DE19900474A1 - Piezo drive circuit for inkjet printer - Google Patents
Piezo drive circuit for inkjet printerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements und insbesondere eine Schal tung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements, das zweckmäßig für einen das piezoelektrische Element verwen denden Druckkopfantrieb in Tintenstrahldruckern zum Einsatz kommt, um einen geringeren Stromverbrauch zu erzielen.The invention relates to a circuit for driving a piezoelectric element and in particular a scarf device for driving a piezoelectric element, the expedient for a use the piezoelectric element the printhead drive in inkjet printers for Use comes to lower power consumption achieve.
Schaltungen zum Ansteuern eines piezoelektrischen Ele ments sind beispielsweise aus JP 113850-A (1992) und aus JP 21856-A (1993) bekannt. Fig. 9 ist ein Blockschalt plan, der ein Beispiel einer herkömmlichen Schaltung zum Erzeugen eines Signals mit einer Signalform zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements zeigt. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, enthält die Schaltung eine Referenzsignal form-Erzeugungsschaltung 901 und eine Stromverstärkungs schaltung 902, die ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Signalform zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements geeignet ist.Circuits for driving a piezoelectric element are known, for example, from JP 113850-A (1992) and from JP 21856-A (1993). Fig. 9 is a block diagram showing an example of a conventional circuit for generating a signal having a waveform for driving a piezoelectric element. As shown in Fig. 9, the circuit includes a reference waveform generation circuit 901 and a current amplification circuit 902 which generates an output signal whose waveform is suitable for driving a piezoelectric element.
Ein Signal mit einer vorgegebenen Signalform zum Ansteu ern eines piezoelektrischen Elements, das von der Refe renzsignalform-Erzeugungsschaltung erzeugt wird, wird über die Stromverstärkungsschaltung angelegt, um das piezoelektrische Element mit einem erforderlichen Strom zu speisen. Fig. 10 ist ein schematischer Schaltplan zur Erläuterung des Aufbaus der Schaltung von Fig. 9, die aus Transistoren gebildet ist (siehe JP 77456-A (1993)). A signal having a predetermined waveform for driving a piezoelectric element generated by the reference waveform generation circuit is applied through the current amplification circuit to supply the piezoelectric element with a required current. Fig. 10 is a schematic circuit diagram for explaining the structure of the circuit of Fig. 9 which is formed of transistors (see JP 77456-A (1993)).
Die Fig. 11(a), 11(b) und 11(c) zeigen die Signalform zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements, den Kollektor strom i1 eines Bipolartransistors Tr1 der Stromverstär kungsschaltung von Fig. 10 bzw. den Kollektorstrom i2 eines Bipolartransistors Tr2 in Fig. 10. Die Energie, die in den Bipolartransistoren Tr1 und Tr2 erzeugt wird, ist durch P1 = (Vh - Vpzt)×i1 bzw. durch P2 = Vpzt×i2, wie in den Fig. 11(d) bzw. 11(e) gezeigt ist, gegeben.The Fig. 11 (a), 11 (b) and 11 (c) show the waveform for driving the piezoelectric element, the collector current I1 of a bipolar transistor Tr1 of Stromverstär kung circuit of Fig. 10 or the collector current i2 of a bipolar transistor Tr2 in Fig 10. the energy that is generated in the bipolar transistors Tr1 and Tr2 is, by P1 =. (Vh - V PZT) x i1 or by P2 = x i2 VPZT as shown in Figure 11 (d) and 11 (e. ) is given.
Da die gesamte erzeugte Energie als Wärme von den Transi storen abgeführt wird, ist versucht worden, Transistoren mit hoher Nennleistung zu verwenden und einen Kühlkörper für die Wärmeabführung anzubringen.Because all the energy generated as heat from the transi disrupted, transistors have been attempted to use with high rated power and a heat sink attached for heat dissipation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements zu schaf fen, bei der der Stromverbrauch, die Wärmeabführung von den Transistoren und die Abmessungen reduziert sind.The invention has for its object a circuit to drive a piezoelectric element where the power consumption, the heat dissipation of the transistors and the dimensions are reduced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltung zum An steuern eines piezoelektrischen Elements nach Anspruch 1, 2, 3 oder 8. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This problem is solved by a circuit for on controlling a piezoelectric element according to claim 1, 2, 3 or 8. Further developments of the invention are in the dependent claims specified.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung und wie in An spruch 1 angegeben wird eine Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements geschaffen, mit einem ersten und einem zweiten Schaltelement, die zwischen einer Stromquelle mit hohem Potential und einer Strom quelle mit niedrigem Potential in Serie geschaltet sind, und einem Tiefpaßfilter, das an einen Verbindungspunkt zwischen dem ersten Schaltelement und dem zweiten Schalt element angeschlossen ist, wobei Steueranschlüsse des ersten und des zweiten Schaltelements mit einem Signal gespeist werden, das entsprechend einem Impulsbreitenmo dulationsschema moduliert ist, um die Schaltelemente ab wechselnd zu schalten, und wobei vom Verbindungspunkt über das Tiefpaßfilter ein Signal mit einer Signalform zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements ausgegeben wird.According to a first aspect of the invention and as in An Say 1 is a circuit for driving a piezoelectric element created with a first and a second switching element between a high potential power source and a current low potential source are connected in series, and a low pass filter connected to a connection point between the first switching element and the second switching element is connected, with control connections of the first and second switching elements with a signal be fed, which corresponds to a pulse width mo Dulation scheme is modulated to the switching elements to switch alternately, and being from the connection point a signal with a waveform via the low-pass filter issued for driving a piezoelectric element becomes.