DE19529662A1

DE19529662A1 - Anordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors

Info

Publication number: DE19529662A1
Application number: DE1995129662
Authority: DE
Inventors: Axel Both; Andreas Dipl Phys Kappel; Hans Prof Meixner; Randolf Dr Mock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2015-08-12
Also published as: DE19529662C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Ansteue rung eines piezoelektrischen Aktors anzugeben, bei der die Verlustenergie minimiert ist.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ist es von besonderem Vorteil, das Schaltelement gemäß Anspruch 2 als Transistor auszuführen, da ein schnelles Schalten und damit verbundene geringe Schalt verluste erreicht werden können. Weiterhin kann durch eine niedrige Ansteuerspannung zur Ansteuerung des Transistors auf eine zusätzliche externe Spannungsversorgung verzichtet wer den.

Zur Verbesserung der Kopplung der beiden Induktivitäten ist es gemäß Anspruch 3 von Vorteil, einen Übertrager einzu setzen.

Bei einer Anordnung gemäß Anspruch 4 können die Zeitpunkte zur Ansteuerung des Piezoaktors beliebig gewählt werden.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform von der Erfindung darge stellt als Blockschaltbild,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt als Blockschaltbild,

Fig. 4 ein Frequenz-Spannungsdiagramm,

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt als Blockdiagramm,

Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung dargestellt als Blockdiagramm,

Fig. 7 den Schaltplan der in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsform,

Fig. 8 den Schaltplan eines Minimum-Maximum-Detektors, wie er in den Ausführungsbeispielen 2 bis 5 verwendet wird und

Fig. 9 den Schaltplan eines Verzögerungsglieds, wie es in den Ausführungsbeispielen 2 bis 5 eingesetzt wird.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Anordnung gemäß Fig. 1 stellt ein erstes Ausführungsbei spiel dar. Die Primärwicklung PW des Übertragers TO bildet zusammen mit dem piezoelektrischen Aktor P einen LC-Serienschwingkreis. Dabei stellt die Primärwicklung PW die Induktivität und der piezoelektrische Aktor P die Kapazität des LC-Serienschwingkreises dar. An diesen Serienschwingkreis liegt eine Hilfsspannung U_H an. Sofern der Verstärkungsfaktor k des Verstärkers V Null ist, fließt die Energie über die Primärwicklung PW in den Piezoaktor P. Der Verstärker V kann beispielsweise ein Transistor sein. Der Piezoaktor P ist mit einem Anschluß mit Masse verbunden. Die Sekundärwicklung SW des Übertragers TO ist mit dem Steuereingang des Verstärkers V verbunden. Da in Fig. 1 der Verstärker V Transistor ist, stellt der Basisanschluß des Transistors den Steuereingang des Verstärkers V dar. Liegt an der Basis des Transistors ei ne entsprechende Ansteuerspannung an, so öffnet der Transi stor und die im piezoelektrischen Aktor P gespeicherte Ener gie fließt über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors in einen Pufferkondensator CE. Die beiden Widerstände R1 und R2, welche einen Spannungsteiler bilden und der Kondensator CAP dienen zusammen zur Einstellung des Arbeitspunkts des Transistors.

Die Rückkopplung des Serienschwingkreises erfolgt durch den Übertrager TO.

Aufgrund der hohen Kapazität des piezoelektrischen Aktors P treten Ströme von einigen Ampere, je nach Güte des Real schwingkreises auf, so daß der im Verstärkerbetrieb arbei tende Transistor sowie der Übertrager entsprechend ausgelegt sein müssen.

Wegen der bis zu mehreren µF betragenden Kapazität des pie zoelektrischen Aktors P in Verbindung mit der Anregungsfre quenz von mehreren kHz betragen die Lade- und Entladeströme bis zu 20 A. Die Ansteuerspannung für den piezoelektrischen Aktor kann bis zu 1000 V betragen.

Zweites Ausführungsbeispiel

Zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung die Frequenz zur Ansteuerung des Piezoaktors P variiert werden. Mittels eines Schalters S kann der Piezoaktor P von der übrigen Anordnung getrennt werden, wenn die Spannung über dem Piezoaktor P ma ximal oder minimal ist. Zu diesen Zeitpunkten befindet sich die Energie des Schwingkreises vollständig im elektrischen Feld des Pufferkondensators der Hilfsspannungsquelle (Minimum) oder in dem Piezoaktor P (Maximum). Dadurch erfolgt das Schalten bei minimalem Energieverlust innerhalb des Schwingkreises und ist daher verlustarm.

