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DE102018105283A1 - Device and method for the transferless control of an ultrasonic transducer with signals having an amplitude above twice the supply voltage amplitude - Google Patents

Device and method for the transferless control of an ultrasonic transducer with signals having an amplitude above twice the supply voltage amplitude Download PDF

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Publication number
DE102018105283A1
DE102018105283A1 DE102018105283.9A DE102018105283A DE102018105283A1 DE 102018105283 A1 DE102018105283 A1 DE 102018105283A1 DE 102018105283 A DE102018105283 A DE 102018105283A DE 102018105283 A1 DE102018105283 A1 DE 102018105283A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
transducer
drv
circuit
series
terminal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018105283.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Uwe Friemann
Niron Kapoor
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elmos Semiconductor SE
Original Assignee
Elmos Semiconductor SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elmos Semiconductor SE filed Critical Elmos Semiconductor SE
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Priority to EP18191720.4A priority patent/EP3537177A1/en
Priority to CN201910167267.2A priority patent/CN110238016B/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine übertragerfreie Betriebsschaltung zur Ansteuerung eines Transducers (TR), die einen kapazitiven Energiespeicher (CDRV) und einen induktiven Energiespeicher (LDRV) aufweist.

Figure DE102018105283A1_0000
The invention relates to a transformer-free operating circuit for controlling a transducer (TR), which has a capacitive energy store (C DRV ) and an inductive energy store (L DRV ).
Figure DE102018105283A1_0000

Description

Oberbegriffpreamble

Die Erfindung richtet sich auf eine übertragerfreie Betriebsschaltung für einen Ultraschall-Transducer (TR).The invention is directed to a transformerless operating circuit for an ultrasonic transducer (TR).

Allgemeine EinleitungGeneral introduction

Im Zuge der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen zum autonomen Fahren, sind Sensorsysteme zur Detektion der Umweltsituation von besonderer Wichtigkeit. Ultraschallsensoren werden schon heute für die Erstellung sogenannter Umweltkarten genutzt. Ein immer wieder auftretendes Problem ist der Wunsch nach einer Maximierung der Reichweite bei gleichzeitig niedrigen Kosten. In der Vergangenheit wurden zur Ansteuerung der Piezo-Schwinger von Ultraschall-Transducern Übertrager eingesetzt. Auf diese soll jedoch aus Kostengründen verzichtet werden. Dies hat im Stand der Technik eine Begrenzung der Amplitude der Spannung der Transducer-Schwingung an den Transducer-Anschlüssen auf das doppelte der Betriebsspannung zur Folge. Wobei hier unter Betriebsspannung die Versorgungsspannung der Ausgangstreiberstufe verstanden wird. Diese wiederum kann mit einer Ladungspumpe oder ähnlichen Verfahren deutlich über die am Eingang des Systems angelegte Spannung hinausgehen. Diesem Problem widmet sich diese Offenlegung.In the course of developing driver assistance systems for autonomous driving, sensor systems for detecting the environmental situation are of particular importance. Ultrasonic sensors are already being used today to create so-called environmental maps. A recurrent problem is the desire to maximize reach while keeping costs low. In the past, transducers were used to drive the piezoelectric transducers of ultrasonic transducers. However, this should be omitted for cost reasons. In the prior art, this results in a limitation of the amplitude of the voltage of the transducer oscillation at the transducer terminals to twice the operating voltage. Where here by operating voltage, the supply voltage of the output driver stage is understood. This, in turn, can significantly exceed the voltage applied to the input of the system with a charge pump or similar methods. This problem is addressed by this disclosure.

Stand der TechnikState of the art

Der Stand der Technik wird mit Hilfe der nicht beanspruchten 1 erläutert. Die 1 zeigt schematisch und vereinfacht die Treiberstufe für einen Ultraschall-Transducer aus dem Stand der Technik. Da die Erfindung sich nur mit dem Antrieb des piezoelektrischen Schwingelements eines Transducers befasst, gilt das Folgende auch für Ultraschallsender mit einem piezoelektrischen Schwingelement.The prior art is using the unclaimed 1 explained. The 1 shows schematically and simplified the driver stage for a prior art ultrasonic transducer. Since the invention deals only with the drive of the piezoelectric vibrating element of a transducer, the following also applies to ultrasonic transmitters with a piezoelectric vibrating element.

Eine Betriebsspannung (Vbat ) wird über einen Stützkondensator (Cbat ) stabilisiert, der typischerweise relativ groß gewählt ist.An operating voltage ( V asked ) is connected via a backup capacitor ( C asked ), which is typically chosen to be relatively large.