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung und wie in Anspruch 2 angegeben wird eine Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements geschaffen, mit einem ersten MOS-Transistor und einem zweiten MOS-Transistor, die zwischen einer Stromquelle mit hohem Potential und einer Stromquelle mit niedrigem Potential in einer Gegen taktanordnung geschaltet sind, einem Tiefpaßfilter, das an einen Verbindungspunkt zwischen dem ersten MOS-Transi stor und dem zweiten MOS-Transistor angeschlossen ist, und einer PWM-Steuereinrichtung, die zueinander komple mentäre, impulsbreitenmodulierte Signale ausgibt, wobei die Gate-Anschlüsse des ersten und des zweiten MOS-Tran sistors mit Ausgangssignalen der PWM-Steuereinrichtung gespeist werden, um die MOS-Transistoren abwechselnd in der Weise zu schalten, daß über das Tiefpaßfilter ein Signal mit einer Signalform zum Ansteuern eines piezo elektrischen Elements ausgegeben wird.According to a second aspect of the invention and as in Claim 2 is given a circuit for driving a piezoelectric element created with a first MOS transistor and a second MOS transistor, between a high potential power source and a low potential power source in a counter Clock arrangement are switched, a low-pass filter, the to a connection point between the first MOS transistor stor and the second MOS transistor is connected and a PWM controller that comple each other outputs mental, pulse width modulated signals, where the gate connections of the first and second MOS trans sistors with output signals of the PWM control device are fed to the MOS transistors alternately in the way to switch that on through the low-pass filter Signal with a waveform for driving a piezo electrical element is output.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Schal tung nach Anspruch 1 oder 2 geschaffen, bei dem die PWM-Signale durch impulsdichtemodulierte Signale (PDM-Si gnale) ersetzt sind.According to a third aspect of the invention, a scarf tion according to claim 1 or 2, in which the PWM signals through pulse density modulated signals (PDM-Si gnale) are replaced.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Schal tung nach Anspruch 1 oder 3 geschaffen, bei dem die Schaltelemente MOS-Transistoren mit niedrigem Durchlaßwi derstand sind.According to a fourth aspect of the invention, a scarf tion according to claim 1 or 3, wherein the Switching elements MOS transistors with low pass the state.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird eine Schal tung nach Anspruch 1 oder 3 geschaffen, bei dem die Schaltelemente MOS-Transistoren oder Bipolartransistoren enthalten.According to a fifth aspect of the invention, a scarf tion according to claim 1 or 3, wherein the Switching elements MOS transistors or bipolar transistors contain.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird eine
Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements
geschaffen, mit
According to a sixth aspect of the invention, a circuit for driving a piezoelectric element is created with
- (a) einem Schaltmodul, das ein Ausgangssignal mit einer ersten Stufe, einer zweiten Stufe und einer Über gangsstufe zwischen der ersten und der zweiten Stufe erzeugt, wobei das Schaltmodul (i) einen Spannungsaus gang, der während der ersten Stufe im wesentlichen null und während der zweiten Stufe hoch ist, und (ii) einen Stromausgang, der während der ersten Stufe hoch und während der zweiten Stufe null ist, erzeugt;(a) a switching module that has an output signal with a first stage, a second stage and an over intermediate stage between the first and the second stage generated, the switching module (i) a voltage gear that is essentially zero during the first stage and is high during the second stage, and (ii) one Current output that is high and high during the first stage is zero during the second stage;
- (b) einem Tiefpaßfilter, das an den Ausgang des Schaltmoduls angeschlossen ist; und(b) a low pass filter connected to the output of the Switching module is connected; and
- (c) einem Impulsmodulator, der einen das Schalt modul steuernden Eingangsimpuls in der Weise moduliert, daß ein Ausgangssignal des Tiefpaßfilters erzeugt wird, dessen Signalform aus einer ersten, allmählich ansteigen den Flanke und aus einer zweiten allmählich abfallenden Flanke gebildet ist.(c) a pulse modulator that switches one modulating input pulse modulated in such a way that an output signal of the low-pass filter is generated, whose waveform gradually increases from a first the flank and from a second gradually falling Edge is formed.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Signalform im wesentlichen eine Dreieckform oder eine äquivalente Form sein.According to a further feature of the invention, the Waveform essentially a triangular shape or a equivalent form.
Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal der Erfindung kann der Impulsmodulator ein Impulsbreitenmodulator (PWM) oder ein Impulsdichtenmodulator (PDM) sein.According to yet another feature of the invention the pulse modulator is a pulse width modulator (PWM) or be a pulse density modulator (PDM).