Die kapazitiv gespeicherte Energie kann nahezu beliebig lang erhalten werden. So läßt sich die Periodendauer des Schwing kreises verlängern, ohne daß dabei zusätzliche Verluste ent stehen. Dazu ist ein Verzögerungsglied VZG vorgesehen. Diese Art der Frequenzänderung wird im weiteren Verlauf Minimum oder Maximum-Verlängerung genannt. Vergleiche hierzu Fig. 4.

Wird der Piezoaktor P zum Zeitpunkt des Spannungsminimums ab geschaltet, erfolgt über den Kondensator LR ein Wiederan schwingen der Schaltung.

Zur Detektion des Spannungsminimums und des Spannungsmaximums ist ein Minimum/Maximum- Detektor MMD vorgesehen. Mit VCC ist die Versorgungsspannung bezeichnet.

Drittes Ausführungsbeispiel

Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich in der in Fig. 3 gezeigten dritten Ausfüh rungsform der Schalter S zwischen dem Piezoaktor P und dem Übertrager TO. Der Vorteil dieser dritten Ausführungsform er gibt sich aus dem festen Bezugspotential für die Ansteuerung des Schalters S, was eine einfache Schaltung ermöglicht. Da durch entfällt die Erdung des Piezoaktors P, und dieser be sitzt somit keinen Zustand völliger Spannungslosigkeit.

Ebenso wie in Fig. 2 dient der Kondensator LR zum Wiederan schwingen der Schaltung, wenn der Piezoaktor P im Spannungs minimum abgeschaltet wird.

In Fig. 4 ist der Spannungsverlauf der Piezoaktorspannung U_P gegenüber der Frequenz f aufgetragen. Das in den Ausführungs beispielen 2 und 3 vorhandene Verzögerungsglied VZG erzeugt eine Verzögerungsdauer T_v, um die die Spannungszuschaltung oder Spannungsabschaltung am Piezoaktor P verzögert werden kann.

Die Frequenz f ist in einem Bereich von etwa 2 . . . 10 KHz einstellbar. Üblicherweise liegt sie bei 5 KHz.

Viertes Ausführungsbeispiel

Mit der in Fig. 5 gezeigten Anordnung können zwei Piezoakto ren P1 und P2 angesteuert werden. Grundlage hierzu ist das in Fig. 3 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel.

Im vierten Ausführungsbeispiel wird die Energie zwischen den einzelnen Piezoaktoren P1 und P2 hin- und hergeschoben. Da nur ein Übertrager verwendet wird, vermindern sich die ent stehenden magnetischen Verluste gegenüber einer Schaltung bei der zur Ansteuerung zweier Piezoaktoren jeweils eine eigen ständige Ansteuerelektronik vorgesehen ist.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel in der Anordnung des Übertragers TO.

In Fig. 7 ist der Schaltplan zu dem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel gezeigt.

Bei der im Minimum zwischengespeicherten Energie wird der Stromfluß beim Öffnen des Schalters S auf den Pufferkondensa tor CE der Hilfsspannung umgeleitet. Zum Schutz der Hilfs spannungsquelle gegen eine externe Überspannung an ihrem Aus gang ist eine Diode in Sperrichtung nachgeschaltet. Beim Schließen des Schalters S wird der Pufferkondensator CE ent laden und stellt die zwischengespeicherte Energie wieder zur Verfügung.

Die Verlängerungszeiten T_v (Minimum- und/oder Maximumverlän gerung) durch die jeweiligen Schaltdauern sind unabhängig voneinander einstellbar.

Um eine Signalsymmetrie zu erhalten, werden die beiden Ver längerungszeiten gleich lang gewählt.

An den Schalter S werden folgende Anforderungen gestellt. Er soll verlustarm zum Zeitpunkt des Spannungsminimums oder Spannungsmaximums am Piezoaktor P schalten. Es ist zu berück sichtigen, daß die Stromrichtung wechselt. Außerdem muß der Schalter S schneller sperren als der Verstärker V öffnet, um eine Entladung des Piezoaktors P über den Verstärker V zu verhindern.

