Beschreibung

Schaltungsanordnung zum Laden eines Piezoaktors

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Laden einer kapazitiven Last, insbesondere eines Piezoaktors für ein Kraftstoff-Einspritzventil einer Brennkraftmaschine.

Derartige Schaltungsanordnungen und Verfahren sind beispielsweise aus der DE 199 44 733 Al, der DE 198 14 594 Al und der DE 199 52 950 Al bekannt.

Insbesondere die in letzter Zeit strenger gewordenen Abgas- normen für Motoren haben in der Kraftfahrzeugindustrie die

Entwicklung von Kraftstoffinjektoren mit schnell und verzögerungsfrei ansprechenden Stellgliedern bzw. Aktoren ausgelöst. Bei der praktischen Realisierung derartiger Stellglieder haben sich insbesondere piezoelektrische Elemente (kurz: Piezo- aktoren) als vorteilhaft erwiesen.

Derartige Piezoelemente sind üblicherweise als ein Stapel von Piezokeramikscheiben zusammengesetzt, die über eine elektrische Parallelschaltung betrieben werden, um die für einen ausreichenden Hub notwendigen elektrischen Feldstärken erreichen zu können.

Beim Ansteuern einer kapazitiven Last wie eines Piezoaktors, der zur Betätigung eines Einspritzventils Verwendung findet, d.h. beim Aufladen und Entladen der kapazitiven Last mittels eines elektrischen Laststromes, werden erhebliche Anforderungen an die Ansteuerelektronik gestellt. Ein mittels eines Piezoaktors betätigtes Einspritzventil wird in Brennkraftmaschinen zum Einspritzen von Kraftstoff (z.B. Benzin, Diesel

etc.) in einen Brennraum eingesetzt. Hierbei werden sehr hohe Anforderungen an ein exaktes und reproduzierbares öffnen und Schließen des Ventils und damit auch an die Ansteuerelektronik gestellt. So müssen dabei Spannungen im Bereich von bis zu mehreren 100 V und kurzzeitig Lastströme zum Laden und

Entladen von mehr als 10 A bereitgestellt werden. Die Ansteuerung erfolgt meist in Bruchteilen von Millisekunden. Gleichzeitig sollten während dieser Ladevorgänge und Entladevorgänge der Strom und die Spannung dem Stellglied möglichst kon- trolliert zugeführt werden.

Eine Gemeinsamkeit der oben erwähnten bekannten Schaltungsanordnungen und Verfahren besteht darin, dass mittels geschalteter Speicherinduktivitäten die Energie portionenweise transportiert wird. Damit sind zwar gute Wirkungsgrade erreichbar, allerdings mit sehr großem Bauelementeaufwand. Es treten auch wesentlich höhere kurzzeitige Ströme auf als der Mittelwert des in den Piezoaktor fließenden Stromes. Dies bedingt entsprechend hoch belastbare Bauelemente, beispielswei- se Halbleiter-Schaltelemente, Kondensatoren und Induktivitäten .

Ein Piezoaktor stellt eine hohe kapazitive Last dar. Bei den Ladevorgängen fallen in dem Steuergerät hohe Spannungen an, die die Verlustleistung im Steuergerät erhöhen. Um die Funktionsfähigkeit des Steuergeräts zu gewährleisten, darf aber seine Temperatur vorbestimmte Werte nicht überschreiten, da es sonst zu Ausfällen kommt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Aufladen und Entladen eines Piezoaktors aufzuzeigen, mittels welchem mit möglichst geringem schaltungstechnischen Aufwand die Verlustleistung im Steuergerät begrenzt wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Piezoaktor, der ein Steuergerät sowie eine Injektorschaltung aufweist. Das Steuergerät ist zur Bereitstellung eines Steuerpotentials vorgesehen. Die Injektorschaltung weist einen Piezoaktor auf, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Eine erste Leitung ist zwischen dem Steuergerät und der Injektorschaltung zum Führen des Steuerpotentials an die Injektorschaltung vorgesehen.

Zwischen einem Anschluss der Injektorschaltung zur Verbindung mit der ersten Leitung und dem ersten Anschluss des Piezoak- tors ist eine Hilfsschaltung in der Injektorschaltung zum Erzeugen von Verlustleistung während des Ladens des Piezoaktors vorgesehen. Die Hilfsschaltung sorgt dafür, dass Verlustleis- tung während des Ladens des Piezoaktors nicht nur in dem

Steuergerät, sondern auch in der Injektorschaltung anfällt. Da die Injektorschaltung in der Regel entfernt von dem Steuergerät angebracht ist, wird das Steuergerät weniger erwärmt, was das Risiko von Ausfällen des Steuergeräts verringert.

