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DE10321208A1 - Circuit arrangement for reducing sound emissions and high frequency oscillations of piezoelectric actuator e.g. for motor vehicle, has filter with small or large apparent resistance in acoustically disturbing frequency range - Google Patents

Circuit arrangement for reducing sound emissions and high frequency oscillations of piezoelectric actuator e.g. for motor vehicle, has filter with small or large apparent resistance in acoustically disturbing frequency range Download PDF

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DE10321208A1
DE10321208A1 DE2003121208 DE10321208A DE10321208A1 DE 10321208 A1 DE10321208 A1 DE 10321208A1 DE 2003121208 DE2003121208 DE 2003121208 DE 10321208 A DE10321208 A DE 10321208A DE 10321208 A1 DE10321208 A1 DE 10321208A1
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Hellmut Freudenberg
Christian Dr. Hoffmann
Lorand Ouvenou
Richard Pirkl
Wolfgang Dr. Östreicher
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Siemens Corp
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

The circuit arrangement has a control unit (V) for driving the actuator (P) with drive signals and at least one filter (F1) connected in parallel or series with the actuator. The filter or filters has a small or a large impedance in the acoustically disturbing frequency range. A first filter can be connected in series with the actuator and a second filter in parallel with the series circuit of first filter and actuator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungsanordnung zum Reduzieren von Schallemissionen und hochfrequenten Schwingungen eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines piezoelektrisch angetriebenen Stellglieds, wie es beispielsweise bei Bremsen, Dosiereinrichtung, optischen Spiegeln und Linsengeräten, Einspritzanlagen oder Ventilverstellungen eingesetzt wird.The The invention relates to a circuit arrangement for reducing noise emissions and high-frequency vibrations of a piezoelectric actuator, in particular a piezoelectrically driven actuator, such as it for example in brakes, metering devices, optical mirrors and lens devices, Injection systems or valve adjustments is used.

Ein piezoelektrischer Aktor findet beispielsweise auch in einem Kraftstoffinjektor Verwendung. In diesem Fall wird ein Steuerventil mittelbar oder auch unmittelbar durch den Aktor betätigt.On Piezoelectric actuator can also be found in a fuel injector, for example Use. In this case, a control valve is indirect or too actuated directly by the actuator.

Bei piezoelektrischen Aktoren treten aufgrund hoher Schaltgeschwindigkeiten und hoher innerer Kräfte bei deren Betrieb starke Vibrationen auf. Diese Vibrationen sind spektral sehr breitbandig und erzeugen ein hohes Maß an Körperschall. Dieser Körperschall wird bei einer Anwendung in einem Kraftstoffinjektor vom gesamten Motorblock verstärkt und vom Benutzer des Kraftfahrzeugs als metallisches, störendes rhythmisches Geräusch wahrgenommen.at piezoelectric actuators occur due to high switching speeds and high inner powers strong vibrations during their operation. These vibrations are spectrally very broadband and generate a high level of structure-borne noise. That structure-borne noise is used in a fuel injector from the whole Engine block reinforced and by the user of the motor vehicle as a metallic, disturbing rhythmic noise perceived.

Das Frequenzspektrum eines dem piezoelektrischen Aktor ansteuernden Stroms (vgl. 5, Steuerstrom IST) weist in einem Frequenzbereich zwischen 7 und 13 kHz ein Maximum auf. Dieses Maximum des Steuerstroms führt dazu, dass der piezoelektrische Aktor im hörbaren Bereich durch den Steuerstrom angeregt wird.The frequency spectrum of a current driving the piezoelectric actuator (cf. 5 Control current IST) has a maximum in a frequency range between 7 and 13 kHz. This maximum of the control current leads to the piezoelectric actuator being excited by the control current in the audible range.

Bei der Ansteuerung eines Piezoaktors der als Antrieb in einem Kraftstoffinjektor Verwendung findet, werden Ströme im Bereich von 30 A und Anstiegszeiten von weniger als 50 μs ge fordert. Die starken Steigungsänderungen im Stromverlauf des Ansteuerstroms regen mechanische Schwingungen an.at the control of a piezo actuator as a drive in a fuel injector Currents are used required in the range of 30 A and rise times of less than 50 μs. The strong slope changes Mechanical vibrations stimulate in the current course of the control current.