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen: Further features and advantages of the invention will become clear Lich more useful when reading the following description Designs referring to the attached drawing takes; show it:
Fig. 1 einen Blockschaltplan zur Erläuterung der Konfi guration einer Ausführung der Erfindung; Fig. 1 is a block diagram for explaining the confi guration of an embodiment of the invention;
Fig. 2 einen Schaltplan zur Erläuterung des Aufbaus einer Schaltung gemäß einer Ausführung der Erfin dung; Fig. 2 is a circuit diagram for explaining the structure of a circuit according to an embodiment of the inven tion;
Fig. 3 einen Graphen zur Veranschaulichung der Signal form zum Ansteuern eines piezoelektrischen Ele ments; Fig. 3 is a graph illustrating the waveform for driving a piezoelectric element;
Fig. 4 Zeitablaufpläne zur Erläuterung der Signalformen in einer Ausführung der Erfindung; FIG. 4 shows timing diagrams for explaining the waveforms in an embodiment of the invention;
Fig. 5 einen Schaltplan zur Erläuterung von Schaltele menten in einer Ausführung der Erfindung; Fig. 5 is a circuit diagram for explaining Schaltele elements in an embodiment of the invention;
Fig. 6 Graphen zur Erläuterung der Änderung der Leistung in einer Ausführung der Erfindung; Fig. 6 graphs for explaining the change in performance in an embodiment of the invention;
Fig. 7 Schaltpläne zur Erläuterung eines Filters in einer Ausführung der Erfindung; Fig. 7 is diagrams for explaining a filter in an embodiment of the invention;
Fig. 8 Zeitablaufpläne zur Erläuterung der Signalformen gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung; Fig. 8 are timing charts for explaining the waveforms according to a second embodiment of the invention;
Fig. 9 den bereits erwähnten Blockschaltplan zur Erläu terung des Aufbaus einer herkömmlichen Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements; Fig. 9 is the aforementioned block diagram for Erläu tate structure of a conventional circuit for driving a piezoelectric element;
Fig. 10 den bereits erwähnten Schaltplan zur Erläuterung des Aufbaus einer herkömmlichen Schaltung zum An steuern eines piezoelektrischen Elements; und10 shows the already mentioned circuit diagram for explaining the structure of a conventional circuit for controlling to a piezoelectric element. and
Fig. 11 die bereits erwähnten Zeitablaufpläne zur Erläu terung der Signalformen in der herkömmlichen Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements. Fig. 11 is the timing charts mentioned to explain the waveforms in the conventional circuit for driving a piezoelectric element.
In einer zweckmäßigen Ausführung einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements sind zwei Schaltelemente 1 und 2 zwischen einer Strom quelle mit hohem Potential und einer Stromquelle mit niedrigem Potential in Serie geschaltet. Die Schaltele mente werden als Antwort auf ein PWM-Signal (impuls breitenmoduliertes Signal) geschlossen und geöffnet. Aus den resultierenden Impulsen werden Hochfrequenzkompo nenten mittels eines Filters 4 entfernt, um ein Signal zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements mit gegebener Signalform zu erzeugen. Dadurch wird der Lei stungsverlust, der andernfalls in der Schaltung zum Ansteuern des piezoelektrischen Elements auftreten würde, reduziert. Nun wird die Erfindung anhand zweckmäßiger Ausführungen erläutert.In an expedient embodiment of a circuit according to the invention for driving a piezoelectric element, two switching elements 1 and 2 are connected in series between a current source with a high potential and a current source with a low potential. The switching elements are closed and opened in response to a PWM signal (pulse width modulated signal). High-frequency components are removed from the resulting pulses by means of a filter 4 in order to generate a signal for driving a piezoelectric element with a given signal shape. This reduces the power loss that would otherwise occur in the circuit for driving the piezoelectric element. The invention will now be explained on the basis of appropriate embodiments.
Fig. 1 zeigt einen Blockschaltplan des Aufbaus einer Ausführung der Erfindung. In Fig. 1 ist ein Schaltelement 1 zwischen eine Stromquelle mit hohem Potential (Quelle mit hoher Spannung) und ein Schaltelement 2 geschaltet, das einen mit dem Schaltelement 2 verbundenen Verbin dungspunkt (Knoten A) an die Quelle für hohe Spannung anschließt und von dieser trennt. Das Schaltelement 2 ist zwischen den Knoten A und die Stromquelle mit niedrigerem Potential (Quelle mit niedriger Spannung) angeschlossen, um den Knoten A an die Quelle mit niedriger Spannung anzuschließen und von dieser zu trennen. Fig. 1 shows a block diagram of the construction of an embodiment of the invention. In Fig. 1, a switching element 1 is connected between a current source with high potential (source with high voltage) and a switching element 2 , which connects a connection point connected to the switching element 2 (node A) to the source for high voltage and disconnects from it . Switching element 2 is connected between node A and the lower potential power source (low voltage source) to connect and disconnect node A from the low voltage source.