In einer Ansteuerphase wird der Transducer (TR) angetrieben.In a drive phase, the transducer ( TR ).

In einer ersten Phase der Ansteuerphase wird hierfür der fünfte Transistor (T5 ) durchgeschaltet. Der positive Anschluss (TR+) des Transducers (TR) wird dann in dieser ersten Phase über den Treiberausgangswiderstand (RDRV ) mit der Betriebsspannung (Vbat ) verbunden. Gleichzeitig wird der erste Transistor (T1 ) durchgeschaltet und der vierte Transistor (T4 ) durchgeschaltet. Hierdurch wird die Treiberkapazität (CDRV ) mit ihrem ersten Anschluss (Cp ) mit der Betriebsspannung (Vbat ) verbunden und mit ihrem zweiten Anschluss (Cm ) mit dem Bezugspotenzial (GND). Der dritte Transistor (T3 ) und der zweite Transistor (T2 ) sind in dieser ersten Phase gesperrt.In a first phase of the drive phase, the fifth transistor ( T 5 ) through. The positive connection ( TR + ) of the transducer ( TR ) is then in this first phase via the driver output resistance ( R DRV ) with the operating voltage ( V asked ) connected. At the same time, the first transistor ( T 1 ) and the fourth transistor ( T 4 ) through. This will increase the driver capacity ( C DRV ) with its first connection ( C p ) with the operating voltage ( V asked ) and with its second connection ( C m ) with the reference potential ( GND ). The third transistor ( T 3 ) and the second transistor ( T 2 ) are locked in this first phase.

In einer zweiten Phase der Ansteuerphase werden der fünfte Transistor (T5 ) und der erste Transistor (T1 ) und der vierte Transistor (T4 ) gesperrt. Stattdessen werden in dieser zweiten Phase der zweite Transistor (T2 ) und der dritte Transistor (T3 ) in dieser zweiten Phase durchgeschaltet. Hierdurch wird die zuvor auf die Spannung der Betriebsspannung (Vbat ) aufgeladene Treiberkapazität (CDRV ) mit ihrem ersten Anschluss (Cp ) mit dem Bezugspotenzial (GND) verbunden und mit Ihrem zweiten Anschluss (Cm ) mit dem Treiberausgang (DRV) verbunden. Der Treiberausgang vollführt hierdurch einen Spannungssprung um das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (Vbat ) unter das Potenzial des Bezugspotenzials (GND).In a second phase of the drive phase, the fifth transistor ( T 5 ) and the first transistor ( T 1 ) and the fourth transistor ( T 4 ) blocked. Instead, in this second phase, the second transistor ( T 2 ) and the third transistor ( T 3 ) through in this second phase. As a result, the voltage previously applied to the voltage of the operating voltage ( V asked ) loaded driver capacity ( C DRV ) with its first connection ( C p ) with the reference potential ( GND ) and with your second port ( C m ) with the driver output ( DRV ) connected. The driver output thereby performs a voltage jump by twice the amount of the voltage of the operating voltage ( V asked ) below the potential of the reference potential ( GND ).

Die ersten und zweiten Phasen der Ansteuerphasen wechseln sich nun bevorzugt mit der Resonanzfrequenz der Transducer-Schaltung, bestehend aus dem Treiberausgangswiderstand (RDRV ), der Transducer-Kapazität (CDRV ) und dem Transducer (TR) ab. Hierdurch wird das piezoelektrische Schwingelement des Transducers (TR) in Schwingungen versetzt.The first and second phases of the drive phases now preferably alternate with the resonant frequency of the transducer circuit, consisting of the driver output resistance ( R DRV ), the transducer capacity ( C DRV ) and the transducer ( TR ). As a result, the piezoelectric vibrating element of the transducer ( TR ) vibrated.

Nach der Ansteuerphase folgt die Empfangsphase. Hierbei werden zumindest der fünfte Transistor (T5 ) und der dritte Transistor (T3 ) gesperrt. Hierdurch wird keine Energie mehr auf den Transducer übertragen.After the activation phase, the reception phase follows. In this case, at least the fifth transistor ( T 5 ) and the third transistor ( T 3 ) blocked. As a result, no energy is transferred to the transducer.

Ein Nachteil der Schaltung der 1 ist, dass die maximale Amplitude der Betriebsspannung des Transducers an dem positiven Transducer-Anschluss (TR+) und an dem negativen Transducer-Anschluss (TR-) auf das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (Vbat ) begrenzt ist.A disadvantage of the circuit of 1 is that the maximum amplitude of the operating voltage of the transducer at the positive transducer terminal ( TR + ) and at the negative transducer connection ( TR -) to twice the amount of the voltage of the operating voltage ( V asked ) is limited.