Da Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, aufgrund von so genannten weichen Brennverfahren, die durch Mehrfacheinspritzung und/oder Aufladung erreicht werden, immer leiser werden, wird es als störend empfunden, dass das Geräusch der piezoelektrischen Stellglieder aus dem Gesamtgeräusch des Verbrennungsmotors herauszuhören ist.There Internal combustion engines, especially diesel engines, due to such mentioned soft combustion process by multiple injection and / or Charging can be achieved, becoming quieter, it is perceived as a nuisance, that the noise of the piezoelectric actuators from the total noise of the To hear the internal combustion engine is.

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 46 965 A1 ist ein geräuschgedämpfter piezoelektrischer Antrieb bekannt. Bei diesem piezoelektrischen Antrieb ist das Piezoelement von einem Gehäuse umgeben, das wenigstens teilweise mit einer äußeren Schicht aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften gefertigt ist. Bei diesem bekannten Antrieb wird der Körperschall dadurch reduziert, dass er durch eine geeignete mechanische Entkopplung und Isolation an einer Weiterleitung und Ausbreitung gehindert wird.From the published application DE 199 46 965 A1 a silenced piezoelectric drive is known. In this piezoelectric drive, the piezo element is surrounded by a housing which is at least partially made with an outer layer made of a material with vibration-damping properties. In this known drive, the structure-borne noise is reduced in that it is prevented from being transmitted and propagated by a suitable mechanical decoupling and isolation.

Weiter existieren Verfahren, die über Sensoren die Vibrationen des Gesamtsystems erfassen und durch eine adaptive Regelung der Vibration entgegenwirken. Auch existieren Ansätze, die durch geeignete gegenphasige Anregung nach der eigentlichen ersten Ansteuerung des piezoelektrischen Antriebs den Vibrationen entgegenwirken.Further procedures exist that are about Sensors record the vibrations of the entire system and through a counteract adaptive control of vibration. Also exist Approaches, by means of suitable antiphase excitation after the actual one first control of the piezoelectric drive the vibrations counteract.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Reduzieren von Schallemissionen und hochfrequenten Schwingungen eines piezoelektrischen Aktors zu schaffen.task the invention is a circuit arrangement for reducing Sound emissions and high frequency vibrations of a piezoelectric To create an actuator.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.This The object is achieved by a circuit arrangement according to claim 1.

Zwischen einer den piezoelektrischen Aktor ansteuernden Einheit und dem Aktor selbst ist ein elektronisches Filter angeordnet. Dieses Filter filtert aus einem den piezoelektrischen Aktor ansteuernden Signal die Frequenzanteile heraus, die die Ursache für die als störend empfundenen Schallemissionen und die hochfrequenten Schwingungen des piezoelektrischen Aktors sind.Between a unit controlling the piezoelectric actuator and the actuator even an electronic filter is arranged. This filter filters out the frequency components of a signal driving the piezoelectric actuator out the cause of which as disturbing perceived noise emissions and the high-frequency vibrations of the piezoelectric actuator.

Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es, dass das aus der Ansteuereinheit, dem piezoelektrischen Aktor und der von dem Aktor betriebenen Einheit bestehende System nur durch zumindest ein Filter ergänzt werden muss und keine konstruktiven Veränderungen am System vorgenommen werden müssen.advantage the circuit arrangement according to the invention is that from the control unit, the piezoelectric Actuator and the existing system operated by the actuator only needs to be supplemented by at least one filter and no constructive changes must be carried out on the system.

Bei Änderungen an diesem System kann das Filter so auf einfache Weise an einen veränderten Systemfrequenzgang angepasst werden.In case of changes on this system, the filter can be easily connected to one changed system frequency response be adjusted.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.advantageous Embodiments of the invention are described in the subclaims.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Filter dem piezoelektrischen Aktor in Serie geschaltet sein. Das Filter ist hier so ausgelegt, dass seine Resonanzfrequenz in dem Bereich der störenden Komponenten liegt und der Scheinwiderstand des Filters in diesem Bereich hochohmig ist und so die störenden Komponenten aus dem Ansteuerstrom des piezoelektrischen Aktors gefiltert werden.In an advantageous embodiment of the invention, the filter the piezoelectric actuator can be connected in series. The filter is designed here so that its resonance frequency is in the range of disturbing Components lies and the impedance of the filter in this Is high-impedance and so the disruptive components from the Driving current of the piezoelectric actuator are filtered.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Filter parallel zum piezoelektrischen Aktor angeordnet. Die Eigenschaften des Filters werden hier ebenfalls so gewählt, dass die Resonanzfrequenz im Bereich der störenden Komponenten liegt und so die störenden Komponenten vom piezoelektrischen Aktor „weggesaugt" werden (sogenannte Saugkreis).In a further advantageous embodiment of the invention, the filter is arranged parallel to the piezoelectric actuator. The properties of the filter are also selected here so that the resonance frequency is in the range of the interfering components and thus the interfering components of the pi ezoelectric actuator are "sucked away" (so-called suction circuit).