Eine Impulsbreitenmodulation-Steuereinrichtung (PWM-Steu ereinrichtung) 3 ist mit ihrem Ausgang an die Steuer anschlüsse der Schaltelemente 1 und 2 angeschlossen, um deren Durchschalt- und Sperrzustände zu steuern. A pulse width modulation control device (PWM control device) 3 is connected with its output to the control connections of the switching elements 1 and 2 in order to control their switching and blocking states.
An den Verbindungspunkt (Knoten A) zwischen den Schalt elementen 1 und 2 ist ein Filter 4 angeschlossen, das aus dem Impulsausgang, der am Knoten A erzeugt wird, die Hochfrequenzkomponenten entfernt, so daß an den Ausgangs anschluß nur niederfrequente Komponenten übertragen werden.At the connection point (node A) between the switching elements 1 and 2 , a filter 4 is connected, which removes the high-frequency components from the pulse output generated at node A, so that only low-frequency components are transmitted to the output connection.
Fig. 2 ist ein Schaltplan zur genauen Erläuterung des Aufbaus der Schaltelemente von Fig. 1. Zweckmäßig werden für die Schaltelemente 1 und 2 MOSFETs mit niedrigem Durchlaßwiderstand und hoher Schaltgeschwindigkeit ver wendet, um den Leistungsverlust zu reduzieren. Fig. 2 is a circuit diagram for detailed explanation of the structure of the switching elements of Fig. 1. Conveniently, for switching elements 1 and 2, MOSFETs with low on-resistance and high switching speed are used to reduce the power loss.
Das Schaltelement 1 ist mit seinem Gate-, seinem Drain- bzw. seinem Source-Anschluß mit dem Ausgang der PWM-Steuer einrichtung 3, der Stromquelle mit hoher Spannung bzw. dem Drain-Anschluß des Schaltelements 2 verbunden. Das Schaltelement 2 ist mit seinem Gate-, seinem Drain- und seinem Source-Anschluß mit dem Ausgang der PWM-Steu ereinrichtung 3, mit dem Source-Anschluß des Schaltele ments 1 bzw. mit der Stromquelle mit niedriger Spannung verbunden.The switching element 1 is connected with its gate, its drain or its source connection to the output of the PWM control device 3 , the current source with a high voltage or the drain connection of the switching element 2 . The switching element 2 is connected with its gate, its drain and its source connection to the output of the PWM control device 3 , to the source connection of the switching element 1 and to the current source with low voltage.
Die PWM-Steuereinrichtung 3 ist so beschaffen, daß sie das Durchschalten und Sperren der Schaltelemente 1 und 2 auf der PWM-Basis steuert.The PWM control device 3 is designed to control the switching and blocking of the switching elements 1 and 2 on the PWM basis.
Nun wird das Impulsbreitenmodulationsschema (PWM-Schema) beschrieben. Das PWM-Schema moduliert das Durchschalten und Sperren der Schaltelemente in Abhängigkeit von der Impulsbreite eines Steuersignals. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, werden die Schaltelemente 1 und 2 durchgeschaltet, wenn das Steuersignal hohen Pegel besitzt, während sie gesperrt werden, wenn das Steuersignal niedrigen Pegel besitzt. Um die durchschnittliche Einschaltdauer zu verkürzen bzw. zu verlängern, werden Steuerimpulssignale mit kleinerer bzw. größerer Breite ausgegeben.The pulse width modulation (PWM) scheme will now be described. The PWM scheme modulates switching and blocking of the switching elements depending on the pulse width of a control signal. As shown in Fig. 2, the switching elements 1 and 2 are turned on when the control signal is high, while they are disabled when the control signal is low. In order to shorten or lengthen the average duty cycle, control pulse signals with a smaller or larger width are output.
Das Filter 4 enthält eine Induktivität L und einen Kon densator C und dient dazu, die Hochfrequenzkomponenten aus dem Impulsausgang am Punkt A zu entfernen, so daß an den Ausgangsanschluß nur niederfrequente Komponenten übertragen werden.The filter 4 contains an inductor L and a capacitor C and serves to remove the high-frequency components from the pulse output at point A, so that only low-frequency components are transmitted to the output terminal.
Nun wird die Funktionsweise dieser Ausführung der Erfin dung beschrieben. Die Beschreibung erfolgt unter der Annahme, daß die gewünschte Signalform des Signals zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements die in Fig. 3 gezeigte Signalform ist. Fig. 4 zeigt Zeitablaufpläne zur Erläuterung dieser Ausführung der Erfindung. Es sind der Ausgang der PWM-Steuereinrichtung und die Signalform der Spannung am Knoten A gezeigt.The operation of this embodiment of the invention will now be described. The description is made on the assumption that the desired waveform of the signal for driving a piezoelectric element is the waveform shown in FIG. 3. Fig. 4 shows timing charts for explaining this embodiment of the invention. The output of the PWM controller and the waveform of the voltage at node A are shown.
An die Stromquelle mit hoher Spannung wird eine maximale Spannung Vhigh mit einer Ansteuerungssignalform angelegt, während die Stromquelle mit niedriger Spannung mit GND (Erde) verbunden ist. Da das Schaltelement 2 im Anfangs zustand der Schaltung durchschaltet, ist das Potential am Knoten A der GND-Pegel.A maximum voltage Vhigh with a drive waveform is applied to the high voltage power source while the low voltage power source is connected to GND (ground). Since the switching element 2 switches through in the initial state of the circuit, the potential at node A is the GND level.
