DE19714610A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen ElementsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11, d. h. ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezo
elektrischen Elements.
Bei den vorliegend näher betrachteten piezoelektrischen Ele
menten handelt es sich insbesondere, aber nicht ausschließ
lich um als Aktoren bzw. Stellglieder verwendete piezoelek
trische Elemente. Piezoelektrische Elemente lassen sich für
derartige Zwecke einsetzen, weil sie bekanntermaßen die
Eigenschaft aufweisen, sich in Abhängigkeit von einer daran
angelegten Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen.
Die praktische Realisierung von Stellgliedern durch piezo
elektrische Elemente erweist sich insbesondere dann von Vor
teil, wenn das betreffende Stellglied schnelle und/oder häu
fige Bewegungen auszuführen hat.
Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Stellglied
erweist sich unter anderem bei Kraftstoff-Einspritzdüsen für
Brennkraftmaschinen als vorteilhaft. Zur Einsetzbarkeit von
piezoelektrischen Elementen in Kraftstoff-Einspritzdüsen wird
beispielsweise auf die EP 0 371 469 B1 und die EP 0 379 182 B1
verwiesen.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Verbraucher, welche
sich, wie vorstehend teilweise bereits angedeutet wurde, ent
sprechend dem jeweiligen Ladungszustand bzw. der sich daran
einstellenden oder angelegten Spannung zusammenziehen und
ausdehnen.
Zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements sind
zwei grundlegende Prinzipien bekannt, nämlich das Laden und
Entladen über einen ohmschen Widerstand oder das Laden und
Entladen über eine Spule, wobei sowohl der ohmsche Widerstand
als auch die Spule unter anderem dazu dienen, den beim Laden
auftretenden Ladestrom und den beim Entladen auftretenden
Entladestrom zu begrenzen.
Die erste Variante, d. h. das Laden und Entladen über einen
ohmschen Widerstand ist in Fig. 5 veranschaulicht.
Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element,
welches in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet
ist, ist mit einem Ladetransistor 102 und einem Entlade
transistor 103 verbunden.
Der Ladetransistor 102 wird durch einen Ladeverstärker 104
angesteuert und verbindet im durchgeschalteten Zustand das
piezoelektrische Element 101 mit einer positiven Versorgungs
spannung; der Entladetransistor 103 wird durch einen Entlade
verstärker 105 angesteuert und verbindet im durchgeschalteten
Zustand das piezoelektrische Element 101 mit Masse.
Im durchgeschalteten Zustand des Ladetransistors 102 fließt
über diesen ein Ladestrom, durch welchen das piezoelektrische
Element 101 geladen wird. Mit zunehmender Ladung des piezo
elektrischen Elements 101 steigt die sich an diesem einstel
lende Spannung, und dementsprechend verändern sich auch des
sen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ladetransistors 102,
also ein Unterbrechen oder Beenden des Ladevorganges bewirkt,
daß die im piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Ladung
bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und da
mit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezoelektri
schen Elements 101 im wesentlichen unverändert beibehalten
werden.
Im durchgeschalteten Zustand des Entladetransistors 103
fließt über diesen ein Entladestrom, durch welchen das piezo
elektrische Element 101 entladen wird. Mit zunehmender Ent
ladung des piezoelektrischen Elements 101 sinkt die sich an
diesem einstellende Spannung, und dementsprechend verändern
sich auch dessen äußere Abmessungen. Ein Sperren des Ent
ladetransistors 103, also ein Unterbrechen oder Beenden des
Entladevorganges bewirkt, daß die im piezoelektrischen Ele
ment 101 noch gespeicherte Ladung bzw. die sich an diesem
dadurch einstellende Spannung und damit auch die aktuellen
äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements 101 bei
behalten werden.
Der Ladetransistor 102 und der Entladetransistor 103 wirken
für den Ladestrom bzw. für den Entladestrom wie steuerbare
ohmsche Widerstände. Die dadurch gegebene Steuerbarkeit des
Ladestroms und des Entladestroms ermöglicht es, den Lade
vorgang und den Entladevorgang genau wunschgemäß ablaufen zu
lassen. Der durch den Ladetransistor 102 fließende Ladestrom
und der durch den Entladetransistor 103 fließende Entlade
strom erzeugen dort jedoch nicht unerhebliche Verlustleistun
gen. Die in den Transistoren verbrauchte Verlustenergie ist
pro Lade-Entladezyklus mindestens doppelt so hoch wie die im
piezoelektrischen Element 101 gespeicherte Energie. Diese
hohe Verlustenergie bewirkt eine sehr starke Aufheizung des
Ladetransistors 102 und des Entladetransistors 103, was er
kennbar ein Nachteil ist.
Das betrachtete Lade- und Entladeverfahren ist daher insbe
sondere dann, wenn häufige und/oder umfangreiche Lade- und
Entladevorgänge durchzuführen sind, entweder gänzlich un
brauchbar oder allenfalls eingeschränkt brauchbar.
Nicht zuletzt deshalb kommt häufig die vorstehend bereits er
wähnte zweite Variante zum Laden und Entladen des piezoelek
trischen Elements, d. h. das Laden und Entladen über eine
Spule zum Einsatz; eine praktische Realisierung dieser zwei
ten Variante ist in Fig. 6 veranschaulicht.
Das zu ladende bzw. zu entladende piezoelektrische Element,
welches in der Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 201 bezeichnet
ist, ist Bestandteil eines über einen Ladeschalter 202
schließbaren Ladestromkreises und eines über einen Entlade
schalter 206 schließbaren Entladestromkreises, wobei der
Ladestromkreis aus einer Serienschaltung des Ladeschalters
202, einer Diode 203, einer Ladespule 204, des piezoelektri
schen Elements 201, und einer Spannungsquelle 205 besteht,
und wobei der Entladestromkreis aus einer Serienschaltung des
Entladeschalters 206, einer Diode 207, einer Entladespule 208
und des piezoelektrischen Elements 201 besteht.
Die Diode 203 des Ladestromkreises verhindert, daß im Lade
stromkreis ein das piezoelektrische Element entladender Strom
fließen kann. Die Diode 203 und der Ladeschalter 202 sind ge
meinsam als ein Halbleiterschalter realisierbar.
Die Diode 207 des Entladestromkreises verhindert, daß im Ent
ladestromkreis ein das piezoelektrische Element ladender
Strom fließen kann. Die Diode 207 und der Entladeschalter 206
sind wie die Diode 203 und der Ladeschalter 202 gemeinsam als
ein Halbleiterschalter realisierbar.
Wird der normalerweise geöffnete Ladeschalter 202 geschlos
sen, so fließt im Ladestromkreis ein Ladestrom, durch welchen
das piezoelektrische Element 201 geladen wird; die im piezo
elektrischen Element 201 gespeicherte Ladung bzw. die sich an
diesem dadurch einstellende Spannung und damit auch die ak
tuellen äußeren Abmessungen des piezoelektrischen Elements
201 werden nach dem Laden desselben im wesentlichen unverän
dert beibehalten.
