Piezoelektrische Aktuatoren verhalten sich in der elektri- schen Ansteuerung wie Kondensatoren, die entweder über eine Strom-oder eine Spannungsquelle aufgeladen werden. Üblicher- weise werden piezoelektrische Aktuatoren über eine sogenannte RC-Steuerung angesteuert. Bei diesem Verfahren wird der pie- zoelektrische Aktuator aus einer Spannungsquelle, beispiels- weise einem großen Kondensator, über einen Schalter und einen ohmschen Widerstand aufgeladen. Zum Entladen wird der Schal- ter geöffnet und ein zweiter Schalter geschlossen, der den piezoelektrischen Aktuator dann über einen weiteren ohmschen Widerstand kurzschließt. Durch die Wahl der Widerstände ist der Ladeverlauf und damit auch der Dehnungsverlauf des piezo- elektrischen Aktuators frei wählbar. Der große Nachteil der RC-Steuerung ist die große Leistungsaufnahme bei großen Ak- tuatoren, d. h. einer entsprechend großen Kapazität und bei hohen Arbeitsfrequenzen. Hierbei wird pro Lade-und Entlade- zyklus die Energie W=CU in den Widerständen und im Aktuator in Verlustwärme umgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktuatoren zu entwickeln, durch das die elektrischen Verluste weitgehend vermindert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß vor Beginn der Lastansteuerung über eine Spannungsquelle eine Kondensatorbatterie auf die Betriebsspannung der kapazitiven Last Cp aufgeladen wird, daß aus der Kondensatorbatterie über einen aus einer Drossel einer Freilaufdiode und der Last Cp

gebildeten Reihenschwingkreis die Last Cp geladen wird, daß bei Lastanforderung über einen Lastschalter die Last Cp mit der Drossel verbunden wird, die über eine Freilaufdiode mit der Kondensatorbatterie verbunden ist, so daß die Last Cp bis auf eine Restspannung entladen wird. Der Vorteil dieses Ver- fahrens besteht darin, daß beim Schalten des Lastfalles zu- nächst die Restladung auf der Lastkapazität Cp verbleibt und daß anschließend diese Restladung auf die Kondensatorbatterie zurückgeführt werden kann, so daß die Restladung zum größten Teil zurückgewonnen werden kann.

Zweckmäßig ist es gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsge- mäßen Verfahrens, daß zur Rückgewinnung der Restladung aus der Lastkapazität Cp die Drossel kurzfristig gegen Masse ge- schaltet wird, so daß die Restladung auf die Kondensatorbat- terie abfließen kann. Durch die kurzfristige Schaltung der Drossel gegen Masse gelingt es, die gesamte Blindleistung, die in der Last gespeichert wurde, zurückzuerhalten.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft und besonders zweckmäßig, wenn die Konden- satorbatterie sehr viel größer ist als die Lastkapazität Cp.

Damit läßt sich ein maximales Spannungsübersetzungsverhältnis etwa mit dem Faktor 2 zwischen der Quellenspannung und der Lastspannung erzielen. Dies vor allem dann, wenn die Kapazi- tät der Kondensatorbatterie im Verhältnis zur Kapazität der Last Cp praktisch unendlich groß ist.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be- steht vor allem darin, daß nach Aufladung der Kondensatorbat- terie auf die Betriebsspannung die volle Lastbetriebsspannung aus der Kondensatorbatterie zur Verfügung steht. Mit einer Regelung der Spannung an der Kondensatorbatterie auf einen stabilen Ausgangszustand ist eine stabile, reproduzierbare Aufladung der kapazitiven Last Cp möglich. Als Eingangsgröße für die Regelung kann sowohl die Spannung an der Kondensator- batterie als auch die Spannung an der Last Cp herangezogen werden.

Die Erfindung wird anhand von Schaltbildern und Strom-und Spannungsdiagrammen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung an der Kondensatorbatterie C1 und an der Last Cp.