In einer Ausführungsform weist das Steuergerät einen Schaltknoten auf, wobei eine in Reihenschaltung mit dem Piezoaktor angeordnete Stromeinstelleinrichtung zum Bestromen des Piezoaktors beim Laden vorgesehen ist. Der Ladestrom fließt dabei durch den Schaltknoten. Eine Messschaltung ist zum Messen des Stroms durch die Stromeinstelleinrichtung vorgesehen und eine Steuereinrichtung dient zur Ansteuerung der Stromeinstelleinrichtung derart, dass der Strom durch die Stromeinstelleinrichtung mit Hilfe der Messschaltung geregelt wird. Anstelle

modifizierter Schaltnetz-Topologien wird bei dieser Ausführungsform der Strom in den Piezoaktor mittels einer Stromeinstelleinrichtung geregelt. Dadurch werden Störungen auf den Versorgungsleitungen und im Funkwellenbereich vermieden. Zu- dem bedarf es im Vergleich zu modifizierten Schaltnetz- Topologien keines hohen schaltungstechnischen Aufwands mit teuren und großen induktiven und kapazitiven Bauteilen. Die Messschaltung kann an mehreren Orten vorgesehen werden, die Messschaltung könnte beispielsweise in Reihe zur Stromstell- einrichtung vorgesehen werden.

Als Ersatzschaltbild für die Stromeinstelleinrichtung kann ein Widerstand verwendet werden. Wird die über diesem Widerstand abfallende Spannung zu groß, ist auch die Verlustleis- tung groß. Die Temperatur bzw. die Wärmeabgabe der Piezosteu- erung darf nicht zu groß werden, um Ausfälle der Piezosteue- rung oder benachbart angeordneter Steuerungen auszuschließen. Deshalb kann durch die Veränderung der Spannung am Schaltknoten der Spannungsabfall über die Stromstelleinrichtung be- grenzt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist in dem Steuergerät zudem eine Spannungseinstellschaltung zum Verändern der Spannung am Schaltknoten während des Ladens der kapazitiven Last vorgese- hen. Dadurch kann die Spannung am Schaltknoten beispielsweise stufenförmig der Spannung über dem Piezoaktor folgen, so dass ein geringer Spannungsabfall zwischen dem Schaltknoten und dem ersten Anschluss des Piezoaktors abfällt. Bei gegebenem Aufladestrom verringert sich somit die Verlustleistung in der Stromeinstelleinrichtung und in der Hilfsschaltung.

Unter Laden des Piezoaktors wird sowohl das Aufladen als auch das Entladen verstanden, wobei beim Aufladen die Spannung ü-

ber dem Piezoaktor erhöht wird, während sie beim Entladen verringert wird.

Falls die Injektorschaltung lediglich durch die zwischen dem ersten Anschluss und zweitem Anschluss anliegende Spannung versorgt wird, wird kein zusätzlicher Steueranschluss für die Injektorschaltung benötigt, wodurch sich die Ansteuerung vereinfacht und die Anzahl der Leitungen zwischen Steuergerät und Injektorschaltung reduziert.

In einer Ausführungsform weist die Hilfsschaltung eine Aufla- dehilfsschaltung mit einem Transistor auf, wobei der Aufladestrom durch die Laststrecke des Transistors fließt. Der Widerstand der Laststrecke des Transistors lässt sich über sei- nen Steuereingang, z.B. Gate oder Basis, mit großer Genauigkeit einstellen, sodass auch die über dem Widerstand abfallende Verlustleistung genau eingestellt werden kann.

In einer Ausführungsform ist eine Ansteuerschaltung für den Transistor derart vorgesehen, dass der Transistor erst geöffnet wird, wenn das Potential an dem Anschluss für die erste Leitung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Dadurch wird ein Mindestspannungsabfall über der Injektorschaltung gewährleistet, was die über die Stromeinstelleinrichtung abfallende Spannung verringert.

In einer Ausführungsform weist die Injektorschaltung einen ersten Widerstand zwischen dem Anschluss zur Verbindung mit der ersten Leitung und dem Steueranschluss des Transistors auf.

Eine erste Diode ist zwischen dem Anschluss zur Verbindung mit der ersten Leitung und dem Steueranschluss des Transis-

tors vorgesehen, wobei die Anode der ersten Diode mit dem Steueranschluss des Transistors verbunden ist.

Eine Reihenschaltung von einem zweiten Widerstand und einer zweiten Zenerdiode ist derart vorgesehen, dass die Kathode der zweiten Zenerdiode mit dem Steueranschluss des Transistors gekoppelt ist. Mit dieser Anordnung kann sichergestellt werden, dass die Spannung, die über der Reihenschaltung von Laststrecke und Piezoaktor abfällt, über lange Aufladezeit- räume nahezu konstant gehalten wird, so dass weniger Spannung in dem Steuergerät abfällt.

