Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Ansteuerverfahren für kapazitive Aktoren gegenübergestellt und die Wirkung auf das mechanische Verhalten von Piezoaktoren gezeigt. Verglichen wurden Sperrsteller, Sperrwandler, Resonanzkonverter, Vollbrückenwandler, Linear- und Hybridverstärker. Der bidirektionale Sperrwandler bietet die geringste Komplexität und eine variable Signalform in Anwendungen mit geringen Anforderungen an die Welligkeit des Laststroms. Ausgangsfilter reduzieren die Welligkeit mit Nachteilen für den Wirkungsgrad und die Ausgangsimpedanz. Für die Ansteuerung von Piezoaktoren sind Schaltungstopologien mit einer hohen Ausgangsimpedanz vorteilhaft. Unkontrollierte Stromtransienten werden unterdrückt und ein Ladungsfluss zwischen den Elektroden wird verhindert. Bei einer niederohmigen Ansteuerung stehen ausschließlich 70 % der mechanischen Steifigkeit einer hochohmigen Ansteuerung zu Verfügung. Resonanzkonverter zeigen ein geringeres Störspektrum und eine geringere Welligkeit. Im Vergleich zum Sperrwandler kann die Ausgangsspannung bei gleicher Leistungstransistor- Durchbruchspannung höher gewählt werden. Der zweite Teil greift Hybrid- und Linearverstärker mit Ausgangsspannungen über 1 kV für Piezoaktoren und für elektrorheologische Aktoren auf. Höchste Anforderungen an die Welligkeit und die Ausgangsimpedanz werden erreicht. In Kraftstoff-Injektor- Anwendungen wird eine präzise Formung der Einspritzrate realisierbar, mit Vorteilen für Verbrauch und Abgasverhalten. Eine gauspulsförmiger Stromverlauf reduziert den mechanischen Verschleiß und die Geräuschentwicklung. Die bisher verwendeten Niederspannungs-Ansteuerverfahren erfordern aufwändige Piezostapelaktoren, um die zur Auslenkung erforderliche elektrische Feldstärke zu erreichen. Mit den vorgestellten Hochspannungsansteuerungen wird zukünftig die Reduktion der Schichtanzahl von Piezoaktoren ermöglicht und der Einsatz von elektrorheologischen Aktoren vereinfacht. Hybridverstärker sind für hohe Ausgangsspannungen geeignet, ihre Anstiegsgeschwindigkeit liegt hingegen Faktor 2 bis 10 unter den Anforderungen von schnellen Kraftstoff-Injektoren. Moderne Einspritzverfahren verwenden zeitnahe Vor- und Nacheinspritzungen und benötigen Anstiegszeiten unter 200 µs. Linearverstärker bieten die höchste Anstiegsgeschwindigkeit. Ausgangsspannungen über 1 kV werden durch kaskadierte Leistungstransistoren erreicht. Spannungsteiler steuern die Kaskode, belasten jedoch den Ausgang des Verstärkers und reduzieren die Ausgangsimpedanz. Ein 1 kV Linearverstärker mit hochohmigem Ausgang wurde vorgestellt, der diesen Nachteil nicht aufweist. Seine geringe Stufenanzahl hält die Komplexität gering und ermöglicht Anstiegszeiten von 7 µs. Eine Temperaturdrift des Ruhestroms wird durch eine getaktete Regelung unterdrückt. Fehlerzustände werden mit Hilfe einer Gleichsignal- und Ladungsschutzschaltung erkannt. Restladung der Lastkapazität wird durch eine bidirektionale Entladeschaltung mit Strombegrenzung abgeführt. Schaltung, Last und Benutzer werden geschützt.
Elektronische Schaltungen zur Ansteuerung von Hochspannungsaktoren
2011
145 Seiten, Bilder, Tabellen, 89 Quellen
Theses
German
Piezoaktor , Linearverstärker , Welligkeit , Ausgangsimpedanz , Arretieren , mechanisches Verhalten , elektronische Schaltung , Durchbruchspannung , Spektrometrie , Spektrometer , Leistungstransistor , Resonanz , Geräuschentwicklung , Voreinspritzung , Spritzbarkeit , Einspritzen , Spritzen , Hochspannung , Ausgangsspannung , Schutzschaltung , Defektzustand , Ladungsschutz , Ladungssicherung
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