Wird der normalerweise ebenfalls geöffnete Entladeschalter
206 geschlossen, so fließt im Entladestromkreis ein Entlade
strom, durch welchen das piezoelektrische Element 201 ent
laden wird; der Ladezustand des piezoelektrischen Elements
201 bzw. die sich an diesem dadurch einstellende Spannung und
damit auch die aktuellen äußeren Abmessungen des piezo
elektrischen Elements 201 werden nach dem Entladen desselben
im wesentlichen unverändert beibehalten.
Da bei Schaltungen gemäß der Fig. 6 sowohl der Ladestrom
kreis als auch der Entladestromkreis frei von nennenswerten
ohmschen Widerständen sind, ist die durch das Laden und Ent
laden des piezoelektrischen Elements (die durch das Fließen
des Ladestroms und des Entladestroms durch ohmsche Wider
stände) erzeugte Wärmeenergie äußerst gering.
Andererseits wird aber für die praktische Realisierung der
artiger Schaltungen insbesondere wegen der nicht unerheb
lichen Größe der Ladespule 204 und der Entladespule 208 rela
tiv viel Platz benötigt, wodurch das Laden und das Entladen
von piezoelektrischen Elementen über Spulen in bestimmten
Fällen nicht oder jedenfalls nicht ohne weiteres möglich ist.
Schaltungen der in der Fig. 6 gezeigten Art und Verfahren
zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente unter Ver
wendung derartiger Schaltungen sind aus den eingangs bereits
erwähnten Druckschriften EP 0 371 469 B1 und EP 0 379 182 B1
bekannt.
Die unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 dem grundlegen
den Prinzip nach beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen
zum Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente sind Ver
fahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. Vor
richtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, daß
sie vor allem dann, wenn die zu ladenden und entladenden
piezoelektrischen Elemente schnell ladbar und entladbar sein
sollen, für zumindest kurzzeitig sehr hohe Lade- und Entlade
ströme ausgelegt sein müssen. Eine Folge hiervon ist, daß die
Versorgungsspannungsquellen entsprechend groß dimensioniert
sein müssen. Dies kann insbesondere dann, wenn eine Vielzahl
der bekannten Vorrichtungen vorzusehen ist, um eine Vielzahl
von piezoelektrischen Elementen laden oder entladen zu kön
nen, eine nicht unerhebliche Größe der Anordnung zur Folge
haben. Aufgrund dessen kann sich der Einsatz von piezo
elektrischen Elementen als Aktoren bzw. Stellglieder unter
beengten Verhältnissen als schwierig oder gänzlich unmöglich
erweisen. Dies ist erkennbar ein Nachteil, den es zu beseiti
gen gilt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
bzw. die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent
anspruchs 11 derart weiterzubilden, daß dadurch auch unter
beengten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen
piezoelektrischer Elemente ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen
den Teil des Patentanspruchs 1 (Verfahren) und durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 11 (Vorrichtung)
beanspruchten Merkmale gelöst.
Demnach ist vorgesehen,
- - daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumin dest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelek trischen Element(en) erfolgt (kennzeichnender Teil des Pa tentanspruchs 1) bzw.
- - daß Mittel vorgesehen sind, welche es ermöglichen, daß wenigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teilweise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelek trischen Element(en) erfolgen kann (kennzeichnender Teil des Patentanspruchs 11).
Die piezoelektrischen Elemente werden demnach nicht nur als
Aktoren oder Stellglieder, sondern auch als Ladungsspeicher
verwendet.
Die Ausnutzung der Ladungsspeicher-Funktion der piezoelektri
schen Elemente ermöglicht es, das Laden eines zu ladenden
piezoelektrischen Elements nicht mehr oder jedenfalls nicht
mehr vollständig unmittelbar über die Versorgungsspannungs
quelle, sondern zumindest teilweise unter Heranholen von in
nicht zu ladenden piezoelektrischen Elementen gespeicherten
Ladungen durchzuführen, wobei die von den nicht zu ladenden
piezoelektrischen Elementen herangeholten Ladungen beim Ent
laden des zu ladenden piezoelektrischen Elements wieder dort
hin zurückgespeichert werden können.
Die Verwendung der piezoelektrischen Elemente als Ladungs
speicher bewirkt keine Schwankungen in deren Abmessungen,
wenn die piezoelektrischen Elemente mechanisch vorgespannt
sind; auf eine mechanische Vorspannung kann ganz oder teil
weise verzichtet werden, wenn die bei der Verwendung der
piezoelektrischen Elemente als Ladungsspeicher auftretenden
Abmessungsveränderungen nicht ausreichen, um die piezoelek
trischen Elemente als Aktoren bzw. Stellglieder wirken zu
lassen.
Im Idealfall, also wenn bei den Umladevorgängen keine Energie
verloren ginge und wenn die piezoelektrischen Elemente in
einer Anzahl vorhanden wären, die ausreicht, um im "nur" vor
geladenen Zustand so viele Ladungen zu speichern, daß diese,
wenn sie in ein zu ladendes piezoelektrisches Element umgela
den werden, ausreichen, um dieses vollständig oder jedenfalls
wunschgemäß weit zu laden, würde die Versorgungsspannungs
quelle nur benötigt, um die piezoelektrischen Elemente bei
der Inbetriebnahme der Anordnung vorzuladen; das spätere
(sequentielle oder gleichzeitige) Laden und Entladen beliebi
ger einzelner oder mehrerer der vorhandenen piezoelektrischen
Elemente könnte dann ausschließlich durch ein entsprechendes
Umladen bzw. Verschieben der vorhandenen Ladungen erfolgen.
Das anfängliche Vorladen der piezoelektrischen Elemente durch
die Versorgungsspannungsquelle kann dabei, da die piezoelek
trischen Elemente zu diesem Zeitpunkt noch nicht als Aktoren
bzw. Stellglieder wirken müssen, relativ langsam vonstatten
gehen, wodurch die Versorgungsspannungsquelle nicht einmal
für kurzzeitig hohe Leistungen ausgelegt sein muß und dem
entsprechend klein ausgebildet werden kann.
Dies gilt auch für den Fall, daß die vorstehend erwähnten
idealen Verhältnisse nicht vorliegen, die Versorgungs
spannungsquelle also während des Betriebs der Anordnung für
ein mehr oder weniger umfangreiches Nachladen der piezoelek
trischen Elemente sorgen muß; selbst dann muß die Versor
gungsspannungsquelle bei weitem nicht für die Leistungen
ausgelegt werden, die erbracht werden müßten, wenn das Laden
und Entladen der piezoelektrischen Elemente ohne Ladungsver
schiebung zwischen den vorhandenen piezoelektrischen Elemen
ten erfolgen würde.
Die Versorgungsspannungsquelle kann dadurch größenmäßig auf
ein Minimum reduziert werden. Darüber hinaus kann auch ein
der Versorgungsspannungsquelle nachgeschalteter Pufferkonden
sator verkleinert oder weggelassen werden.