In einer Ausführungsform weist die Hilfsschaltung eine Entla- dehilfsschaltung zum Aufteilen des Entladestroms in einen Strom, der in die erste Leitung fließt, und einen Strom, der zu einem Masseanschluss der Injektorschaltung fließt, auf. Mittels dieser Aufteilung wird der Entladestrom in einen Teil, der Verlustleistung in dem Steuergerät generiert, und einen Teil, der Verlustleistung in der Injektorschaltung ge- neriert, aufgeteilt.

Falls die Entladehilfsschaltung einen Stromspiegel mit zwei Transistoren aufweist, kann die Aufteilung des Stroms durch Steuern an dem Anschluss zur Verbindung mit der ersten Lei- tung erfolgen, ohne dass es einer zweiten Ansteuerleitung bedarf .

Dabei koppelt die Laststrecke des ersten Transistors den Anschluss zur Verbindung mit der ersten Leitung mit einem ers- ten Anschluss des Piezoaktors und die Laststrecke des zweiten Transistors die Masse mit dem ersten Anschluss des Piezoaktors, wobei der zweite Anschluss des Piezoaktors mit der Masse verbunden ist. Der Stromspiegel sorgt dafür, dass der Strom möglichst in einem festen Verhältnis auf die Hilfs-

Schaltung und die Steuerschaltung aufgeteilt wird, auch wenn sich der Ladezustand des Piezoaktors ändert.

Falls ein Messwiderstand in der Verbindung zwischen dem ers- ten Anschluss des Piezoaktors und der Masse vorgesehen ist, kann der Strom durch die Stromeinstelleinrichtung mit Hilfe der über dem Messwiderstand abfallenden Spannung geregelt werden. Vorzugsweise ist der Messwiderstand in dem Steuergerät untergebracht, damit keine zusätzlichen Leitungen zwi- sehen der Injektorschaltung und dem Steuergerät vorgesehen werden müssen.

Wenn die Hilfsschaltung mindestens eine integrierte Schaltung aufweist, können die in der Hilfsschaltung abfallenden Span- nungen bzw. anfallenden Ströme genauer geregelt werden, da in der integrierten Schaltung eine Vielzahl von Kompensationsschaltungen für Temperaturschwankungen, Spannungsänderungen und ähnliches bereitgestellt werden kann.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine Balance der Verlustleistung zwischen Steuergerät und Injektorschaltung ermöglicht wird. Dabei ist die Schnittstelle zwischen den beiden Komponenten einfach ausgestaltet und die Anforderungen an die im Injektor zu integrierenden Teile sind gering.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher veranschaulicht. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Pie- zoaktors mit einem Steuergerät und einer Injektorschaltung,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Injektorschaltung,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Injektorschaltung,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer Injektorschal- tung,

Fig. 5 eine Aufladehilfeschaltung der dritten Ausführungsform der Injektorschaltung,

Fig. 6 eine Entladehilfsschaltung der dritten Ausführungsform der Injektorschaltung,

Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der Spannungen in der Schaltungsanordnung zum Ansteuern des Piezoaktors.

Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Piezoaktors P. Die Schaltungsanordnung weist ein Steuergerät 1 zur Bereitstellung einer Spannung Ust sowie eine Injektorschaltung 2 auf. Das Steuergerät 1 enthält eine Schaltungsanordnung 10, die auch als Endstufe des Piezoaktors bezeichnet wird, zur Ansteuerung eines Piezoaktors P eines Kraftstoff- Einspritzventils eines Kraftfahrzeugs.

Die Ansteuerung erfolgt durch Aufladen und Entladen des eine kapazitive Last darstellenden Piezoaktors P, der in der Injektorschaltung 2 untergebracht ist. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst eine erste Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf eine elektrische Masse GND bezogenen ersten Spannung Ub und eine zweite Spannungsquelle zur Bereitstellung einer auf die elektrische Masse GND bezogenen zweiten Spannung Uh, die kleiner als die erste Spannung Ub ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt Ub z.B. 180 V und Uh 90 V. Ein Schaltungsknoten K ist über einen ersten

Schalter Sl mit der ersten Spannung Ub und über einen zweiten Schalter S3, S4 mit der Spannung Uh und über einen dritten Schalter S2 mit der Masse GND verbindbar. Die Schaltvorgänge im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden unten noch de- tailliert beschrieben und werden durch eine Steuereinrichtung SE bewirkt, welche hierfür Steuersignale sl für den Schalter Sl, s2 für den Schalter S2, s3 und s4 für die Schalter S3 und S4 erzeugt und ausgibt.