Die in Fig. 1 zur Durchführung des Verfahrens nach dem Stand der Technik dargestellte Schaltung weist einen piezoelektri- schen Aktuator Cp auf, der über eine Kondensatorbatterie Cl aufgeladen werden kann. Die Kondensatorbatterie C1 steht mit einer entsprechenden gleichen Stromversorgung UB in Verbin- dung, über die die Kondensatorbatterie C1 nachgeladen wird.

Die Aufladung des Aktuators Cp erfolgt durch Schließen eines Schalters S1 über einen ohmschen Widerstand R1. Zum Entladen wird der Schalter S1 geöffnet und ein zweiter Schalter S2 ge- schlossen, der den Aktuator Cp dann über einen zweiten ohm- schen Widerstand R2 kurzschließt. Durch die Wahl der Wider- stände R1 und R2 ist der Lade-und damit auch der Deh- nungsverlauf des Aktuators Cp frei wählbar. Die erstmalige Aufladung des Aktuators Cp erfolgt also direkt aus der Kon- densatorbatterie C1. Wird der Aktuator Cp entladen, verbleibt eine erhebliche Restladung auf dem Aktuator Cp, die durch die Kurzschlußschaltung vernichtet wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer gleichen Spannungsquelle UB, die über eine Dioden D, mit der Kondensatorbatterie C1 in Verbindung steht, die in ihrer Ka- pazität viel größer ist als die Lastkapazität des Aktuators Cp. Der Aktuator Cp kann durch Schließen eines Ladeschalters

SL und eine Induktivität L1 über die Diode DE aufgeladen wer- den.

Nach dem Ladevorgang wird der Ladeschalter SL geöffnet, wie dargestellt, und ein Entladeschalter SE geschlossen, so daß die Entladung über die Induktivität L1 und eine auf die Kon- densatorbatterie C1 aufgeschaltete Diode DL erfolgen kann.

Dadurch kann die Ladung des Aktuators Cp für die Kondensator- batterie C1 zu einem großen Teil zurückgewonnen werden.

Die durch den Innenwiderstand des Aktuators Cp nach der Ent- ladung noch verbleibende Restladung wird durch kurzfristiges Schließen eines Restentladeschalters SR in der Induktivi- tät L1 gespeichert und nach dem Öffnen des Restentladeschal- ters SR von dort in die Kondensatorbatterie Ci zurückgespei- chert. Das hat den Vorteil, daß aus der Spannungsquelle UB nur noch die geringen Verlustenergien auf die Kondensatorbat- terie Ci nachgeladen werden müssen. Die Gleichspannungsquel- le UB und die Kondensatorbatterie Ci sind zweckmäßigerweise zu einer geregelten Spannungsquelle zusammengefaßt, wobei diese Spannungsquelle hinsichtlich der Regelungsbildung so ausgelegt ist, daß die jeweils gewünschte Spannung am Aktua- tor Cp auf einen jeweils wünschbaren Wert geregelt werden kann.

Der vorbeschriebene Lade-und Entladevorgang wird nachstehend in seiner Zeitabhängigkeit anhand der Diagramme von Fig. 3 näher erläutert.

Hierbei zeigt das Diagramm a) die Abfolge und die Länge der Steuerimpulse. Das Diagramm b) zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung Uc an der Kondensatorbatterie C1 und das Dia- gramm c) den Verlauf der Lastspannung Up Das Diagramm d) zeigt den Verlauf des Laststromes.

Anhand dieser Diagramme wird ein Lade-und Entladevorgang er- läutert. Vor Beginn der Lastansteuerung, d. h. vor dem Zeit- punkt To wird die Kondensatorbatterie Cl über die Diode Dv auf

die Spannung UB aufgeladen. Zum Zeitpunkt To wird der Lade- schalter SL geschlossen. Die Drossel L1 bildet über die Frei- laufdiode DE mit der Lastkapazität Cp des Aktuators einen Reihenschwingkreis. Die Ladung wird auf die Lastkapazität aufgebracht. Die Spannung an der ondensatorbatterie C1 fällt ab und die Spannung an der Last Cp steigt entsprechend an.