Es wurden also ein Verfahren und eine Vorrichtung gefunden,
durch die es auf einfache Weise möglich ist, auch unter be
engten Verhältnissen ein effizientes Laden und Entladen
durchzuführen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zum Laden und
Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs
gemäßen Schaltung,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der
Schaltung gemäß Fig. 1 einstellenden Spannungs- und
Stromverläufen,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer zum Laden und
Entladen von piezoelektrischen Elementen nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten erfindungs
gemäßen Schaltung,
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf von sich beim Betrieb der
Schaltung gemäß Fig. 3 einstellenden Spannungs- und
Stromverläufen,
Fig. 5 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen
eines piezoelektrischen Elements über für den
Lade- und Entladestrom als ohmsche Widerstände wirkende
Elemente, und
Fig. 6 eine herkömmliche Schaltung zum Laden und Entladen
eines piezoelektrischen Elements über für den
Lade- und Entladestrom als Spulen wirkende Elemente.
Die piezoelektrischen Elemente, deren Laden und Entladen im
folgenden näher beschrieben wird, sind beispielsweise als
Stellglieder in Kraftstoff-Einspritzdüsen (insbesondere in
sogenannten Common Rail Injektoren) von Brennkraftmaschinen
einsetzbar. Auf einen derartigen Einsatz der piezoelektri
schen Elemente besteht jedoch keinerlei Einschränkung; die
piezoelektrischen Elemente können grundsätzlich in beliebigen
Vorrichtungen für beliebige Zwecke eingesetzt werden.
Es wird davon ausgegangen, daß sich das jeweils zu ladende
bzw. entladende piezoelektrische Element im Ansprechen auf
das Laden ausdehnt und im Ansprechen auf das Entladen zu
sammenzieht. Die Erfindung ist selbstverständlich jedoch auch
dann anwendbar, wenn dies gerade umgekehrt ist.
Wenn zuvor oder später von einem "zu ladenden" piezoelektri
schen Element die Rede ist, so ist darunter in der Regel zu
verstehen, daß das betreffende piezoelektrische Element so
stark aufzuladen ist, daß es infolge der dadurch bewirkten
Ausdehnung desselben als Aktor bzw. Stellglied wirken kann.
Zwar können, wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben
werden wird, auch in diesem Sinne nicht "zu ladende" piezo
elektrische Elemente geladen werden, doch muß eine dadurch
gegebenenfalls bewirkte Ausdehnung derselben so gering blei
ben, daß die betreffenden piezoelektrischen Elemente noch
nicht als Aktor oder Stellglied wirken können.
Umgekehrt ist unter einem Entladen von "zu entladenden"
piezoelektrischen Elementen in der Regel zu verstehen, daß
piezoelektrische Elemente, die so stark geladen sind, daß sie
als Aktor oder Stellglied wirken können, aus ihrem aktiven
Zustand in einen inaktiven Zustand versetzt werden, in wel
chem sie nicht mehr als Aktor oder Stellglied wirken können.
Zwar können, wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben
werden wird, auch inaktive piezoelektrische Elemente entladen
werden, doch bewirkt dies nicht den erwähnten Übergang vom
aktiven in den inaktiven Zustand.
Die piezoelektrischen Elementen, die durch die nachfolgend
beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren geladen und ent
laden werden sollen, sind mehr oder weniger stark mechanisch
vorgespannt. Dadurch dehnen sie sich nicht schon während
eines noch genauer beschriebenen Vor- und/oder Nachladens
aus; bevor sie sich ausdehnen und als Aktor bzw. Stellglied
wirken können, müssen sie (naturgemäß ohne Änderung ihrer
Abmessungen) die Vorspannkraft überwinden.
Zusätzlich oder alternativ hierzu können die piezoelektri
schen Elemente so angeordnet sein, daß eine während des
Vor- oder Nachladens auftretende Größenveränderung keine oder
jedenfalls keine wesentlichen Auswirkungen auf das die
piezoelektrischen Elemente enthaltende System hat, die
piezoelektrischen Elemente also noch nicht als Aktor oder
Stellglied wirken können.
Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein erstes Aus
führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zur Durch
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laden und Ent
laden eines piezoelektrischen Elements beschrieben.
Das piezoelektrische Element, das es im betrachteten Beispiel
jeweils zu laden bzw. zu entladen gilt, ist eines aus einer
Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die nacheinander zu
laden und zu entladen sind.
Die piezoelektrischen Elemente, aus denen das zu ladende und
entladende piezoelektrische Element jeweils ausgewählt wird,
sind in parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12, . . . 1n
enthalten und mit den Bezugszeichen 11 1, 12 1 . . . 1n1 bezeich
net.
Von den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1 . . . 1n1 möge das
piezoelektrische Element 11 1 zur Ansteuerung einer einem er
sten Zylinder einer Brennkraftmaschine zugeordneten Ein
spritzdüse, das piezoelektrische Element 12 1 zur Ansteuerung
einer einem zweiten Zylinder einer Brennkraftmaschine zu
geordneten Einspritzdüse, und das piezoelektrische Element
1n1 zur Ansteuerung einer einem n-ten Zylinder einer Brenn
kraftmaschine zugeordneten Einspritzdüse dienen. Die piezo
elektrischen Elemente werden daher in einer vorbestimmten
Reihenfolge aufeinanderfolgend geladen und entladen.
Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält in Reihe zu dem
jeweiligen piezoelektrischen Element 11 1, 12 1. . . 1n1 einen
Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 mit parallel geschalteter
Diode 11 3, 12 3, . . . 1n3. Über die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . .
1n2 ist bestimmbar, ob das im jeweiligen Piezozweig 11, 12,
1n enthaltene piezoelektrische Element 11 1, 12 1 . . . 1n1
während eines Ladevorganges geladen werden soll (zugeordneter
Auswahlschalter geschlossen) oder nicht (zugeordneter Aus
wahlschalter geöffnet).
Die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 und die parallel dazu
angeordneten Dioden 11 3, 12 3, . . . 1n3 können jeweils als elek
tronische Schalter mit parasitären Dioden wie beispielsweise
MOS-FETs realisiert werden.
Neben den Piezozweigen 11, 12, . . . 1n enthält die in der
Fig. 1 gezeigte Schaltung eine aus einer Batterie 2 und
einem Gleichspannungswandler 3 bestehende Versorgungs
spannungsquelle, einen Kondensator 4, ein als Induktanz
wirkendes Element in Form einer Spule 5, einen Vorlade
schalter 6a mit parallel geschalteter Diode 6b, einen ersten
Hauptlade- und Entladeschalter 7, einen zweiten
Hauptlade- und Entladeschalter 8 sowie Dioden 9 und 10.
Der Vorladeschalter 6a und die parallel dazu angeordnete
Diode 6b können dabei durch einen elektronischen Schalter mit
parasitärer Diode wie beispielsweise einen MOS-FET realisiert
werden.