Der Schalters S weist eine Darlington-Stufe auf.

Die Verwendung eines derartigen Schalters S gewährleistet, daß dieser schneller als der Verstärkertransistor V sperrt und somit verhindert, daß eine Entladung des Piezoaktors P über den Verstärkertransistor erfolgen kann.

In Fig. 8 ist ein Minimum-Maximum-Detektor gezeigt, wie er in den Ausführungsbeispielen 2 bis 5 eingesetzt wird.

In Fig. 9 ist das Verzögerungsglied zur Erzeugung der Verzö gerungszeit T_v gezeigt, wie es in den Ausführungsbeispielen 2 bis 5 verwendet wird.

Die Anschlüsse "Schalter" und "COAX X1" in Fig. 7 sind mit den in Fig. 9 gleichnamig bezeichneten Anschlüssen verbun den.

Claims

1. Anordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors,

- bei der die Kapazität des piezoelektrischen Aktors (P) und eine erste Induktivität (PW) einen LC-Serienschwing kreis bilden,
- bei der eine zweite Induktivität (SW) vorgesehen ist, mit welcher zur Rückkopplung des LC-Serienschwingkreises die erste Induktivität (PW) gekoppelt ist,
- bei der die zweite Induktivität (SW) mit dem Steuerein gang eines Verstärkers (V) verbunden ist,
- bei der der Verstärker (V) so mit einem Pufferkondensator (CE) und dem piezoelektrischen Aktor (P) verbunden ist, daß ein Energiefluß über den Verstärker (V) zum Pufferkondensa tor (CE) stattfinden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Verstärker (V) ein Transistor ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Induktivität (PW) und die zweite Indukti vität (SW) Bestandteile eines Übertragers (TO) sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, bei der zur Einstellung des Arbeitspunkts des Verstärkers (V) ein Spannungsteiler (R1, R2) vorgesehen ist, mit wel chem der Verstärker (V) über die zweite Induktivität (SW) verbunden ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4,

- bei der ein Schaltelement (S) vorgesehen ist, mit welchem der piezoelektrische Aktor (P) von der Energieversorgung abklemmbar ist,
- bei der ein Extremwertdetektor (EWD) vorgesehen ist, mit welchem der minimale und der maximale Spannungsabfall am piezoelektrischen Aktor (P) detektierbar ist,
- bei der der Extremwertdetektor (EWD) mit dem Steuerein gang des Schaltelements (S) verbunden ist.

6. Anordnung zur Ansteuerung zweier piezoelektrischer Aktoren,

- bei der ein erster piezoelektrischer Aktor (P1) und ein zweiter piezoelektrischer Aktor (P2) vorgesehen sind,
- bei der die Kapazität des ersten piezoelektrischen Aktors (P1) mit einer ersten Induktivität (PW) einen ersten LC-Serienschwingkreis bildet,
- bei der die Kapazität des zweiten piezoelektrischen Ak tors (P2) mit der ersten Induktivität (PW) einen zweiten LC-Serienschwingkreis bildet,
- bei der eine zweite Induktivität (SW) vorgesehen ist, mit welcher zur Rückkopplung der beiden LC-Serienschwingkreise die erste Induktivität (PW) gekoppelt ist,
- bei der ein erstes Schaltelement (S) vorgesehen ist, mit welchem der erste piezoelektrische Aktor (P1) von der Ener gieversorgung abklemmbar ist,
- bei der ein zweites Schaltelement (S) vorgesehen ist, mit welchem der zweite piezoelektrische Aktor (P2) von der Energieversorgung abklemmbar ist,
- bei der ein Extremwertdetektor (EWD) vorgesehen ist, mit welchem der minimale und der maximale Spannungsabfall am ersten und am zweiten piezoelektrischen Aktor (P1, P2) de tektierbar ist, und welcher die beiden Schaltelemente (S1, S2) ansteuert,
- bei der die zweite Induktivität (SW) mit dem Eingang ei nes ersten Verstärker (V1) und eines zweiten Verstärkers (V2) verbunden ist,
- bei der der Ausgang des ersten Verstärkers (V1) mit dem ersten Serienschwingkreis und der Ausgang des zweiten Ver stärkers (V2) mit dem zweiten Serienschwingkreis verbunden ist.