Wenngleich dies der Einfachheit halber in der Figur nicht dargestellt ist, so sind die Schalter Sl, S2, S3, S4 bei diesem Ausführungsbeispiel durch Schalttransistoren, z.B. als MOSFETs gebildet. Die Schalter Sl und S2 sind jeweils von einem Transistor gebildet, dessen Steueranschluss, Gate bzw. Basis, mit dem Ansteuersignal sl bzw. s2 versorgt wird. Der Schalter S3, S4 ist in der Figur als Reihenschaltung als Schalter S3 und S4 eingezeichnet. Dieser Schalter ist tatsächlich aus einer Reihenschaltung von zwei MOSFETs gebildet, um einen Strom in beiden entgegen gesetzten Richtungen schal- ten zu können. Wird S3 eingeschaltet, so kann ein Strom über S3 und die intrinsische Source-Drain Diode des Transistors S4 in eine Richtung fließen, wobei in Figur 4 diese Richtung von rechts nach links zeigt. Der umgekehrte Stromfluss von links nach rechts lässt sich dementsprechend durch Einschalten von S4 freigeben. Die zum Schalten der Einzelschalter S3 und S4 erforderlichen und von der Steuereinrichtung SE gelieferten Ansteuersignale sind mit s3 und s4 bezeichnet.

Die Stromquelle CS ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Transistor ausgebildet, dessen Steueranschluss mit dem Ansteuersignal sip beaufschlagt wird, welches ebenfalls von der Steuereinrichtung SE erzeugt wird. Anders als die Ansteuersignale sl bis s4 wird mit dem Ansteuersignal sip kein Einschalten oder Ausschalten des betreffenden Transis-

tors bewirkt, sondern ein bestimmter Laststrom Ip wird beim Aufladen oder Entladen eingestellt. Dabei wird der Transistor im linearen Bereich der Kennlinie betrieben, wodurch der Widerstand der Stromquelle CS genau eingestellt werden kann. Die Stromquelle CS ist zwischen dem Schaltknoten K und dem Anschluss St des Steuergeräts 1 vorgesehen. An diesem An- schluss St ist die Leitung LI angeschlossen, die zu dem Anschluss ST2 der Injektorschaltung 2 führt.

Die Injektorschaltung 2 enthält eine Hilfsschaltung 20 sowie den Piezoaktor P. Die Hilfsschaltung 20 weist drei Anschlüsse auf, deren erster Anschluss mit dem Anschluss St2 der Injektorschaltung 2 verbunden ist. Ihr zweiter Anschluss ist mit einem Masseanschluss GP der Injektorschaltung 2 verbunden, während ein dritter Anschluss mit einem ersten Anschluss Al des Piezoaktors P verbunden ist. Der zweite Anschluss A2 des Piezoaktors P ist mit dem Masseanschluss GP der Injektorschaltung 2 verbunden.

Das Steuergerät 1 weist auch einen zweiten Anschluss Gt auf, der über eine Leitung LG mit dem Masseanschluss Gp der Injektorschaltung 2 verbunden ist. Die Leitungen LI und LG sind jeweils etwa 1 m lang, da die Injektorschaltung 2 unmittelbar am Motor angebracht ist, während das Steuergerät davon ent- fernt angebracht ist. Das Steuergerät 1 weist auch einen Masseanschluss 0 auf, der mit der Masse GND verbunden ist. Zwischen dem Anschluss GT und dem Masseanschluss GND ist im Steuergerät 1 der Messwiderstand Rs vorgesehen. Der Strom in den Piezoaktor P fließt vollständig durch diesen Messwider- stand Rs, weswegen er zum Ansteuern des durch die Stromquelle CS fließenden Stroms Ip verwendet wird.

In einer Messschaltung 14 wird der Spannungsabfall Um über den Messwiderstand Rs gemessen. Dieser Spannungsabfall ist

proportional zum durch diesen Messwiderstand Rs fließenden Strom, der wiederum gleich dem Strom Ip durch die Stromeinstelleinrichtung CS ist.

Durch die Regelung des Strom Ip kann der Ladestrom für den Piezoaktor P besser gesteuert werden, so dass Störungen auf den Versorgungsleitungen und im Funkwellenbereich vermieden werden. Die Impedanzen der Leitungen LI und LG haben große induktive und kapazitive Anteile, deren Einfluss mit Hilfe der Stromeinstelleinrichtung CS ausgeglichen werden kann.

Allerdings treten dabei in der Stromeinstelleinrichtung CS, auch Stromquelle genannt, Verlustleistungen auf, da diese als gesteuerter Widerstand betrieben wird. Eine Maßnahme dagegen ist die Verwendung von einem gestuften Spannungsverlauf am Knoten K. Während einer ersten Aufladephase wird der Schalter S3, S4 geschlossen, so dass der Aufladestrom aus der Spannung Uh gespeist wird. Hat die Piezospannung Up einen Schwellwert überschritten, so beginnt die zweite Aufladephase. Der Schal- ter S3, S4 wird geöffnet und der Schalter Sl wird geschlossen. Damit steigt die Spannung Uk auf die Spannung Ub an und der Piezoaktor P wird über die Stromquelle CS aus der ersten Spannungsversorgung, die die Spannung Ub bereitstellt, versorgt .