Durch die genannte Versorgungsspannungsquelle (Batterie 2 mit
nachgeschaltetem Gleichspannungswandler 3) wird die Spannung
der Batterie (beispielsweise die 12 V einer Kraftfahrzeug
batterie) in eine im wesentlichen beliebige andere Gleich
spannung umgesetzt und als Versorgungsspannung bereitge
stellt.
Der weitere Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 1 läßt sich am
einfachsten anhand deren Funktion und Wirkungsweise beim
Laden und Entladen eines der piezoelektrischen Elemente be
schreiben und nachvollziehen.
Die Funktion und die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig.
1 werden nun anhand des Ladens und des Entladens des piezo
elektrischen Elements 11 1 beschrieben.
Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Zustand, in dem sämt
liche Schalter geöffnet und die piezoelektrischen Elemente
sowie der Kondensator im wesentlichen entladen sind.
Das Laden des piezoelektrischen Elements 11 1 vollzieht sich
in zwei Stufen, genauer gesagt in einer Vorladestufe und
einer sich unmittelbar oder beliebig später daran an
schließenden Hauptladestufe.
Die Vorladestufe wird durch das Schließen des Vorladeschal
ters 6a und der Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 eingeleitet.
Das Schließen der besagten Schalter bewirkt, daß der Konden
sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1
parallel geschaltet und mit dem Gleichspannungswandler 3 ver
bunden werden. Dadurch werden der Kondensator 4 und die
piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 auf eine erste
(niedrige) Spannung aufgeladen.
Die besagte erste Spannung ist so bemessen, daß einerseits
die darauf aufgeladenen piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1,
. . . 1n1 noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken, und
daß andererseits die dadurch im Kondensator 4 und den piezo
elektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 gespeicherte Energie
ausreicht, um eines der piezoelektrischen Elemente voll
ständig (wunschgemäß weit) aufzuladen.
Nach diesem Vorladen des Kondensators 4 und der piezoelektri
schen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 werden der Vorladeschalter 6a
und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 wieder geöffnet. Da
durch werden der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Ele
mente 11, 12 1, . . . 1n1 voneinander und vom Gleichspannungs
wandler 3 getrennt.
Die im Kondensator 4 und in den piezoelektrischen Elementen
11 1, 12 1, . . . 1n1 gespeicherten Ladungen bleiben dort im we
sentlichen unverändert erhalten.
Ausgehend von diesem Zustand kann nun zu einem beliebigen
Zeitpunkt das vollständige Laden des piezoelektrischen Ele
ments 11 1 (oder eines beliebigen anderen der piezoelektri
schen Elemente) durchgeführt werden. Dies geschieht in der
vorstehend bereits erwähnten Hauptladestufe.
Die Hauptladestufe umfaßt zwei Teilschritte; sie, genauer ge
sagt der erste Teilschritt derselben wird durch ein Schließen
des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten
Hauptlade- und Entladeschalters 8 eingeleitet. Das Schließen
der besagten Schalter bewirkt die Ausbildung eines ersten und
eines zweiten geschlossenen Umladestromkreises, wobei der er
ste Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung des Kondensa
tors 4, der Diode 6b und der Spule 5 besteht, und wobei der
zweite Umladestromkreis aus einer Parallelschaltung der pa
rallelen Piezozweige 11, 12, . . . 1n und der Spule 5 besteht.
In den Umladestromkreisen stellt sich durch das Schließen
derselben ein (Umlade-)Stromfluß ein, durch den die im Kon
densator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1,
. . . 1n1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische
Energie) zur Spule 5 fließen und dort in Form von magneti
scher Energie gespeichert werden. Die Spule 5 ist vorzugs
weise so dimensioniert, daß die gesamte elektrische Energie
des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente 11 1,
12 1, . . . 1n1 in dieser speicherbar ist. Wenn die gesamte elek
trische Energie oder wunschgemäß viel Energie aus dem Konden
sator 4 und den piezoelektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1
in die Spule 5 transferiert ist, werden der erste Hauptlade-
und Entladeschalter 7 und der zweite Hauptlade- und Entlade
schalter 8 wieder geöffnet.
Mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7
und des zweiten Hauptlade- und Entladeschalters 8 endet der
erste Hauptladestufen-Teilschritt und beginnt der zweite
Hauptladestufen-Teilschritt.
Gleichzeitig mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Ent
ladeschalters 7 und des zweiten Hauptlade- und Entladeschal
ters 8 oder schon vorher wird der Auswahlschalter des zu
ladenden piezoelektrischen Elements, im betrachteten Beispiel
also der dem piezoelektrischen Element 11 1 zugeordnete Aus
wahlschalter 112 geschlossen; dadurch wird ein Schließen
eines das piezoelektrische Element 11 1, die Diode 9, die
Spule 5 und die Diode 10 enthaltenden Ladestromkreises be
wirkt.
In diesem Ladestromkreis stellt sich auf das Öffnen des er
sten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten Haupt
lade- und Entladeschalters 8 ein (Lade-)Stromfluß ein, durch
welchen die in der Spule 5 gespeicherte Energie in das zu la
dende piezoelektrische Element 11 1 umgeladen wird.
Durch den Ladestromfluß wird das piezoelektrische Element zu
nehmend geladen, wodurch die sich an diesem einstellende
Spannung und dessen äußere Abmessungen zunehmen. Wie eingangs
bereits angedeutet wurde, ist das piezoelektrische Element
mechanisch so vorgespannt oder so angeordnet, daß es erst
jetzt (im zweiten Hauptladestufen-Teilschritt) als Aktor bzw.
Stellglied wirken kann; in der anfänglichen Vorladestufe
blieben die Abmessungen des piezoelektrischen Elements kon
stant (wenn es mechanisch vorgespannt ist) bzw. Veränderungen
der Abmessungen ohne Auswirkungen auf das zu betätigende oder
zu verstellende Element (wenn das piezoelektrische Element so
angeordnet ist, daß eine gewisse Mindestausdehnung desselben
erreicht sein muß, bevor eine Betätigung oder Verstellung des
zu betätigenden oder verstellenden Elements erfolgen kann).
Wenn die in der Spule 5 gespeicherte Energie vollständig oder
wunschgemäß weit in das zu ladende piezoelektrische Element
umgespeichert ist, wird der Auswahlschalter 11 2 und damit
auch der Ladestromkreis wieder geöffnet. Damit ist der zweite
Hauptladestufen-Teilschritt und mithin der gesamte Lade
vorgang beendet.
In diesem Zustand ist das piezoelektrische Element 11 1 (oder
ein anderes der piezoelektrischen Elemente) im wesentlichen
vollständig (wunschgemäß weit) geladen, während die anderen
piezoelektrischen Elemente und der Kondensator 4 im wesent
lichen vollständig entladen sind.