Der Stromverlauf ist sinusförmig. Nach der Zeit t1 ist der Ladevorgang abgeschlossen. Bleibt der Ladeschalter über diese Zeit hinaus bis zum Zeitpunkt T2 geschlossen, so hat dies keine Auswirkung auf die Spannung an der Last, da die Diode DE eine Umkehr der Stromrichtung verhindert.

Der Ladeschalter SL kann nach Abschluß des Ladevorgangs je- derzeit geöffnet werden, der Öffnungszeitpunkt ist hierbei unkritisch. Soll die Last zum Zeitpunkt T3 entladen werden, wird der Entladeschalter SE geschlossen. Die Ladung fließt über die Drossel Li und die Freilaufdiode DL in die Kondensa- torbatterie C1 zurück. Der Stromverlauf ist in diesem Reihen- schwingkreis wiederum sinusförmig. In der Zeit t4 ist die Spannung an der Last Cp auf die Restspannung UR abgesunken.

Eine darüber hinausgehende Ansteuerung des Entladeschalters SE bringt keine Spannungsverringerung an der Lastkapazität.

Die Energierückspeisung ist am Spannungsanstieg an der Kon- densatorbatterie C1 zu erkennen.

Zum Zeitpunkt T, wird zusätzlich zum Entladeschalter SE der <BR> <BR> <BR> <BR> Restentladeschalter SR geschlossen. Die Drossel L1 bildet nun mit der Lastkapazität Cp einen neuen Reihenschwingkreis. Die in der Last Cp gespeicherte Restenergie wird so in die Dros- sel L1 eingespeichert. Die Spannung an der Last Cp ist zum Zeitpunkt T6 auf 0 abgeklungen. Der Entladevorgang der Last Cp ist damit abgeschlossen. Der Strom in der Drossel L1 ist damit maximal. In diesem Augenblick muß der Restentladeschal- ter SR geöffnet werden. Bleibt der Restentladeschalter SR weiter geschlossen, wird die Freilaufdiode Dp leitend. Die Lastspannung wird auf die Durchlaßspannung der Freilaufdi- ode Dp geklemmt. Damit kommt es zu Verlusten am Bahnwider- stand der Diode Dp und an den ohmschen Widerständen des

Schwingkreises. Der Entladeschalter SE muß also möglichst sofort nach Entladung der Lastkapazität Cp geöffnet werden.

Der Stromfluß durch die Drossel L1 wird nach Öffnen des Re- stentladeschalters SR zum Zeitpunkt T6 über die Freulaufdioden DL und Dp und dem Entladeschalter SE auf die Kondensatorbatte- rie Claufrechterhalten. Die zuvor in der Last Cp gespeicherte Restenergie wird so an die Kondensatorbatterie C1 abgegeben.

Die Spannung an der Kondensatorbatterie C1 steigt erneut. Zum Zeitpunkt T7 ist die Drossel L1 ernergielos. Der Rückspeise- vorgang und damit der gesamte Schaltzyklus ist abgeschlossen.

Der Öffnungszeitpunkt T8 des Entladeschalters SE ist unkri- tisch. Die Kodensatorbatterie C1 wird aus der Quelle auf die Spannung UB nachgeladen.

De Dioden DL und DE können dann entfallen, wenn die Ansteue- rung der Schalter SL und SE so ausgelegt ist, daß diese zum richtigen Zeitpunkt betätigt werden. Die hier vorgeschlagene Lösung mit den Dioden DL und DE hat den großen Vorteil, daß diese praktisch selbständig de"richtiger"Schaltzeitpunkt "wählen"und somit einer zeitgenaue Ansteuerung des Entlade- schalters SE beim Laden und des Ladeschalters SL beim Entla- den entfallen kann.