Beim Entladen wird ebenfalls zunächst der Schalter S3, S4 geschlossen, wodurch der Entladestrom in die zweite Spannungsquelle, die die Spannung Uh bereitstellt, fließt. Hat die Spannung Up einen vorbestimmten Schwellwert unterschritten, wird der Schalter S3, S4 wieder geöffnet und der Schalter S2 geschlossen. Somit fließt der Entladestrom durch den Schalter S2 zur Masse GND.

Durch die Verwendung der Zwischenspannung Uh wird gewährleistet, dass die über der Spannungsquelle CS abfallende Spannung begrenzt wird. Damit verringert sich die von der Spannungsquelle CS erzeugte Verlustleistung. Das Steuergerät 1 ist in der Nähe des Motorsteuergeräts angebracht oder ist Teil des Motorsteuergeräts. Ein Motorsteuergerät kann in einem üblichen Kraftfahrzeug etwa 40 W an Verlustleistung abführen, ohne dass eine spezielle Kühlung notwendig ist. Wird mehr Verlustleistung erzeugt, müsste das Motorsteuergerät zusätzlich gekühlt werden, was es zu vermeiden gilt. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die in der Spannungsquelle CS erzeugte Verlustleistung begrenzt wird.

In der Injektorschaltung 2 ist deshalb die Hilfsschaltung 20 vorgesehen, die dafür sorgt, dass ein Teil der Verlustleistung in der Injektorschaltung 2 und nicht im Steuergerät 1 erzeugt wird. Da die Injektorschaltung 2 von dem Steuergerät 1 beabstandet ist, erhöht die in der Injektorschaltung 2 erzeugte Verlustleistung nicht bzw. nur unwesentlich die Tempe- ratur des Motorsteuergeräts 1.

Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Injektorschaltung 2. Die Injektorschaltung 2 weist eine Hilfsschaltung 20 und den Piezoaktor P auf. Im Unterschied zu der Figur 1 enthält die Hilfsschaltung 20 keinen Anschluss für die Masse GND.

Die Hilfsschaltung 20 enthält eine Parallelschaltung eines Widerstands Rv und einer Diode Dl, die zwischen den Anschluss St2 der Injektorschaltung 2 und den ersten Anschluss Al des Piezoaktors P geschaltet ist. Dabei ist die Anode der Diode Dl mit dem Anschluss St2 und die Kathode mit dem ersten Anschluss Al des Piezoaktors P verbunden. über den Piezoaktor P fällt die Spannung Up ab. Während des Aufladevorgangs fällt

an der Didode Dl nur deren Durchlassspannung ab, sodass der Vorwiderstand Rv praktisch unwirksam ist. Der Aufladevorgang ist daher nahezu unverändert.

Wird bei aufgeladenem Piezoaktor P die Spannung am Steueran- schluss unter jene des Piezoaktor P die Spannung am Steueran- schluss unter jene des Piezoaktors verringert, sperrt die Diode Dl und der Vorwiderstand Rv wird wirksam. Somit erzeugt Rv die notwendige Verlustleistung während des Entladevor- gangs .

Wird Dl als Zenerdiode ausgeführt, bleibt die Aufladung weiterhin unbetroffen, bei Entladung sind allerdings auch höhere Ströme als sie der Vorwiderstand Rv zulassen würde möglich.

Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Injektorschaltung 2. Wie in Figur 2 enthält die Hilfsschaltung 20 keinen Anschluss für die Masse. Allerdings ist einen weiterer Anschluss StI vorhanden, der auch Ausgangsanschluss für die Injektorschaltung 2 ist. Dieser Anschluss wird auch über eine Leitung mit einem weiteren Ausgang der Steuerschaltung 1 verbunden. In der Steuerschaltung 1 wird das Eingangssignal am Anschluss StI ebenfalls angesteuert, so dass das Aufladen des Piezoaktors P wahlweise über den Vorwiderstand Rv und alter- nativ ohne Vorwiderstand über den Anschluss StI erfolgt.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Injektorschaltung zeigt Figur 4. Dabei enthält die Injektorschaltung 20 eine Aufladehilfsschaltung 21 und eine Entladehilfsschaltung 22. Die Auf- ladehilfsschaltung 21 und die Entladehilfsschaltung 22 weisen jeweils drei Anschlüsse auf, die mit dem Anschluss St2, mit dem ersten Anschluss Al des Piezoaktors P und mit dem Masse- anschluss GP verbunden sind.