Die im piezoelektrischen Element 11 1 gespeicherten Ladungen,
die sich dadurch am piezoelektrischen Element einstellende
Spannung und die Abmessungen des piezoelektrischen Elements
bleiben in diesem Stadium (bis zum Entladen) im wesentlichen
unverändert erhalten.
Das Entladen des piezoelektrischen Elements vollzieht sich
wie die Hauptladestufe in zwei Teilschritten; es, genauer ge
sagt der erste Entlade-Teilschritt wird durch ein Schließen
des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7 und des zweiten
Hauptlade- und Entladeschalters 8 eingeleitet. Das Schließen
dieser Schalter bewirkt das erneute Schließen des ersten und
des zweiten Umladestromkreises.
In den Umladestromkreisen stellt sich dadurch ein (Umlade-)
Stromfluß ein, durch den die im geladenen piezoelektrischen
Element 11 1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische
Energie) über die Diode 11 3 zur Spule 5 fließen und dort in
Form von magnetischer Energie gespeichert werden. Die Spule 5
ist vorzugsweise so dimensioniert, daß die gesamte elektri
sche Energie des geladenen piezoelektrischen Elements 11 1 in
dieser speicherbar ist.
Durch das Umladen nehmen die sich am piezoelektrischen Ele
ment 11 1 einstellende Spannung und die äußeren Abmessungen
ab.
Wenn die gesamte elektrische Energie des piezoelektrischen
Elements 11 1 in die Spule 5 transferiert ist, werden der
erste Hauptlade- und Entladeschalter 7 und der zweite Haupt
lade- und Entladeschalter 8 wieder geöffnet.
Mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Entladeschalters 7
und des zweite Hauptlade- und Entladeschalters 8 endet der
erste Entlade-Teilschritt und beginnt der zweite
Entlade-Teilschritt.
Gleichzeitig mit dem Öffnen des ersten Hauptlade- und Ent
ladeschalters 7 und des zweite Hauptlade- und Entladeschal
ters 8 oder schon vorher werden der Vorladeschalter 6a und
alle Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 geschlossen; dadurch
kann die in der Spule 5 gespeicherte Energie in den Konden
sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1
umgeladen werden.
Wenn die in der Spule 5 gespeicherte Energie umgeladen ist,
ist der Entladevorgang beendet.
Der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . .
1n2 bleiben jedoch noch kurzzeitig geöffnet, damit der Kon
densator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . .
1n1 wie in der Vorladestufe auf die erste Spannung aufgeladen
werden können. Dieses dem Vorladen ähnliche Nachladen ist er
forderlich, weil das Laden und Entladen der piezoelektrischen
Elemente zwar verlustarm, aber nicht gänzlich verlustfrei be
werkstelligbar ist.
Wenn der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente
11 1, 12 1, . . . 1n1 auf die erste Spannung aufgeladen sind, wer
den der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2,
. . . 1n2 wieder geöffnet. Die Anordnung ist dadurch für eine
nächste Hauptladestufe zum Laden des selben oder eines ande
ren der piezoelektrischen Elemente vorbereitet.
Betreibt man die in der Fig. 1 gezeigte Schaltung, genauer
gesagt das Laden und Entladen einer der vorhandenen piezo
elektrischen Elemente wie vorstehend beschrieben, so stellen
sich die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungs
verläufe ein. Die gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind
das Ergebnis eines Simulation, in welcher die piezoelektri
schen Elemente als reine Kapazitäten modelliert wurden.
Die in der Fig. 2 oben und in der Mitte dargestellten Kurven
sind mit deren Meßgrößen repräsentierenden Symbolen versehen.
Von den verwendeten Symbolen repräsentieren
die sich am piezoelektrischen Element 11 1 einstellende
Spannung Up1,
◊die sich am piezoelektrischen Element 12 1 einstellende Spannung Up2,
∇ die sich am piezoelektrischen Element 1n1 einstellende Spannung Upn,
○ den die Spule 5 durchfließenden (Umlade-)Strom.
◊die sich am piezoelektrischen Element 12 1 einstellende Spannung Up2,
∇ die sich am piezoelektrischen Element 1n1 einstellende Spannung Upn,
○ den die Spule 5 durchfließenden (Umlade-)Strom.
Im in der Fig. 2 unten dargestellten Diagramm sind die je
weiligen Schalterstellungen veranschaulicht.
Die in der Fig. 2 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe
veranschaulichen den Ladevorgang (genauer gesagt den ersten
Hauptladestufen-Teilschritt im Bereich von etwa 75 µs bis 250
µs auf der Zeitskala, den zweiten Hauptladestufen-Teilschritt
im Bereich von etwa 250 µs bis 350 µs auf der Zeitskala, und
die Vor- bzw. Nachladestufe im Bereich von etwa 600 µs bis
775 µs auf der Zeitskala) und den Entladevorgang (genauer
gesagt den ersten Entlade-Teilschritt im Bereich von etwa 500
µs bis 600 µs, und den (mit dem Vor- bzw. Nachladeschritt
zusammenfallenden) zweiten Entlade-Teilschritt im Bereich von
etwa 600 µs bis 775 µs) eines piezoelektrischen Elements; die
gezeigten Strom- und Spannungsverläufe sind bei der vorste
hend vermittelten Kenntnis des Aufbaus, der Funktion und der
Wirkungsweise der Schaltung gemäß der Fig. 1 ohne weiteres
verständlich und bedürfen keiner näheren Erläuterung.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, weist die sich am zu la
denden und entladenden piezoelektrischen Element einstellende
Spannung einen äußerst homogenen Verlauf auf.
Gleichzeitig ist die Schaltung, durch die das Laden und Ent
laden bewirkt wird, genauer gesagt die Schaltung gemäß Fig.
1 denkbar einfach aufgebaut und optimal im Wirkungsgrad.
Hierzu tragen insbesondere vier Faktoren bei, nämlich
- 1) daß das Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente im wesentlichen durch ein Umladen erfolgt,
- 2) daß eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen über eine einzige Endstufe (Schaltung gemäß Fig. 1) geladen und entladen werden kann,
- 3) daß das Laden und das Entladen über ein und die selbe Spule (nämlich die Spule 5) erfolgt, und
- 4) die Wärmeerzeugung in ohmschen Widerständen vernachlässig bar gering ist.
Der erstgenannte Punkt ermöglicht es, die durch die Versor
gungsspannungsquelle abzugebende Energie gering zu halten,
wobei auch kurzzeitig hohe Belastungen vermeidbar sind. Da
durch kann die Versorgungsspannungsquelle, genauer gesagt die
Batterie 2 und der Gleichspannungswandler 3 für nur relativ
kleine Leistungen ausgelegt und mithin relativ klein im Auf
bau gemacht werden. Aufgrund der Tatsache, daß das Umladen
zumindest teilweise zwischen den vorhandenen piezoelektri
schen Elementen erfolgt, kann auch der Kondensator 4 sehr
klein gemacht werden oder sogar gänzlich entfallen. Dies ist
insofern vorteilhaft, als Leistungskondensatoren im Auto
motive-Bereich als kritische Bauteile gelten (geringe Schüt
telbelastbarkeit, kurze Lebensdauer bei hohen Temperaturen).