Die PWM-Steuerung der Schaltelemente 1 und 2 wird ausge führt, um die in Fig. 3 gezeigte Ansteuerungssignalform zu schaffen. Den Ausgang der PWM-Steuereinrichtung 3 bilden die in den Fig. 4(a) und 4(b) gezeigten Steuersi gnale, die an die jeweiligen Gate-Anschlüsse der Schalt elemente 1 und 2 angelegt werden.The PWM control of switching elements 1 and 2 is performed to provide the drive waveform shown in FIG. 3. The output of the PWM control device 3 form the control signals shown in FIGS . 4 (a) and 4 (b), which are applied to the respective gate connections of the switching elements 1 and 2 .
Da die in Fig. 4(a) bzw. 4(b) gezeigten Steuersignale zueinander komplementär sind, um entweder nur das Schalt element 1 oder nur das Schaltelement 2 durchzuschalten, schaltet das Schaltelement 2 durch und sperrt, wenn das Schaltelement 1 sperrt bzw. durchschaltet.Since the control signals shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) are complementary to one another in order to either switch only the switching element 1 or only the switching element 2 , the switching element 2 switches through and locks when the switching element 1 locks or switches through.
Die Spannung am Knoten A nimmt bis zu der Spannung der Stromquelle für hohe Spannung zu, wenn das Schaltelement 1 durchschaltet. Nachdem dann das Schaltelement 2 nach Verstreichen der Zeitperiode t gleichzeitig zum Sperren des Schaltelements 1 durchschaltet, fällt die Spannung am Knoten A auf die Spannung der Stromquelle mit niedriger Spannung (GND) ab. Dadurch wird am Knoten A ein Impuls mit der in Fig. 4(c) gezeigten Signalform erzeugt.The voltage at node A increases up to the voltage of the high voltage power source when switching element 1 turns on. Then, after the switching element 2 has switched on simultaneously to block the switching element 1 after the time period t has elapsed, the voltage at the node A drops to the voltage of the low-voltage current source (GND). This generates a pulse at node A with the waveform shown in Fig. 4 (c).
Die Verwendung von MOSFETs mit niedrigem Durchlaßwider stand für die Schaltelemente 1 und 2 kann den Leistungs verlust unterdrücken, der andernfalls bei einem Stromfluß durch die Schaltelemente 1 und 2 aufträte.The use of MOSFETs with low on-state resistance for the switching elements 1 and 2 can suppress the power loss that would otherwise occur with a current flow through the switching elements 1 and 2 .
Das Schaltelement 1 (N-Kanal-MOSFET) von Fig. 2 ist in Fig. 5 gezeigt. Der durch das Schaltelement 1 fließende Strom und die zwischen dem Drain-Anschluß und dem Source-An schluß des Schaltelements 1 angelegte Spannung sind durch iD bzw. Vds dargestellt.The switching element 1 (N-channel MOSFET) of FIG. 2 is shown in FIG. 5. The current flowing through the switching element 1 and the voltage applied between the drain terminal and the source terminal of the switching element 1 are represented by iD and Vds, respectively.
Fig. 6 zeigt einen Zustand, in dem das in Fig. 5 gezeigte Schaltelement 1 durchschaltet, anschließend sperrt und daraufhin erneut durchschaltet. Die Energie, die durch das Produkt aus iD und Vds gegeben ist, ist mit P be zeichnet. Die Größen iD, Vds und P eines Teils des Schaltelements 1 werden mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. FIG. 6 shows a state in which the switching element 1 shown in FIG. 5 switches on, then blocks and then switches on again. The energy given by the product of iD and Vds is denoted by P. The quantities iD, Vds and P of a part of the switching element 1 are described with reference to FIG. 6.
Wenn das Schaltelement 1 sperrt, ist iD = 0 und ist Vds gleich der Spannung der Stromquelle mit hoher Spannung. Da P durch iD×Vds gegeben ist, ist P zu diesem Zeit punkt null. Da iD bei einer Abnahme von Vds zunimmt, wenn das Schaltelement 1 vom Durchschalt- zum Sperrzustand übergeht, tritt zu diesem Zeitpunkt eine Spitze von P auf.When switching element 1 blocks, iD = 0 and Vds is equal to the voltage of the high voltage power source. At this time, since P is given by iD × Vds, P is zero. At this time, since iD increases with a decrease in Vds when the switching element 1 changes from the on-state to the off-state, a peak of P occurs.
Da der Anstieg und der Abfall von Vds und iD schneller ist, wenn MOSFETs mit hoher Schaltgeschwindigkeit verwen det werden, kann in diesem Fall der Leistungsverlust beim Schalten reduziert werden.Because the rise and fall of Vds and iD faster is when using high switching speed MOSFETs in this case, the loss of performance when Switching can be reduced.