2 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Ersatzschaltbild für einen Ultraschall-Transducer (TR). Das Ersatzschaltbild weist eine Parallelkapazität (CTRp ), einen Serienwiderstand (RTRs ), eine Serienkapazität (CTRs ) und eine Serieninduktivität (LTRs ) auf. Der Ultraschall-Transducer wird über einen positiven Anschluss (TR+) und einen negativen Anschluss (TR-) angeschlossen. Die Bezeichnungen „positiver Anschluss (TR+)“ und „negativer Anschluss (TR-)“ dienen hier nur der besseren Orientierung und haben keinen physikalischen Hintergrund. 2 shows a known from the prior art equivalent circuit diagram for an ultrasonic transducer ( TR ). The equivalent circuit diagram has a parallel capacity ( C TRp ), a series resistor ( R TRs ), a series capacity ( C TRs ) and a series inductance ( L TRs ) on. The ultrasound transducer is connected via a positive connection ( TR + ) and a negative connection ( TR -) connected. The terms "positive connection ( TR + ) "And" negative connection ( TR -) "serve here only for better orientation and have no physical background.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die den obigen Nachteil des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.The invention is therefore an object of the invention to provide a solution that the above Disadvantage of the prior art does not have and has other advantages.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1.

Lösung der AufgabeSolution of the task

Bei einer Betriebsschaltung der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe nun dadurch gelöst, dass eine Ausgangsinduktivität (VDRV ) in die Anschlussleitung des Transducers (TR) eingefügt wird.In an operating circuit of the type described above, the object is achieved in that an output inductance ( V DRV ) into the connecting lead of the transducer ( TR ) is inserted.

Bei der Ausarbeitung der Erfindung wurde erkannt, dass das schwingungsfähige System dritter Ordnung, das durch den Treiberausgangswiderstand (RDRV ), die Transducer-Kapazität (CTR ) und den Transducer gebildet wird, für den Betrieb ungünstig ist und dass es zwar komplexer, aber günstiger ist, ein schwingungsfähiges System vierter Ordnung zu verwenden.In working out the invention, it has been recognized that the third-order oscillatory system, which is characterized by the driver output resistance ( R DRV ), the transducer capacity ( C TR ) and the transducer is formed, is unfavorable for the operation and that although it is more complex, but cheaper to use a vibratory system of fourth order.

Der Transducer in der 1 kann, wie bereits beschrieben, durch ein Ersatzschaltbild aus einer Serienschaltung einer Serienkapazität (CTRs ) mit einer Serieninduktivität (LTRs ) und einer dazu parallel geschalteten Parallelkapazität (CTRp ) dargestellt werden. Ein Serienwiderstand (RTRs ) repräsentiert die mechanischen Verluste und die akustische Abstrahlung des Transducers (TR). Die Spannung über diesen Serienwiderstand (Rs ) soll zur Maximierung der Reichweite einer Ultraschall-Einparkhilfe maximiert werden. Die Parallelkapazität (CTRp ) wird typischerweise durch die Transducer externe Transducer-Kapazität (CTR ) dominiert. Somit verfügt der Transducer (TR) über eine Serien-und eine Parallelresonanz. Die Serienresonanz wird durch den Serienschwingkreis aus Serienkapazität (CTRs ) und Serieninduktivität (LTRs ) und in geringem Maße durch den Serienwiderstand (RTRs ) und damit die Schallabstrahlung bestimmt.The transducer in the 1 can, as already described, by an equivalent circuit diagram of a series connection of a series capacity ( C TRs ) with a series inductance ( L TRs ) and a parallel capacity ( C TRp ) being represented. A series resistor ( R TRs ) represents the mechanical losses and the acoustic radiation of the transducer ( TR ). The voltage across this series resistor ( R s ) should be maximized to maximize the range of an ultrasonic parking aid. The parallel capacity ( C TRp ) is typically determined by the transducer external transducer capacitance ( C TR ) dominates. Thus, the transducer ( TR ) via a series and a parallel resonance. The series resonance is produced by the series resonant circuit of series capacity ( C TRs ) and series inductance ( L TRs ) and to a lesser extent by the series resistance ( R TRs ) and thus determines the sound radiation.