Der zweite und der dritte der oben genannten Punkte ermögli
chen es, die Anzahl der Bauelemente, insbesondere die Anzahl
der von Haus aus relativ großen Spulen minimal zu halten, wo
durch sich erkennbar eine weitere Minimierung der Schaltungs
größe erzielen läßt.
Durch den vierten der oben genannten Punkte kann einerseits
der Energieverbrauch gering gehalten und andererseits auf
Kühlmaßnahmen verzichtet werden, was sich erkennbar ebenfalls
vorteilhaft auf die Größe der betrachteten Anordnung aus
wirkt.
Sämtliche der genannten Punkte - sei es allein oder in Kombi
nation - ermöglichen es oder tragen zumindest dazu bei, die
zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen vor
zusehende Schaltung auf kleinstem Raum unterzubringen und die
Kosten für deren Herstellung und Betrieb minimal zu halten.
Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist unter Beibehaltung deren we
sentlicher Funktion und Wirkungsweise in verschiedenerlei
Hinsicht abwandelbar. Eine der möglichen Abwandlungen ist in
Fig. 3 veranschaulicht.
Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer er
findungsgemäßen Schaltung zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens.
Die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung entspricht teilweise
der in der Fig. 1 gezeigten und vorstehend bereits ausführ
lich beschriebenen Schaltung; einander entsprechende Elemente
sind mit den selben Bezugszeichen bezeichnet.
Der Unterschied zwischen den Schaltungen gemäß den Fig. 1
und 3 besteht im wesentlichen darin, daß das beim Laden und
Entladen eines piezoelektrischen Elements erfolgende Ver
schieben von Ladungsträgern zum zu ladenden bzw. vom zu ent
ladenden piezoelektrischen Element bei der Schaltung gemäß
der Fig. 1 über die Spule 5, und bei der Schaltung gemäß der
Fig. 3 über einen Übertrager 15 erfolgt.
Das piezoelektrische Element, das es zu laden bzw. zu entla
den gilt, ist wiederum ein aus eine Vielzahl piezoelektri
schen Elementen auswählbares piezoelektrisches Element, wobei
die vielen piezoelektrischen Elemente wie bei der Schaltung
gemäß Fig. 1 in parallel geschalteten Piezozweigen 11, 12,
. . . 1n enthalten und mit den Bezugszeichen 11 1, 12 1, . . . 1n1
bezeichnet sind.
Jeder der Piezozweige 11, 12, . . . 1n enthält auch wieder Aus
wahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 mit parallel angeordneten
Dioden 11 3, 12 3, . . . 1n3.
Die Versorgungsspannungsquelle wird wiederum durch eine Bat
terie 2 (beispielsweise eine Kraftfahrzeug-Batterie) und
einen nachgeschalteten Gleichspannungswandler 3 gebildet, wo
bei der Gleichspannungswandler 3 die Batteriespannung (bei
spielsweise 12V) in eine beliebige andere Gleichspannung
umsetzt.
Die Schaltung gemäß der Fig. 3 weist in Übereinstimmung mit
der Schaltung gemäß Fig. 1 auch den bekannten Kondensator 4,
den Vorladeschalter 6a und die Diode 6b auf.
Bis hierher sind die Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 3
identisch.
Anders als die Schaltung gemäß Fig. 1 weist die Schaltung
gemäß Fig. 3 zusätzlich zu den genannten Elementen den vor
stehend bereits erwähnten Übertrager 15, einen Hauptlade- und
Entladeschalter 16 sowie Dioden 17 und 18 auf, die wie in der
Fig. 3 gezeigt verschaltet sind.
Der Aufbau der Schaltung gemäß Fig. 3 läßt sich am einfach
sten anhand deren Funktion und Wirkungsweise beim Laden und
Entladen eines der piezoelektrischen Elemente beschreiben und
nachvollziehen.
Die Funktion und die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig.
3 werden nun anhand des Ladens und des Entladens des piezo
elektrischen Elements 11 1 beschrieben.
Ausgangspunkt der Betrachtungen ist ein Zustand, in dem sämt
liche Schalter geöffnet und die piezoelektrischen Elemente
sowie der Kondensator im wesentlichen entladen sind.
Das Laden des piezoelektrischen Elements 11 1 erfolgt in zwei
Stufen, genauer gesagt in einer Vorladestufe und einer sich
unmittelbar oder beliebig später daran anschließenden Haupt
ladestufe.
Die Vorladestufe wird durch das Schließen des Vorladeschal
ters 6a und der Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 eingeleitet.
Das Schließen der besagten Schalter bewirkt, daß der Konden
sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1
parallel geschaltet und mit dem Gleichspannungswandler 3 ver
bunden werden. Dadurch werden der Kondensator 4 und die
piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 auf eine erste
(niedrige) Spannung aufgeladen.
Die besagte erste Spannung ist so bemessen, daß einerseits
die darauf aufgeladenen piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1,
. . . 1n1 noch nicht als Aktoren bzw. Stellglieder wirken, und
daß andererseits die dadurch im Kondensator 4 und den piezo
elektrischen Elementen 11 1, 12 1, . . . 1n1 gespeicherte Energie
ausreicht, um eines der piezoelektrischen Elemente vollstän
dig (wunschgemäß weit) aufzuladen.
Nach dem Laden des Kondensators 4 und der piezoelektrischen
Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 auf die erste Spannung werden der
Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2
wieder geöffnet. Dadurch werden der Kondensator 4 und die
piezoelektrischen Elemente 11, 12 1, . . . 1n1 voneinander und
vom Gleichspannungswandler 3 getrennt.
Die im Kondensator 4 und in den piezoelektrischen Elementen
11 1, 121, . . . 1n1 gespeicherten Ladungen bleiben dort im we
sentlichen unverändert erhalten.
Ausgehend von diesem Zustand kann nun zu einem beliebigen
Zeitpunkt das vollständige Laden des piezoelektrischen Ele
ments 11 1 (oder eines beliebigen anderen der piezoelektri
schen Elemente) durchgeführt werden. Dies geschieht in der
vorstehend bereits erwähnten Hauptladestufe.
Die Hauptladestufe umfaßt zwei Teilschritte; sie, genauer ge
sagt der erste Teil schritt derselben wird durch ein Schließen
des Hauptlade- und Entladeschalters 16 eingeleitet. Das
Schließen dieses Schalters bewirkt die Ausbildung eines er
sten und eines zweiten geschlossenen Umladestromkreises, wo
bei der erste Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung des
Kondensators 4, der Diode 6b, der Diode 17 und einer ersten
Wicklung des Übertragers 15 besteht, und wobei der zweite
Umladestromkreis aus einer Reihenschaltung der parallelen
Piezozweige 11, 12, . . . 1n, der Diode 17 und der ersten
Wicklung des Übertragers 15 besteht.