Die Drain-Spannung Vds = iD×Ron (Ron gibt den Wider stand des Schaltelements 1 im Durchlaßzustand an) wird durch den Durchlaßwiderstand des Schaltelements 1 und durch den hindurchfließenden Strom iD erzeugt.The drain voltage Vds = iD × Ron (Ron indicates the resistance of the switching element 1 in the on state) is generated by the on resistance of the switching element 1 and by the current iD flowing through it.
Obwohl P = Vds×iD ist, wäre P niedriger, wenn FETs mit ausreichend niedrigerem Durchlaßwiderstand Ron gewählt würden.Although P = Vds × iD, P would be lower if FETs were with sufficiently low forward resistance Ron selected would.
Da iD bei zunehmender Spannung Vds abnimmt, wenn das Schaltelement 1 vom Durchlaß- zum Sperrzustand übergeht, tritt auch zu diesem Zeitpunkt eine Spitze von P auf.Since iD decreases with increasing voltage Vds when switching element 1 changes from on to off state, a peak of P also occurs at this time.
Wenn das Schaltelement 1 abschließend sperrt, wird iD null, so daß auch P erneut null wird.When the switching element 1 finally blocks, iD becomes zero, so that P also becomes zero again.
Dann werden aus der in Fig. 4(c) erzeugten Impulsaus gangsspannung, die am Knoten A erzeugt wird, mittels des Filters 4, das die Induktivität L und den Kondensator C enthält, Hochfrequenzkomponenten beseitigt.Then, high-frequency components are eliminated from the pulse output voltage generated in Fig. 4 (c) generated at the node A by the filter 4 including the inductor L and the capacitor C.
Da die Induktivität L und der Kondensator C die Impedan zen 2πfL bzw. 1/(2πfC) besitzen, können Komponenten mit höheren Frequenzen durch die Induktivität L nur schwer hindurchgehen und durch den Kondensator C leicht hin durchgehen. Daher können Hochfrequenzkomponenten an eine Stufe, die sich hinter dem Filter 4 befindet, nicht übertragen werden. Since the inductor L and the capacitor C have the impedances 2πfL and 1 / (2πfC), components with higher frequencies can pass through the inductor L only with difficulty and easily pass through the capacitor C. Therefore, high-frequency components cannot be transmitted to a stage which is located behind the filter 4 .
Durch die Wahl geeigneter Werte für L und C können die Hochfrequenzkomponenten aus dem Impulsausgang am Knoten A beseitigt werden, so daß ein Signal mit der in Fig. 3 gezeigten Ansteuerungssignalform für ein piezoelektri sches Element erhalten werden kann.By selecting suitable values for L and C, the high frequency components can be eliminated from the pulse output at node A, so that a signal with the drive waveform shown in Fig. 3 for a piezoelectric element can be obtained.
Die Dauer (Länge) der Zeitperiode, während der die Schaltelemente 1 und 2 durchschalten oder sperren, wird in der Weise gesteuert, daß die gewünschte Ansteuerungs signalform für ein piezoelektrisches Element mit einer gewünschten Steigung pro Zeiteinheit erzeugt werden kann.The duration (length) of the time period during which the switching elements 1 and 2 are switched on or off is controlled in such a way that the desired control signal form for a piezoelectric element can be generated with a desired gradient per unit of time.
Nun wird eine weitere Ausführung der Erfindung beschrie ben. Das Filter 4 zum Kappen der hohen Frequenzen kann ein einziger Kondensator C oder eine einzige Induktivität L oder aber eine Kombination aus einer Induktivität LS und eines Kondensators CS sein.Another embodiment of the invention will now be described. The filter 4 for capping the high frequencies can be a single capacitor C or a single inductor L or a combination of an inductor L S and a capacitor C S.
Falls eine erforderliche Ansteuerungssignalform für ein piezoelektrisches Element durch eine Streukapazität und/oder durch eine verteilte Induktivität bei der Ver drahtung selbst ohne Filter 4 erhalten werden kann, wäre das Filter 4 nicht notwendig.If a required drive waveform for a piezoelectric element can be obtained by stray capacitance and / or by a distributed inductance in the wiring even without the filter 4 , the filter 4 would not be necessary.
Obwohl in der ersten Ausführungsform MOSFETs als Schalt elemente verwendet werden, können für Hochgeschwindig keitsschaltvorgänge auch Bipolartransistoren geeignet verwendet werden, falls deren Kennlinien die Spezifika tionen erfüllen.Although in the first embodiment, MOSFETs as switching elements can be used for high speed speed switching operations also suitable for bipolar transistors are used if their characteristics are the specifics cations.
Obwohl Ausführungen mit Bezug auf die PWM-Steuerung zum Steuern des Durchschaltens oder Sperrens der Schaltele mente 1 und 2 mittels der PWM-Steuereinrichtung 3 be schrieben worden sind, kann für die Erfindung auch ein Impulsdichtenmodulations-Steuerschema (PDM-Steuerschema), das in Fig. 8 gezeigt ist, übernommen werden. In dem PDM-Steuerschema enthält ein Steuersignal mehrere Impulse, wovon jeder eine kurze Impulsbreite besitzt. Obwohl das Potential der Stromquelle als GND angegeben worden ist, kann für die Stromquelle mit niedriger Spannung auch eine andere gewünschte Spannung, die lediglich niedriger als die Spannung der Stromquelle mit hoher Spannung sein muß, verwendet werden.Although embodiments relating to PWM control for controlling switching or blocking of switching elements 1 and 2 by means of PWM controller 3 have been described, a pulse density modulation (PDM) control scheme, which is shown in FIG . 8 is shown, be adopted. In the PDM control scheme, a control signal contains several pulses, each of which has a short pulse width. Although the potential of the current source has been given as GND, another desired voltage, which only needs to be lower than the voltage of the high voltage current source, can be used for the low voltage current source.
Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung werden im folgenden zusammengefaßt.The advantageous effects of the invention are described in summarized below.
Erfindungsgemäß kann der Leistungsverlust bei den Schalt elementen, d. h. die Wärmeerzeugung in den Schaltelemen ten, in der obenbeschriebenen Weise reduziert werden. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Schaltelemente im gesättigten Zustand und im unterbrochenen Zustand verwen det werden, wenn sie durchschalten bzw. sperren. Mit anderen Worten, die Spannung Vds zwischen den gegenüber liegenden Enden der Schaltelemente ist im wesentlichen gleich null, wenn sich die Schaltelemente im gesättigten Bereich befinden, hingegen ist der durch die einzelnen Schaltelemente fließende Strom iD = 0, wenn sie im unter brochenen Bereich sind. Die verbrauchte Energie bei den Schaltelementen P = Vds×iD ist im wesentlichen ledig lich gleich dem Verlust beim Schalten, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Daher kann die Wärmeerzeugung in den Schalt elementen reduziert werden.According to the invention, the power loss in the switching elements, ie the heat generation in the switching elements, can be reduced in the manner described above. The reason for this is that the switching elements are used in the saturated state and in the interrupted state when they switch on or block. In other words, the voltage Vds between the opposite ends of the switching elements is essentially zero when the switching elements are in the saturated region, whereas the current flowing through the individual switching elements is iD = 0 when they are in the interrupted region. The energy consumed in the switching elements P = Vds × iD is essentially the same as the loss in switching, as shown in FIG. 6. Therefore, the heat generation in the switching elements can be reduced.
Es wird ferner angemerkt, daß weitere Aufgaben der Erfin dung anhand der vollständigen Offenbarung deutlich werden und daß Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Umfang der Erfindung, wie er hier und in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen. It is also noted that other tasks of the inventor be clear from the full disclosure and that modifications can be made without the inventive concept and the scope of the invention, such as it is disclosed here and in the appended claims, to deviate.
Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß jegliche Kombi nationen aus offenbarten und/oder beanspruchten Elemen ten, Sachverhalten und/oder Einzelheiten unter die oben genannten Modifikationen fallen.It should also be noted that any combination nations from disclosed and / or claimed elements ten, facts and / or details under the above mentioned modifications fall.
Claims (10)
einem ersten und einem zweiten Schaltelement (1, 2), die zwischen einer Stromquelle mit hohem Potential und einer Stromquelle mit niedrigem Potential in Serie geschaltet sind, und
einem Tiefpaßfilter (4), das an einen Verbin dungspunkt (A) zwischen dem ersten Schaltelement (1) und dem zweiten Schaltelement (2) angeschlossen ist,
wobei Steueranschlüsse des ersten und des zweiten Schaltelements (1, 2) mit einem Signal gespeist werden, das entsprechend einem Impulsbreitenmodulationsschema moduliert ist, um die Schaltelemente (1, 2) abwechselnd zu schalten, und
wobei vom Verbindungspunkt (A) über das Tiefpaß filter (4) ein Signal mit einer Signalform zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements ausgegeben wird.1. Circuit for driving a piezoelectric element, with
a first and a second switching element ( 1 , 2 ) which are connected in series between a current source with high potential and a current source with low potential, and
a low-pass filter ( 4 ) which is connected to a connection point (A) between the first switching element ( 1 ) and the second switching element ( 2 ),
wherein control terminals of the first and second switching elements ( 1 , 2 ) are fed with a signal which is modulated according to a pulse width modulation scheme in order to switch the switching elements ( 1 , 2 ) alternately, and
wherein from the connection point (A) via the low-pass filter ( 4 ) a signal with a waveform for driving a piezoelectric element is output.
einem ersten MOS-Transistor (1) und einem zweiten MOS-Transistor (2), die zwischen einer Stromquelle mit hohem Potential und einer Stromquelle mit niedrigem Potential in einer Gegentaktanordnung geschaltet sind,
einem Tiefpaßfilter (4), das an einen Verbin dungspunkt (A) zwischen dem ersten MOS-Transistor (1) und dem zweiten MOS-Transistor (2) angeschlossen ist, und
einer PWM-Steuereinrichtung (3), die zueinander komplementäre, impulsbreitenmodulierte Signale ausgibt, wobei die Gate-Anschlüsse des ersten und des zweiten MOS-Transistors (1, 2) mit Ausgangssignalen der PWM-Steuereinrichtung (3) gespeist werden, um die MOS-Transistoren (1, 2) abwechselnd in der Weise zu schalten, daß über das Tiefpaßfilter (4) ein Signal mit einer Signalform zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements ausgegeben wird.2. Circuit for driving a piezoelectric element, with
a first MOS transistor ( 1 ) and a second MOS transistor ( 2 ), which are connected between a current source with high potential and a current source with low potential in a push-pull arrangement,
a low-pass filter ( 4 ) which is connected to a connection point (A) between the first MOS transistor ( 1 ) and the second MOS transistor ( 2 ), and
a PWM control device ( 3 ) which outputs pulse-width-modulated signals which are complementary to one another, the gate connections of the first and the second MOS transistor ( 1 , 2 ) being fed with output signals of the PWM control device ( 3 ) in order to To switch transistors ( 1 , 2 ) alternately in such a way that a signal with a waveform for driving a piezoelectric element is output via the low-pass filter ( 4 ).