Es ist nun die Idee durch einen weiteren Energiespeicher eine weitere Polstelle zu erzeugen. Hierfür wurde erkannt, dass es günstig ist, in Serie zu dem Treiberausgangswiderstand (RDRV ) eine zusätzliche Ausgangsinduktivität (LDRV ) einzufügen. Diese Ausgangsinduktivität (LDRV ) bildet mit der Transducer-Kapazität (CDRV ) einen zweiten Serienschwingkreis an dessen Ausgang über den positiven Transducer-Anschluss (TR+) der Serienschwingkreis des Transducers (TR) angeschlossen ist. (Zur Vereinfachung gehen wir hier davon aus, dass die Transducer-Kapazität (CDRV ) und die Parallelkapazität (CTRp )des Transducers (TR) durch die Transducer-Kapazität (CDRV ) gut abgebildet werden). Ggf. ist hier also der Begriff Transducer-Kapazität (CDRV ) durch die Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (CDRV ) und Parallelkapazität (CTRp ) des Transducers (TR) zu ersetzen. Wir gehen hier aber davon aus, dass die Transducer-Kapazität (CDRV ) wesentlich größer ist als die Parallelkapazität (CTRp ) des Transducers (TR).It is now the idea by another energy storage to create another pole. For this, it has been recognized that it is beneficial, in series with the driver output resistance ( R DRV ) an additional output inductance ( L DRV ). This output inductance ( L DRV ) forms with the transducer capacity ( C DRV ) has a second series resonant circuit at its output via the positive transducer terminal ( TR + ) the series resonant circuit of the transducer ( TR ) connected. (For simplicity, we assume here that the transducer capacitance ( C DRV ) and the parallel capacity ( C TRp ) of the transducer ( TR ) by the transducer capacity ( C DRV ) are well represented). Possibly. so here's the term transducer capacity ( C DRV ) by the parallel connection of transducer capacitance ( C DRV ) and parallel capacity ( C TRp ) of the transducer ( TR ) to replace. However, we assume that the transducer capacity ( C DRV ) is much larger than the parallel capacity ( C TRp ) of the transducer ( TR ).

Die Ausgangsinduktivität (LDRV), die Transducer-Kapazität (CDRV ), die Serienkapazität des Transducers (TR) und die Serieninduktivität des Transducers (TR) bilden somit ein schwingungsfähiges System vierter Ordnung.The output inductance (LDRV), the transducer capacitance ( C DRV ), the serial capacity of the transducer ( TR ) and the series inductance of the transducer ( TR ) thus form a vibratory system of fourth order.

Es wurde nun erkannt, dass das schwingungsfähige System vierter Ordnung drei Betriebsfälle je nach Wahl der Komponenten

  1. 1. „Ausgangsinduktivität (LDRV)“,
  2. 2. „Transducer-Kapazität (CDRV )“,
  3. 3. „Serienkapazität des Transducers (TR)“ und
  4. 4. „Serieninduktivität des Transducers (TR)“

aufweisen kann:
  1. a. Die Serienschwingkreise des Systems können unterkritisch gekoppelt sein.
  2. b. Die Serienschwingkreise des Systems können überkritisch gekoppelt sein.
  3. c. Die Serienschwingkreise des Systems können kritisch gekoppelt sein.
It has now been recognized that the fourth order oscillatory system has three operational cases depending on the choice of components
  1. 1. "output inductance (LDRV)",
  2. 2. "transducer capacity ( C DRV ) "
  3. 3. "Serial capacity of the transducer ( TR )" and
  4. 4. "series inductance of the transducer ( TR ) "

can have:
  1. a. The series resonant circuits of the system can be subcritically coupled.
  2. b. The series resonant circuits of the system can be coupled supercritically.
  3. c. The series resonant circuits of the system can be critically coupled.

Es wurde erkannt, dass für das System eine unterkritische Kopplung nicht optimal ist, weil dann die Bandbreite des Systems zu groß wird und dadurch zu viel Rauschen durch das System aufgenommen wird.It has been recognized that subcritical coupling is not optimal for the system, because then the bandwidth of the system becomes too large and thereby too much noise is picked up by the system.

Es wurde des Weiteren erkannt, dass für das System eine überkritische Kopplung ebenfalls nicht optimal ist, weil dann im Arbeitsfrequenzbereich eine Dämpfung einsetzt und somit die maximale Schwingungsamplitude des Transducers reduziert wird und damit auch die Reichweite einer Ultraschallbasierenden Einparkhilfe auf dieser Basis reduziert wird.It has further been recognized that supercritical coupling is also not optimal for the system, because damping is applied in the working frequency range and thus the maximum amplitude of vibration of the transducer is reduced and thus the range of an ultrasound-based parking aid is reduced on this basis.

