine sehr präzise Ladung bzw. Entladung des piezoelektrischen Elements erreicht werden soll.
Die Entgegenhaltung JP H10-337 056 A offenbart ebenfalls eine Ansteuerschaltung für einen piezoelektrischen Wandler.
Aus der US 5,917,267 A sind schaltungstechnische Aufbauten für Ansteuerschaltungen von piezoelektrischen Wandlern bekannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steuerschaltung für Piezoaktoren der eingangs genannten Gattung 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 Stromquellen durch als MOSFET ausgebildete Transistoren gebildet werden, deren Source-Anschluss über eine Z-Diode oder die Reihenschaltung einer Z-Diode mit einem Widerstand an den Gate-Anschluss des jeweiligen Transistors angeschlossen ist und dass die die Anode der Z-Diode der Ladestromquelle über einen Widerstand mit der Kathode der Z-Diode der Entladestromquelle und/oder dem Gate-Anschluss des Transistors der Entladestromquelle verbunden ist.
Die Drain-Source-Strecke des Transistors der Ladestromquelle und der damit verbundene Widerstand bilden in vorteilhafter Weise den Ladepfad für den Piezoaktor, wobei der positive Pol der Versorgungsspannung 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 bildet dabei zweckmäßigerweise den Entladepfad. Hierdurch wird eine automatische Entladefunktion im stromlosen Zustand erreicht, indem die Spannung des Piezoaktors den Transistor der Entladestromquelle stromleitend macht. Durch die Z-Dioden wird ein günstiges Lade- und Entladeverhalten bei leicht einstellbarem 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 Entladestromquelle 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 exponentiell fallender Strom aus dem Piezoaktor heraus, wodurch das Biegeelement auch die andere Endlage sanft erreicht.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steuerschaltung bestehen insbesondere darin, dass hohe Stromspitzen vermieden und dadurch der Piezoaktor, das Versorgungsnetzteil und die Zuleitungen geschont werden, was zu einer Verlängerung der Lebensdauer 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 geringeren 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 Anspruch 1 angegebenen Steuerschaltung möglich.
Die Stromquellen weisen in vorteilhafter Weise eine Stromregelung auf, um den Spannungsaufbau und Spannungsabbau des Piezoaktors noch zu optimieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Steuertransistor vorgesehen, 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 erfindungsgemäße Steuerschaltung lässt sich auch als Zweidraht-Anordnung realisieren, wobei dann der Steuereingang über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung bzw. Versorgungsspannungsleitung verbunden ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einer prinzipiellen Darstellung und
2 eine schaltungsmäßig detailliertere Steuerschaltung mit Z-Dioden als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird ein Piezoaktor 10 zum Betätigen über eine Ladestromquelle 11 mit einem Ladestrom I_LD geladen und zum Deaktivieren über eine Entladestromquelle 12 mit einem Entladestrom I_EL entladen. Die beiden Stromquellen 11, 12 sind dabei in Reihe zwischen einem positiven Versorgungsspannungspol 13 und einem negativen Versorgungsspannungspol 14 geschaltet. Der Piezoaktor 10 ist dabei parallel zur Entladestromquelle 12 geschaltet.
Der Piezoaktor 10 stellt elektrisch gesehen einen Kondensator dar. Es kann sich dabei um ein Piezoventil bzw. Piezoventilglied, ein sonstiges Betätigungsglied oder einen Linearmotor, wie einen Inchworm-Motor, handeln. Derartige Piezoventile werden beispielsweise als pneumatische Vorsteuerventile eingesetzt.
Die Stromquellen 11, 12 werden durch sie steuernde Regelungsschaltteile 15, 16 geregelt, die als Stromregelkreise ausgebildet sein können. Steuersignale an einem Steuereingang 17 werden dem Regelungsschaltteil 16 direkt und dem Regelungsschaltteil 15 über einen Inverter 18 zugeführt, der als Gegentaktschalteinrichtung fungiert. Das heißt, wenn die Ladestromquelle 11 eingeschaltet ist, so ist die Entladestromquelle 12 automatisch ausgeschaltet und umgekehrt.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform oder Ausgestaltung der in 1 nur prinzipiell dargestellten Steuerschaltung dar. Gleiche Bauteile und Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals detailliert beschrieben.
Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel sind wiederum eine Ladestromquelle 19 und eine Entladestromquelle 20 in Reihe zwischen 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 Widerstands 22 mit einer Z-Diode 23 verbunden ist. Weiterhin ist der Drain-Anschluss dieses Transistors 21 sowohl mit dem positiven Versorgungsspannungspol 13 als auch über einen weiteren 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 Reihenschaltung eines Widerstands 26 mit einer Z-Diode 27 miteinander verbunden sind. Die mit dem Widerstand 26 verbundene Anode der Z-Diode 27 liegt dabei am negativen Versorgungsspannungspol 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 Entladestromquelle 20 geschaltet. Der Steuereingang bzw. Basisanschluss dieses Transistors 29 ist über einen Eingangswiderstand 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 stromleitend 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 Widerstand 24 wird dabei der Transistor 21 und damit die Ladestromquelle 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 Widerstandswert des Widerstands 22 U_Z23/R₂₂. Dieser Ladestrom fließt so lange, bis die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung am Piezoaktor 10 und der Versorgungsspannung kleiner als die Z-Spannung U_Z23 wird. Danach fließt ein exponentiell fallender Strom in den Piezoaktor 10, dessen Biegeelement dadurch 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 Versorgungsspannungspols 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 Entladestromquelle 20 eingeschaltet.
Der Entladestrom durch die Z-Diode 23, den Transistor 25 und den Widerstand 26 entspricht dabei U_Z27/R₂₆. Dieser Entladestrom 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 andere 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 Piezoaktor 10 entladen ist. Diese Funktionsweise hat den Vorteil, 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 Piezokristall wirksam verhindert werden.

Claims

Steuerschaltung für Piezoaktoren, insbesondere Piezoventile, mit einer Einschalteinrichtung zur Spannungsaufladung des Piezoaktors und einer Ausschalteinrichtung zur Entladung des Piezoaktors, wobei die Einschalteinrichtung als Ladestromquelle (11; 19) und die Ausschalteinrichtung als Entladestromquelle (12; 20) ausgebildet ist und wobei die beiden Stromquellen (11, 12; 19, 20) mit einer Gegentaktschalteinrichtung (18; 29–31) zur alternativen Aktivierung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, 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 Reihenschaltung einer Z-Diode (23, 27) mit einem Widerstand (22, 26) an den Gate-Anschluss des jeweiligen Transistors (21, 25) angeschlossen ist und dass die die Anode der Z-Diode (23) der Ladestromquelle über einen Widerstand (28) mit der Kathode der Z-Diode (27) der Entladestromquelle und/oder dem Gate-Anschluss des Transistors (25) der Entladestromquelle (20) verbunden ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquellen (11, 12; 19, 20) eine Stromregelung (15, 16) aufweisen.
Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Source-Strecke des Transistors (21) der Ladestromquelle (19) und der damit verbundene Widerstand (22) den Ladepfad für den Piezoaktor (10) bilden.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Pol (13) der Versorgungsspannung an den Drain-Anschluss des Transistors (21) der Ladestromquelle (19) und über einen Widerstand (24) an dessen Gate-Anschluss gelegt ist.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Z-Diode (23) der Ladestromquelle (19) mit der Drain-Source-Strecke des Transistors (25) der Entladestromquelle (20) und dem damit verbundenen Widerstand (26) den Entladepfad bildet.
Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den Steuereingang (17) der Steuerschaltung schaltbarer Steuertransistor (29) vorgesehen ist, dessen Schaltstrecke parallel zur Z-Diode (27) der Entladestromquelle (20) und/oder parallel zur Gate-Source-Strecke des Transistors (25) der Entladestromquelle (20) und dem daran angeschlossenen Widerstand (26) geschaltet ist.
Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Steuereingang über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung verbunden ist.
Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (10) derart mit dem Steuereingang der Entladestromquelle (20) in Wirkverbindung steht, dass bei abgeschalteter Versorgungsspannung im Piezoaktor (10) vorhandene oder entstehende Spannungen zur Einschaltung der Entladestromquelle führen.