Wird der piezoelektrische Aktor zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine verwendet, so können auf einfache Weise die bei diesem Anwendungsfall störenden Komponenten des Ansteuersignals gefiltert werden. Treten aufgrund von Änderungen am Kraftstoffinjektor oder an der Brennkraftmaschine geänderte akustische Anforderungen an dem Aktor auf, so kann das Filter auf einfache Weise angepasst werden.Becomes the piezoelectric actuator for operating a fuel injector an internal combustion engine used, so can easily disturbing in this application Components of the control signal are filtered. Kick due to of changes Changed acoustic on the fuel injector or on the internal combustion engine Requirements on the actuator, so the filter can be simple Way to be adjusted.

Anhand der schematischen Zeichnungen werden mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beispielhaft erläutert. Es zeigen:Based the schematic drawings are several embodiments the circuit arrangement according to the invention exemplified. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, 1 2 shows a block diagram of a first exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention,

2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, 2 2 shows a block diagram of a second exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention,

3 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, 3 2 shows a block diagram of a third exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention,

4 ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und 4 a block diagram of a fourth embodiment of a circuit arrangement according to the invention, and

5 den Amplitudengang von mehreren den Piezoaktor ansteuernden Strömen. 5 the amplitude response of several currents driving the piezo actuator.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese weist eine Ansteuereinheit V mit einem Spannungsverstärker, einer ohmschen Endstufe, einem Strom- oder einem Ladungsverstärker auf. Die Ansteuereinheit V steuert zumindest einen piezoelektrischen Aktor P mit einem Steuerstrom IST an. Ein Filter F1 ist einerseits mit der Ansteuereinheit V und andererseits mit dem piezoelektrischen Aktor P elektrisch verbunden. Der piezoelektrische Aktor P ist über seinen zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss der Ansteuereinheit V elektrisch verbunden. 1 shows a first embodiment of a circuit arrangement according to the invention. This has a control unit V with a voltage amplifier, an ohmic output stage, a current amplifier or a charge amplifier. The control unit V controls at least one piezoelectric actuator P with a control current IST. A filter F1 is on the one hand electrically connected to the control unit V and on the other hand to the piezoelectric actuator P. The piezoelectric actuator P is electrically connected via its second connection to a second connection of the control unit V.

Das Frequenzspektrum eines Ansteuerstroms IST, wie er beispielsweise in 5 dargestellt ist, weist in einem Frequenzbereich zwischen 7 und 13 kHz Signalanteile auf, die sich beim Betrieb des piezoelektrischen Aktors P wegen der von diesen Frequenzanteilen erzeugten mechanischen Schwingungen als störend erweisen.The frequency spectrum of a drive current IS, as it is for example in 5 is shown, has in a frequency range between 7 and 13 kHz signal components which prove to be disruptive during operation of the piezoelectric actuator P because of the mechanical vibrations generated by these frequency components.

Das Filter F1 ist hier dem piezoelektrischen Aktor P in Serie geschaltet. Bei dem Filter F1 handelt es sich vorzugsweise um einen Parallelschwingkreis, der einen Kondensator C und eine Spule L aufweist, die zueinander parallel angeordnet sind. Dieser Parallelschwingkreis wird vom Steuerstrom IST, der den piezoelektrischen Aktor ansteuert, durchflossen. Das Filter F1 stellt einen so genannten „Sperrkreis" dar, dessen Scheinwiderstand für den Bereich um die Resonanzfrequenz fR mit entsprechender Bandbreite groß ist und die in diesem Bereich liegenden Frequenzanteile des Steuerstroms IST dämpft. Durch geeignete Wahl der Resonanzfrequenz fR und der Bandbreite des Parallelschwingkreises, d.h. durch geeignete Wahl des Kondensators C und der Spule L, können somit störende Frequenzkomponenten des Steuerstroms IST vom piezoelektrischen Aktor P ferngehalten werden, wodurch sich das akustische Verhalten des piezoelektrischen Aktors P verbessert.The filter F1 is connected in series with the piezoelectric actuator P. The filter F1 is preferably a parallel resonant circuit which has a capacitor C and a coil L which are arranged in parallel with one another. This parallel resonant circuit is flowed through by the control current IST, which drives the piezoelectric actuator. The filter F1 represents a so-called “blocking circuit”, whose impedance for the area around the resonance frequency f R is large with a corresponding bandwidth and dampens the frequency components of the control current IST lying in this area. By a suitable choice of the resonance frequency f R and the bandwidth of the Parallel resonant circuit, that is, by suitable choice of the capacitor C and the coil L, disturbing frequency components of the control current IST can thus be kept away from the piezoelectric actuator P, which improves the acoustic behavior of the piezoelectric actuator P.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Hierbei tragen funktionell identische Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie in 1. 2 shows a block diagram of a second embodiment of a circuit arrangement according to the invention. Here, functionally identical components have the same reference numerals as in 1 ,

Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist hier ein Filter F2 parallel zum piezoelektrischen Aktor P angeordnet. Bei diesem Filter F2 handelt es sich vorzugsweise um einen Serienschwingkreis – eine Serienschaltung eines Kondensators C und einer Spule L –, der bei seiner Resonanzfrequenz fR einen kleinen Scheinwiderstand aufweist und somit wenn das Filter F2 im Bereich der Resonanzfrequenz fR angeregt wird praktisch einen elektrischen Kurzschluss darstellt. Dieses Filter F2 wird auch als „Saugkreis" bezeichnet. Es „saugt" die Frequenzanteile des Steuerstroms IST in dem Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz fR ab.In contrast to the exemplary embodiment 1 a filter F2 is arranged parallel to the piezoelectric actuator P. This filter F2 is preferably a series resonant circuit - a series circuit of a capacitor C and a coil L - which has a small impedance at its resonance frequency f R and thus practically an electrical one when the filter F2 is excited in the range of the resonance frequency f R Represents short circuit. This filter F2 is also referred to as a "suction circuit". It "sucks" the frequency components of the control current IST in the frequency range around the resonance frequency f R.

3 zeigt eine Kombination der Ausführungsbeispiele der 1 und 2. Hier ist ein erstes Filter F13, vorzugsweise ein Parallelschwingkreis, in Serie zum piezoelektrischen Aktor angeordnet. Ein zweites Filter F23, vorzugsweise ein Serienschwingkreis, ist parallel zu der Reihenschaltung aus Filter F13 und piezoelektrischem Aktor P angeordnet. 3 shows a combination of the embodiments of FIG 1 and 2 , Here, a first filter F13, preferably a parallel resonant circuit, is arranged in series with the piezoelectric actuator. A second filter F23, preferably a series resonant circuit, is arranged in parallel with the series connection of filter F13 and piezoelectric actuator P.

Wird für die Filter F13 und F23 dieselbe Resonanzfrequenz fR gewählt, so erhöht sich die Dämpfung im Bereich um die Resonanzfrequenz fR. Alternativ kann durch eine geeignete Abstimmung der Filter F13 und F23 auf zwei leicht versetzte Resonanzfrequenzen fR13 und fR23 die Bandbreite des aus F13 und F23 bestehenden Filters und somit der Bereich, in dem der Steuerstrom IST gedämpft wird vergrößert werden.If the same resonance frequency f R is selected for the filters F13 and F23, the damping increases in the range around the resonance frequency f R. Alternatively, the filters F13 and F23 can be suitably tuned to two slightly offset resonance frequencies f R13 and f R23 to increase the bandwidth of the filter consisting of F13 and F23 and thus the range in which the control current IS is damped.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Hier ist ein Filter F24 dem piezoelektrischen Aktor P in Serie geschaltet. Bei diesem Filter F24 handelt es sich vorzugsweise um einen Serienschwingkreis. Dieser sogenannte „Leitkreis" lässt nur die Frequenzanteile des Steuerstroms IST durch, die im Bereich der Bandbreite des Filters F24 liegen. Die Bandbreite des Filters F24 ist so abgestimmt, dass nur die Frequenzanteile des Steuerstroms IST durchgelassen werden, die im Betrieb des piezoelektrischen Aktors P als nicht störend empfunden werden. 4 shows another embodiment of a circuit arrangement according to the invention. Here is a filter F24 the piezoelectric actuator P connected in series. This filter F24 is preferably a series resonant circuit. This so-called “control circuit” only lets through the frequency components of the control current IST that lie in the range of the bandwidth of the filter F24. The bandwidth of the filter F24 is coordinated such that only the frequency components of the control current IST that are in operation of the piezoelectric actuator P are not perceived as disturbing.