In den Umladestromkreisen stellt sich durch das Schließen
derselben ein (Umlade-)Stromfluß ein, durch den die im Kon
densator 4 und in den piezoelektrischen Elementen 11 1, 121,
. . . 1n1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische
Energie) zum Übertrager 15 fließen und dort in Form von
magnetischer Energie gespeichert werden. Der Übertrager ist
vorzugsweise so dimensioniert, daß die gesamte elektrische
Energie des Kondensators 4 und der piezoelektrischen Elemente
11 1, 121, . . . 1n1 in diesem speicherbar ist. Wenn die gesamte
elektrische Energie oder wunschgemäß viel Energie aus dem
Kondensator 4 und den piezoelektrischen Elementen 11 1, 121,
. . . 1n1 in den Übertrager 15 transferiert ist, wird der
Hauptlade- und Entladeschalter 16 wieder geöffnet.
Mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 endet
der erste Hauptladestufen-Teilschritt und beginnt der zweite
Hauptladestufen-Teilschritt.
Gleichzeitig mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschal
ters 16 oder schon vorher wird der Auswahlschalter des zu la
denden piezoelektrischen Elements, im betrachteten Beispiel
also der dem piezoelektrischen Element 11 1 zugeordnete Aus
wahlschalter 11 2 geschlossen; dadurch wird ein Schließen
eines das piezoelektrische Element 11 1, die Diode 18 und eine
zweite Wicklung des Übertragers 15 enthaltenden Ladestrom
kreises bewirkt.
In diesem Ladestromkreis stellt sich auf das Öffnen des
Hauptlade- und Entladeschalters 16 ein (Lade-)Stromfluß ein,
durch welchen die im Übertrager 15 gespeicherte Energie in
das zu ladende piezoelektrische Element 11 1 umgeladen wird.
Durch den Ladestromfluß wird das piezoelektrische Element zu
nehmend geladen, wodurch die sich an diesem einstellende
Spannung und dessen äußere Abmessungen zunehmen. Wie eingangs
bereits angedeutet wurde, ist das piezoelektrische Element
mechanisch so vorgespannt oder so angeordnet, daß es erst
jetzt (im zweiten Hauptladestufen-Teilschritt) als Aktor bzw.
Stellglied wirken kann; in der anfänglichen Vorladestufe
blieben die Abmessungen des piezoelektrischen Elements kon
stant (wenn es mechanisch vorgespannt ist) bzw. Veränderungen
der Abmessungen ohne Auswirkungen auf das zu betätigende oder
zu verstellende Element (wenn das piezoelektrische Element so
angeordnet ist, daß eine gewisse Mindestausdehnung desselben
erreicht sein muß, bevor eine Betätigung oder Verstellung des
zu betätigenden oder verstellenden Elements erfolgen kann).
Wenn die im Übertrager 15 gespeicherte Energie vollständig
oder wunschgemäß weit in das zu ladende piezoelektrische Ele
ment umgespeichert ist, wird der Auswahlschalter 112 und da
mit auch der Ladestromkreis wieder geöffnet. Damit ist der
zweite Hauptladestufen-Teilschritt und mithin der gesamte
Ladevorgang beendet.
In diesem Zustand ist das piezoelektrische Element 11 1 (oder
ein anderes der piezoelektrischen Elemente) im wesentlichen
vollständig (wunschgemäß weit) geladen, während die anderen
piezoelektrischen Elemente und der Kondensator 4 im wesent
lichen vollständig entladen sind.
Die im piezoelektrischen Element 11 1 gespeicherten Ladungen,
die sich dadurch am piezoelektrischen Element einstellende
Spannung und die Abmessungen des piezoelektrischen Elements
bleiben in diesem Stadium (bis zum Entladen) im wesentlichen
unverändert erhalten.
Das Entladen des piezoelektrischen Elements vollzieht sich
wie die Hauptladestufe in zwei Teilschritten; es, genauer ge
sagt der erste Entlade-Teilschritt wird durch ein Schließen
des Hauptlade- und Entladeschalters 16 eingeleitet. Das
Schließen dieses Schalters bewirkt das erneute Schließen des
ersten und des zweiten Umladestromkreises.
In den Umladestromkreisen stellt sich dadurch ein (Umlade-)
Stromfluß ein, durch den die im geladenen piezoelektrischen
Element 11 1 gespeicherten Ladungen (gespeicherte elektrische
Energie) über die Diode 11 3 zum Übertrager 15 fließen und
dort in Form von magnetischer Energie gespeichert werden.
Durch das Umladen nehmen die sich am piezoelektrischen Ele
ment 11 1 einstellende Spannung und die äußeren Abmessungen
ab.
Wenn die gesamte elektrische Energie des piezoelektrischen
Elements 11 1 in den Übertrager 15 transferiert ist, wird der
Hauptlade- und Entladeschalter 16 wieder geöffnet.
Mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschalters 16 endet
der erste Entlade-Teilschritt und beginnt der zweite
Entlade-Teilschritt.
Gleichzeitig mit dem Öffnen des Hauptlade- und Entladeschal
ters 16 oder schon vorher werden der Vorladeschalter 6a und
alle Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . . 1n2 geschlossen; dadurch
kann die im Übertrager 15 gespeicherte Energie in den Konden
sator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1
umgeladen werden.
Wenn die im Übertrager 15 gespeicherte Energie umgeladen ist,
ist der Entladevorgang beendet.
Der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2, . . .
1n2 bleiben jedoch noch kurzzeitig geöffnet, damit der Kon
densator 4 und die piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . .
1n1 wie in der Vorladestufe auf die erste Spannung aufgeladen
werden können. Dieses dem Vorladen ähnliche Nachladen ist er
forderlich, weil das Laden und Entladen der piezoelektrischen
Elemente zwar verlustarm, aber nicht gänzlich verlustfrei be
werkstelligbar ist.
Wenn der Kondensator 4 und die piezoelektrischen Elemente
11 1, 12 1, . .. 1n1 auf die erste Spannung aufgeladen sind, wer
den der Vorladeschalter 6a und die Auswahlschalter 11 2, 12 2,
. . . 1n2 wieder geöffnet. Die Anordnung ist dadurch für eine
nächste Hauptladestufe zum Laden desselben oder eines ande
ren der piezoelektrischen Elemente vorbereitet.
Betreibt man die in der Fig. 3 gezeigte Schaltung, um die
piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1 aufeinanderfol
gend zur Durchführung einer Voreinspritzung und einer sich
daran anschließenden Haupteinspritzung zu laden und zu ent
laden, so stellen sich die in der Fig. 4 gezeigten
Strom- und Spannungsverläufe ein. Die gezeigten Strom- und Span
nungsverläufe sind das Ergebnis eines Simulation, in welcher
die piezoelektrischen Elemente als reine Kapazitäten mo
delliert wurden.