Die Hilfsschaltung 20 lässt eine direkte Steuerung der Aufladevorgänge über Stromquellen zu, ohne eine zusätzliche Versorgungsspannung zu benötigen. Dies ist eine sehr robuste Methode und benötigt auch keine zusätzlichen Anschlüsse. Wäh- rend einer ersten Aufladephase erzeugt die Aufladehilfsschaltung 21 einen Spannungsabfall zwischen dem Anschluss St2 und dem ersten Anschluss Al des Piezoaktors P. Damit sieht die Spannungsquelle CS des Steuergeräts 1 eine konstante Spannung Ust unabhängig von der Piezospannung Up. Die über der Strom- quelle CS abfallende Spannung wird als Ucs bezeichnet, so dass folgende Bedingung gilt: Ust ≤ Uk - Ucs.

Da mittels der Hilfsspannung 20 während des Aufladens die Spannung Ust auf einen hinreichend großen Wert gebracht wer- den kann, ist die Spannung Ucs relativ gering und die Verluste entstehen vorwiegend in der Hilfsschaltung 20.

Soll auf höhere Spannung Up aufgeladen werden, muss die Speisespannung der Ladestromquelle auf ein höheres Niveau gehoben werden, beispielsweise durch Umschalten auf die Spannung Ub als Speisespannung für den Knoten K. In dieser Phase reicht es aus, wenn die Spannung Ust der zunehmenden Piezospannung Up folgt. In dieser Phase wird die überwiegende Verlustleistung in der Steuerstromquelle CS entstehen.

Bei der Entladung bietet sich dagegen die Aufteilung des Entladestroms IE über einen festen Faktor an, da die Piezospannung Up alle Werte zwischen Null und der maximalen Spannung annehmen kann. Die Aufladehilfsschaltung 21 und die Entlade- hilfsschaltung 22 sind getrennt voneinander realisierbar und können auch einzeln eingesetzt werden.

Es ist auch möglich, die vorgeschlagene Hilfsschaltung auch für Steuergeräte zu verwenden, die als Endstufen abgewandelte

Schaltnetzteil-Topologien anstelle der Stromquelle CS verwenden .

Figur 5 zeigt die Details der Aufladehilfsschaltung 21 einer Injektorschaltung 2 nach Figur 4. Die Aufladehilfsschaltung 21 enthält einen ersten Widerstand RG, einen zweiten Widerstand Rz, eine erste Diode Dg, eine zweite Diode Dz und einen Transistor T. Der Transistor ist ein Leistung-MOS- Feldeffekttransistor, der auch eine intrinsische Diode Di aufweist.

Die Aufladehilfsschaltung 21 empfängt seine Spannungsversorgung von dem Anschluss St2, der das Potential Ust bereitstellt, und von dem Masseanschluss Gt der das Massepotential bereitstellt. Mit dem Anschluss St2 sind ein erster Anschluss des ersten Widerstands RG und die Kathode der ersten Diode Dg angeschlossen. Der zweite Anschluss des ersten Widerstands RG und die Anode der ersten Diode Dg sind mit dem Zwischenknoten ZK verbunden, der auch mit dem Gate des Feldeffekttransistors T verbunden ist. An dem Zwischenknoten ZK ist auch die Katho- de der zweiten Diode Dz angeschlossen. Die Anode der zweiten Diode Dz ist mit einem ersten Anschluss des zweiten Widerstands Rz angeschlossen, dessen zweiter Anschluss mit dem Masseanschluss Gp verbunden ist.

Der als p-MOSFET ausgebildete Transistor T ist mit seiner Source an den Anschluss St2 angeschlossen, während seine Drain mit dem ersten Anschluss Al des Piezoaktors P verbunden und sein Gate mit dem Knoten ZK verbunden ist.

Der zweite Anschluss A2 des Piezoaktors P ist mit dem Masseanschluss Gp verbunden. Am Anfang des Aufladevorgangs ist die Spannung Up nahe 0 V. Solange die Eingangsspannung zwischen den Anschlüssen St2 und Gt die Zehnerspannung UDz nicht übersteigt, sperrt der Transitor T. Somit kann kein Strom durch

die Laststrecke des Transistors T fließen. Die Spannung Ust steigt rasch an, da die Stromquelle CS einen Strom einprägt und an dem Anschluss St2 wenig Kapazität angeschlossen ist. Die Spannung Uzk steigt somit auf den Wert der Zenerspannung UDz der ersten Diode Dz an. Diese Zenerspannung UDz beträgt beispielsweise 80 V.

Die Stromquelle CS prägt einen vorbestimmten Strom ein. Dadurch fließt durch den Widerstand RG ein Strom, der bewirkt, dass eine Spannung über dem ersten Widerstand RG abfällt, der gleich der Gate-Source-Spannung Ugs des Transistors T ist. Der Transistor T wird dabei gerade soweit aufgesteuert, wie es der eingeprägte Strom Ip erfordert. Ist die von der Stromquelle CS bereitgestellte Eingangsspannung Ust größer als die Spannung Udz + Ug, wird die Schaltung folglich aktiviert, wobei Ug die Schwellenspannung des Transistors T bezeichnet.