Die Bandbreite der Filter F ist von der Güte des jeweiligen Filters F abhängig und bezeichnet den Bereich in dem der Scheinwidertand des Filters oder der Signalpegel größer gleich 70,7% (–3dB) des Maximalwerts – der bei der Resonanzfrequenz fR auftritt – ist.The The bandwidth of the filter F depends on the quality of the respective filter F dependent and denotes the area in which the filter's apparent resistance or the signal level is greater than or equal 70.7% (-3dB) of the maximum value - the occurs at the resonance frequency fR - is.

5 zeigt den Amplitudengang des Steuerstroms IST für einen ungefilterten Steuerstrom IST1, einen mit einer Schaltungsanordnung gemäß 2 gefilterten Steuerstrom IST2 und einen mit einer Schaltungsanordnung gemäß 3 gefilterten Steuerstrom IST3. 5 shows the amplitude response of the control current IST for an unfiltered control current IST1, one with a circuit arrangement according to 2 filtered control current IST2 and one with a circuit arrangement according to 3 filtered control current IST3.

Der gefilterte Steuerstrom IST2 weist bei einer Frequenz von 10kHz ein Minimum auf. Im Vergleich zu dem Verlauf des ungefilterten Steuerstroms IST sind die Amplituden des Steuerstroms IST2 in dem Frequenzbereich um 10KHz kleiner.The filtered control current IST2 indicates at a frequency of 10kHz Minimum on. Compared to the course of the unfiltered control current IS are the amplitudes of the control current IST2 in the frequency domain 10KHz smaller.

Kommt eine Filteranordnung mit einem parallel und einem in Serie angeordneten Filter F23, F13 – wie sie in 3 gezeigt ist – zum Einsatz, so können die Amplituden in dem Frequenzbereich zwischen 7 und 13 kHz noch weiter reduziert werden und die akustischen Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors P noch weiter verbessert werden.Comes a filter arrangement with a filter F23, F13 arranged in parallel and in series - as in 3 is shown - the amplitudes in the frequency range between 7 and 13 kHz can be reduced even further and the acoustic properties of the piezoelectric actuator P can be further improved.

Die hier verwendeten Filter F1, F2, F12, F23 und/oder F24 sind vorzugsweise zusammen mit der Ansteuereinheit V in einem Gehäuse untergebracht. Die Filter F1, F2, F12, F23 und/oder F24 können jedoch auch zusammen mit dem piezoelektrischen Aktor P in einem Gehäuse angeordnet sein.The Filters F1, F2, F12, F23 and / or F24 used here are preferred housed together with the control unit V in a housing. The filters F1, F2, F12, F23 and / or F24 can but also together with the piezoelectric actuator P in one casing be arranged.

Bei den Filtern F1, F2, F12, F23 und F24 kann es sich sowohl um analoge, als auch um digitale Filter handeln.at Filters F1, F2, F12, F23 and F24 can be analog, as well as digital filters.

Claims (3)

Schaltungsanordnung zum Reduzieren von Schallemissionen und hochfrequenten Schwingungen eines piezoelektrischen Aktors, die aufweist – eine Ansteuereinheit (V), von der der piezoelektrische Aktor (P) mit einem Ansteuerstrom (IST) angesteuert wird, und – zumindest ein Filter (F1, F2, F12, F23, F24), das parallel oder in Serie zum piezoelektrischen Aktor (P) geschaltet ist, wobei das oder die Filter (F1, F2, F12, F23, F24) im akustisch störenden Frequenzbereich einen kleinen oder einen großen Scheinwiderstand aufweisen.Circuit arrangement for reducing noise emissions and high-frequency vibrations of a piezoelectric actuator, that has - one Control unit (V), of which the piezoelectric actuator (P) with a drive current (IST) is driven, and - at least a filter (F1, F2, F12, F23, F24) that can be used in parallel or in series with piezoelectric actuator (P) is switched, where that or the filters (F1, F2, F12, F23, F24) in the acoustically disturbing frequency range a small or a large one Have impedance. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Filter (F13) in Serie zum piezoelektrischen Aktor (P) geschaltet ist und ein zweites Filter (F23) parallel zur Serienschaltung aus dem ersten Filter (F13) und dem piezoelektrischen Aktor (P) geschaltet ist.Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a first filter (F13) in series with the piezoelectric actuator (P) is connected and a second filter (F23) in parallel to the series connection from the first filter (F13) and the piezoelectric actuator (P) is switched. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (P) einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine ansteuert.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the piezoelectric actuator (P) is a fuel injector controls an internal combustion engine.
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