Die in der Fig. 4 dargestellten Kurven sind mit deren Meß
größen repräsentierenden Symbolen versehen. Von den verwende
ten Symbolen repräsentieren
in dem gemäß der Fig. 4 oberen Diagramm
den die Diode 18 durchfließenden (Umlade-)Strom, und
◊ den die Diode 17 durchfließenden (Umlade-)Strom, und
den die Diode 18 durchfließenden (Umlade-)Strom, und
◊ den die Diode 17 durchfließenden (Umlade-)Strom, und
in dem gemäß der Fig. 4 unteren Diagramm
die sich am piezoelektrischen Element 11 1 einstellende
Spannung Up1,
◊ die sich am piezoelektrischen Element 12 1 einstellende Spannung Up2, und
∇die sich am piezoelektrischen Element 1n1 einstellende Spannung Upn,
◊ die sich am piezoelektrischen Element 12 1 einstellende Spannung Up2, und
∇die sich am piezoelektrischen Element 1n1 einstellende Spannung Upn,
In der gemäß der Fig. 4 unteren Darstellung bezeichnen
Usoll die sich an den jeweiligen piezoelektrischen Ele
menten einstellende Spannung, wenn sie vollständig
(wunschgemäß) geladen sind,
U1 die vorstehend bereits erwähnte erste Spannung, auf die die piezoelektrischen Elemente und der Konden sator beim Vor- und Nachladen geladen werden, und
U2 eine zweite Spannung, auf die die nicht geladenen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator durch das Entladen (Umladen) eines geladenen piezo elektrischen Elements geladen werden.
U1 die vorstehend bereits erwähnte erste Spannung, auf die die piezoelektrischen Elemente und der Konden sator beim Vor- und Nachladen geladen werden, und
U2 eine zweite Spannung, auf die die nicht geladenen piezoelektrischen Elemente und der Kondensator durch das Entladen (Umladen) eines geladenen piezo elektrischen Elements geladen werden.
Die in der Fig. 4 gezeigten Strom- und Spannungsverläufe
veranschaulichen den Ladevorgang und den Entladevorgang der
piezoelektrischen Elemente 11 1, 12 1, . . . 1n1, wobei zunächst
das piezoelektrische Element 11 1, dann das piezoelektrische
Element 12 1, und dann das piezoelektrische Element 1n1 auf
einanderfolgend je zwei mal geladen und entladen werden (um
eine Voreinspritzung und eine sich daran anschließende Haupt
einspritzung durchzuführen).
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, weist die sich am zu la
denden und entladenden piezoelektrischen Element einstellende
Spannung einen äußerst homogenen und gut steuerbaren Verlauf
auf.
Gleichzeitig ist die Schaltung, durch die das Laden und Ent
laden bewirkt wird, genauer gesagt die Schaltung gemäß Fig.
3 denkbar einfach aufgebaut und optimal im Wirkungsgrad.
Diesbezüglich herrscht Übereinstimmung mit den entsprechenden
Ausführung zur Schaltung gemäß Fig. 1 (wenn das zur Spule 5
Gesagte auf den Übertrager 15 übertragen wird); zur Vermei
dung von Wiederholungen wird daher auf die dortigen Aus
führungen verwiesen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß es beide Aus
führungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des
erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache und elegante Art
und Weise ermöglichen, auch unter beengten Verhältnissen ein
effizientes Laden und Entladen piezoelektrischer Elemente
durchzuführen.
Claims (11)
1. Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen
Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1), dadurch gekennzeichnet, daß we
nigstens entweder das Laden oder das Entladen zumindest teil
weise unter Verschieben von Ladungen zwischen dem zu ladenden
oder entladenden piezoelektrischen Element und einem oder
mehreren nicht zu ladenden oder entladenden piezoelektrischen
Element(en) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verschieben der Ladungen unter Zwischenspeicherung deren
Energie in einem als Induktanz wirkenden Element (5; 15) er
folgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
als als Induktanz wirkendes Element (5; 15) eine Spule (5)
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
als als Induktanz wirkendes Element (5; 15) ein Übertrager
(15) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Laden und das Entladen des piezoelek
trischen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1) über das selbe als
Induktanz wirkende Element (5; 15) erfolgen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß wenigstens bei der Inbetriebnahme
der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens oder nach dem
Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements (11 1, 12 1,
. . . 1n1) eine Vor- bzw. Nachladung ausgeführt wird, in wel
cher zumindest die vorhandenen piezoelektrischen Elemente auf
eine erste Spannung (U1) aufgeladen werden, welche kleiner
ist als eine Schwellenspannung, von der an die piezoelektri
schen Elemente als Aktoren oder Stellglieder wirken können.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die piezoelektrischen Elemente (11 1, 12 1, . . . 1n1) mechanisch
derart vorgespannt werden, daß deren Abmessungen durch das
Vorladen nicht verändert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß die piezoelektrischen Elemente (11 1, 12 1, . . . 1n1)
derart eingesetzt werden, daß während des Vorladens auf
tretende Abmessungs-Veränderungen nicht ausreichen, um ein im
wunschgemäß geladenen Zustand des betreffenden piezoelektri
schen Elements zu betätigendes oder verstellendes Element zu
betätigen oder zu verstellen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Laden eines piezoelektrischen Elements
(11 1, 12 1, . . . 1n1) in zwei Teilschritten erfolgt, wobei im
ersten Teil schritt wenigstens die in den vorgeladenen piezo
elektrischen Elementen gespeicherte Energie einem Energie
speicherelement zugeführt und dort gespeichert wird, und
wobei im zweiten Teil schritt die im Energiespeicherelement
gespeicherte Energie dem zu ladenden piezoelektrischen Ele
ment zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Entladen eines piezoelektri
schen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1) in zwei Teilschritten er
folgt, wobei im ersten Teilschritt wenigstens die im gelade
nen piezoelektrischen Element gespeicherte Energie einem
Energiespeicherelement zugeführt und dort gespeichert wird,
und wobei im zweiten Teilschritt die im Energiespeicher
element gespeicherte Energie zumindest auf die vorhandenen
piezoelektrischen Elemente verteilt wird.
11. Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektri
schen Elements (11 1, 12 1, . . . 1n1), gekennzeichnet durch
Mittel, welche es ermöglichen, daß wenigstens entweder das
Laden oder das Entladen zumindest teilweise unter Verschieben
von Ladungen zwischen dem zu ladenden oder entladenden piezo
elektrischen Element und einem oder mehreren nicht zu laden
den oder entladenden piezoelektrischen Element(en) erfolgen
kann.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19714610A DE19714610A1 (de) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19714610A DE19714610A1 (de) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19714610A1 true DE19714610A1 (de) | 1998-10-15 |
Family
ID=7825884
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19714610A Withdrawn DE19714610A1 (de) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19714610A1 (de) |
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- 1997-04-09 DE DE19714610A patent/DE19714610A1/de not_active Withdrawn
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