Der Schaltknoten K in dem Steuergerät 1 liegt in dem Beispiel während der ersten Aufladephase auf 90 bis 95 V. über der Stromquelle CS fällt eine Spannung ab, sodass das Potential Ust auf etwa 83 V liegt. Während der ersten Aufladephase, bei der die Spannung Up von 0 auf fast 83 V ansteigt, fällt während der überwiegenden Zeit der größte Spannungsabfall ü- ber der Laststrecke des Transistors T ab. Somit wird nicht in dem Steuergerät 1, sondern in der Injektorschaltung 2 der ü- berwiegende Teil der Verlustleistung erzeugt.

In der zweiten Aufladephase muss die Spannung Uk erhöht werden, beispielsweise auf 180 V. Die Stromquelle CS prägt wei- terhin einen Strom ein, wobei die Spannung Ust ansteigt. Dabei sorgt die zweite Diode Dg dafür, dass die Gate-Source- Spannung Ugs nicht zu groß wird. Die Gate-Source-Spannung Ugs wird auf die Zenerspannung UDG der zweiten Diode Dg begrenzt,

wobei die Zenerspannung UDG beispielsweise bei 10 bis 15 V liegt .

Während der zweiten Aufladephase steigt auch die Spannung Uzk am Zwischenknoten Zk an. Dies liegt daran, dass sich der Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand Rz bemerkbar macht. Der Strom durch die zweite Diode DZ erhöht sich bei Ansteigen des Potentials Ust, wodurch an dem zweiten Widerstand Rz, der beispielsweise zu 1 kOhm gewählt wird, eine Spannung von bis zu 90 V abfällt, wenn davon ausgegangen wird, dass die Zenerspannungen der Dioden Dz und Dg 80 V bzw. 10 V betragen und eine Spannung am Anschluss St2 von 180 V bereitgestellt wird.

Während dieser zweiten Aufladephase ist der Transistor T im wesentlichen voll aufgesteuert, so dass nur wenig Spannung über seiner Drain-Source-Strecke abfällt und die meiste Verlustleistung in dem Steuergerät, und dort speziell in der Stromquelle CS entsteht.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Entladehilfs- schaltung 22 nach Figur 4. Die Entladehilfsschaltung 22 enthält einen ersten Transistor Tl, einen zweiten Transistor T2, einen ersten Widerstand Rl, einen zweiten Widerstand R2 und eine Diode D2. Der erste Transistor Tl und der zweite Transistor T2 sind jeweils als pnp-Transistoren ausgebildet. Der Kollektor und die Basis des ersten Transistors sind mit dem Anschluss St2 verbunden, während sein Emitter mit einem ersten Anschluss des Widerstands Rl verbunden ist. Der zweite Anschluss dieses ersten Widerstands Rl ist mit dem Anschluss Al des Piezoaktors P verbunden.

Der zweite Transistor T2 ist mit seinem Kollektor mit dem Masseanschluss Gp verbunden, während sein Basisanschluss mit

dem Anschluss St2 verbunden ist. Der Emitter ist mit dem ersten Anschluss des zweiten Widerstands R2 verbunden, dessen zweiter Anschluss mit dem ersten Anschluss Al des Piezoaktors verbunden ist. Die Diode D2 ist mit ihrer Anode mit dem An- Schluss St2 und mit ihrer Kathode mit dem ersten Anschluss Al des Piezoaktors verbunden. Der zweite Anschluss A2 des Piezoaktors P ist mit dem Masseanschluss Gt verbunden.

Vor dem Entladen des Piezoaktors P liegt die maximale Span- nung über dem Piezoaktor P an. Am Anschluss St2 wird von der Stromquelle CS eine Spannung bereitgestellt, die geringer als die aktuelle Spannung Up ist. Dadurch steuert der erste Transistor Tl auf und ein Strom Il fließt durch den ersten Widerstand Rl und die Emitter-Kollektor-Strecke des ersten Tran- sistors Tl zum Anschluss St2. Gleichzeitig steuert auch der zweite Transistor T2 auf, so dass ein Strom 12 über den zweiten Widerstand R2, den Emitter und den Kollektor des zweiten Transistors T2 zum Masseanschluss Gt fließt.

Die Transistoren Tl und T2 bilden einen Stromspiegel, wobei sich die Ströme Il und 12 unterscheiden. Das Verhältnis der Ströme Il und 12 wird durch die Widerstände Rl und R2 eingestellt. In einem Ausführungsbeispiel wird der Widerstand R2 so gewählt, dass er ein Fünftel so groß wie Rl ist. Somit fließt durch die Laststrecke des zweiten Transistors T2 ein fünfmal höherer Strom als durch die Laststrecke des Transistors Tl. In der Praxis ist es möglich, dass der Fehler in der Proportionalität zwischen Il und 12 weniger als 2 % beträgt, wenn dafür gesorgt wird, dass die Transistoren Tl und T2 mög- liehst gleiche Eigenschaften haben, beispielsweise aus dem gleichen Produktionslos stammen.