einem ersten und einem zweiten Schaltelement (1, 2), die zwischen einer Stromquelle mit hohem Potential und einer Stromquelle mit niedrigem Potential in Serie geschaltet sind,
wobei Steueranschlüsse des ersten Schaltelements (1) und des zweiten Schaltelements (2) mit einem Signal gespeist werden, das gemäß einem Impulsdichtenmodulati ons-Schema moduliert ist, um die Schaltelemente (1, 2) abwechselnd zu schalten, und
wobei von einem Verbindungspunkt (A) zwischen dem ersten Schaltelement (1) und dem zweiten Schaltelement (2) über ein Tiefpaßfilter (4) ein Signal mit einer Signalform zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elements ausgegeben wird.3. Circuit for driving a piezoelectric element, with
a first and a second switching element ( 1 , 2 ) which are connected in series between a current source with high potential and a current source with low potential,
wherein control terminals of the first switching element ( 1 ) and the second switching element ( 2 ) are fed with a signal which is modulated according to a pulse density modulation scheme to switch the switching elements ( 1 , 2 ) alternately, and
a signal with a signal shape for driving a piezoelectric element being output from a connection point (A) between the first switching element ( 1 ) and the second switching element ( 2 ) via a low-pass filter ( 4 ).
die Schaltelemente (1, 2) MOS-Transistoren mit niedrigem Durchlaßwiderstand sind.4. A circuit according to claim 1, characterized in that
the switching elements ( 1 , 2 ) are MOS transistors with a low on resistance.
die Schaltelemente (1, 2) MOS-Transistoren mit niedrigem Durchlaßwiderstand sind. 5. A circuit according to claim 3, characterized in that
the switching elements ( 1 , 2 ) are MOS transistors with a low on resistance.
die Schaltelemente (1, 2) MOS-Transistoren oder Bipolartransistoren enthalten.6. Circuit according to claim 1, characterized in that
the switching elements ( 1 , 2 ) contain MOS transistors or bipolar transistors.
die Schaltelemente (1, 2) MOS- oder Bipolartran sistoren enthalten.7. Circuit according to claim 3, characterized in that
the switching elements ( 1 , 2 ) contain MOS or bipolar transistors.
- (a) einem Schaltmodul (1, 2), das ein Ausgangs
signal mit einer ersten Stufe, einer zweiten Stufe und
einer Übergangsstufe zwischen der ersten und der zweiten
Stufe erzeugt,
wobei das Schaltmodul (1, 2) (i) einen Spannungs ausgang, der während der ersten Stufe im wesentlichen null und während der zweiten Stufe hoch ist, und (ii) einen Stromausgang, der während der ersten Stufe hoch und während der zweiten Stufe null ist, erzeugt; - (b) einem Tiefpaßfilter (4), das an den Ausgang des Schaltmoduls (1, 2) angeschlossen ist; und
- (c) einem Impulsmodulator (3), der einen das Schaltmodul (1, 2) steuernden Eingangsimpuls in der Weise moduliert, daß ein Ausgangssignal des Tiefpaßfilters (4) erzeugt wird, dessen Signalform aus einer ersten, allmäh lich ansteigenden Flanke und aus einer zweiten allmählich abfallenden Flanke gebildet ist.
- (a) a switching module ( 1 , 2 ) which generates an output signal with a first stage, a second stage and a transition stage between the first and the second stage,
wherein the switching module ( 1 , 2 ) (i) a voltage output that is substantially zero during the first stage and high during the second stage, and (ii) a current output that is high during the first stage and zero during the second stage is generated; - (b) a low-pass filter ( 4 ) which is connected to the output of the switching module ( 1 , 2 ); and
- (c) a pulse modulator ( 3 ) which modulates an input pulse which controls the switching module ( 1 , 2 ) in such a way that an output signal of the low-pass filter ( 4 ) is generated, the waveform of which consists of a first, gradually rising edge and a second gradually falling edge is formed.
der Impulsmodulator (3) ein Impulsbreitenmodula tor ist. 9. A circuit according to claim 8, characterized in that
the pulse modulator ( 3 ) is a pulse width modulator.
der Impulsmodulator (3) ein Impulsdichtenmodula tor ist.10. A circuit according to claim 8, characterized in that
the pulse modulator ( 3 ) is a pulse density modulator.
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