Der Strom durch den ersten Transistor Tl und der Strom durch den zweiten Transistor T2 tragen beide zur Entladung bei, wo-

bei jener durch den zweiten Transistor T2 in der Injektorschaltung 2 verbleibt. Nur der Anteil durch den ersten Transistor Tl wird im Steuergerät 1 wirksam. Die Verlustleistung, die durch den Strom durch den zweiten Transistor T2 und durch den zweiten Widerstand R2 bewirkt wird, verbleibt in der Injektorschaltung 2. Somit verringert sich die in dem Steuergerät 1 erzeugte Verlustleistung. Geringe Verlustleistung wird durch den Strom 12 im Messwiderstand Rs erzeugt. Der Messwiderstand wird aber so ausgelegt, dass er einen kleinen Wider- standswert, beispielsweise 0,5 Ohm, hat. Damit ist die Verlustleistung, die vom Messwiderstand Rs erzeugt wird, klein gegenüber der im Injektor 2 erzeugten Verlustleistung.

Während der Aufladung des Piezoaktors P sind der erste Tran- sistor Tl und der zweite Transistor T2 jeweils ausgeschaltet, so dass der Aufladestrom durch die Diode D2 fließt. In einer Ausführungsform, bei der sowohl eine Aufladehilfsschaltung 21 nach Figur 5 und eine Entladehilfsschaltung 22 nach Figur 6 vorgesehen sind, kann die Diode D2 weggelassen werden.

Die vorgestellten Schaltungen nach Figur 5 und Figur 6 können mit diskreten Bauteilen aufgebaut werden, da für sie nur eine geringe Anzahl an Bauteilen benötigt wird. Es ist aber auch möglich, die vorgestellten Schaltungen mit einem oder mehre- ren integrierten Schaltungen zu realisieren. Dadurch können die Schalteigenschaften der Hilfsschaltung genauer eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Regelschwelle des Spannung nach Figur 5 und des Stromverhältnisses nach Figur 6 mit Hilfe einer integrierten Schaltung mit einer Vielzahl von Schaltfunktionen genauer eingestellt werden.

Figur 7 zeigt die Spannungsverläufe von ausgewählten Knoten der Schaltungsanordnung. Gezeigt sind die Spannungen Uk an dem Knoten K, Ust auf der Leitung LI und Up über dem Piezoak-

tor P. Zu Beginn des Aufladevorgangs ist der Schalter S3, S4 geschlossen und die Spannung Uk liegt auf der Spannung Uh. über der Hilfsschaltung 20 fällt eine Spannung ab, so dass das Potential Ust auf einem, von der Aufladehilfsschaltung 21 vorgegebenen, Wert unterhalb der Spannung Uh liegt.

Während am Anfang die Piezospannung Up auf Null legt, fällt über der Hilfsschaltung 20 die Spannung Ust - Up ab. Mittels der Stromquelle wird der Piezoaktor aufgeladen, so dass die Spannung Up linear ansteigt.

Nach Beginn einer ersten Aufladephase wird in einer zweiten Aufladephase der Schalter S3, S4 geöffnet und der Schalter Sl geschlossen. Die Spannung am Knoten K steigt auf den Wert Ub an, woraufhin die Stromquelle CS so geschaltet wird, dass die Spannung am Anschluss St2 ebenfalls linear ansteigt bis sie einen Maximalwert erreicht hat. Die Spannung Up steigt weiterhin linear ab, wobei sie stets etwas kleiner als die Spannung Ust bleibt. In dem Diagramm ist auch der Ladestrom IstL eingezeichnet, der während des linearen Anstiegs der Spannung Up konstant ist.

Der Strom IstL fließt zwar vollständig über die Leitung LI in die Injektorschaltung, allerdings wird während der ersten Aufladephase der Großteil der Verlustleistung in der Hilfs- schaltung 20 erzeugt, da das Potential Ust auf einem hohen Wert gehalten wird.

Beim Entladevorgang wird das Potential Ust am Anschluss St2 gesenkt, so dass es kleiner als das Potential am ersten Anschluss Al ist. Mittels der Schalter S3, S4 und S2 wird die Spannung am Knoten K gesenkt. Die Stromquelle CS wird so geregelt, dass die Spannung St2 linear sinkt, womit auch die Spannung am Piezoaktor P linear sinkt. Der Entladestrom IE

wird während dieses Vorgangs mittels der Stromquelle CS auf einen konstanten Wert geregelt.

Dabei fließt allerdings nur der Il bezeichnete Anteil des Stromes durch die Leitung LI in das Steuergerät 1, so dass der Rest des Stromes direkt nach Masse fließt und somit keine bzw. nur eine geringe Verlustleistung im Steuergerät bewirkt.