Es wurde des Weiteren erkannt, dass für das System eine kritische Kopplung ebenfalls optimal ist, weil dann die Schwingkreise die optimale Bandbreite haben.It was further recognized that for the system a critical coupling is also optimal, because then the resonant circuits have the optimum bandwidth.

Die Ausgangsinduktivität (LDRV ) muss somit eine definierte Induktivität und Güte haben, die diesen Fall kritischer Kopplung hervorruft.The output inductance ( L DRV ) must therefore have a defined inductance and quality, which causes this case of critical coupling.

Die Ausgangsinduktivität (LDRV ) zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie zusammen mit der Transducer-Kapazität (CDRV ) einen Serienschwingkreis bildet. Da es sich um ein System vierter Ordnung handelt, wird empfohlen die Polstellen durch eine geeignete numerische Näherung in Abhängigkeit zu bestimmen.The output inductance ( L DRV ) is characterized in that, together with the transducer capacity ( C DRV ) forms a series resonant circuit. Since it is a fourth-order system, it is recommended that the poles be determined by a suitable numerical approximation in dependence.

Der Bereich kritischer Kopplung ist dabei ein Arbeitspunkt, der infolge von Fertigungstoleranzen der verschiedenen Komponenten nie ganz exakt getroffen werden kann. Daher sollte die Resonanzfrequenz der Serienresonanz des Transducers (TR) nie mehr als 3dB neben dem Maximum der frequenzabhängigen Impedanz aus Ausgangsinduktivität (LDRV ), Transducer-Kapazität (CDRV ) plus Parallelkapazität (CTRp ) des Transducers (TR), Serienkapazität des Transducers (TR) und Serieninduktivität des Transducers (TR) liegen. Die Transducer (TR) haben eine Frequenzbandbreite von typischerweise +/- 1 kHz. Diese Transducer-Frequenzen sollen somit bevorzugt um nicht mehr als 3dB vom Optimum in der zu erwartenden Schwingungsamplitude abweichen. Über den Treiberausgangswiderstand (RDRV ) wird bevorzugt die Bandbreite und über die Ausgangsinduktivität (LDRV ) die Frequenz der Schwingung eingestellt. The area of critical coupling is an operating point that can never be exactly met due to manufacturing tolerances of the various components. Therefore, the resonance frequency of the series resonance of the transducer ( TR ) never more than 3dB next to the maximum of the frequency-dependent impedance of output inductance ( L DRV ), Transducer capacity ( C DRV ) plus parallel capacity ( C TRp ) of the transducer ( TR ), Serial capacity of the transducer ( TR ) and series inductance of the transducer ( TR ) lie. The transducers ( TR ) have a frequency bandwidth of typically +/- 1 kHz. These transducer frequencies should therefore preferably deviate by no more than 3dB from the optimum in the expected oscillation amplitude. About the driver output resistance ( R DRV ), the bandwidth and the output inductance ( L DRV ) set the frequency of the oscillation.

Es wird somit eine Betriebsschaltung für einen Ultraschall-Transducer (TR) vorgeschlagen, die eine Ansteuerschaltung, hier beispielhaft bestehend aus dem Stützkondensator (Cbat ), den Transistoren (T1 , T2 , T3 , T4 , T5 ), und eine zum Transducer (TR) parallelgeschaltete Transducer-Kapazität (CTR ) aufweist. Die Ansteuerschaltung weist des Weiteren einen ersten Anschluss (GND) einen zweiten Anschluss (DRV) auf. Die Ansteuerschaltung weist einen Treiberausgangswiderstand (RDRV ) auf. Dieser Treiberausgangswiderstand (RDRV ) ist in den 1 und 3 diskret eingezeichnet. Die parasitären Widerstände der Transistoren können aber zu dem Wert dieses Treiberausgangswiderstands (RDRV ) beitragen. Der Treiberausgangswiderstand (RDRV ) kann daher auch ganz oder teilweise durch den Ausgangswiderstand der Ansteuerschaltung an ihrem zweiten Ausgang (DRV) dargestellt werden, auch können die Innenwiderstände der Transistoren, also der Ausgangswiderstand der Ansteuerschaltung, durch einen zusätzlichen Treiberausgangswiderstand, der in Serie zu dem zweiten Ausgang (DRV) der Ansteuerschaltung geschaltet ist, zum eigentlichen Treiberausgangswiderstand (RDRV ) ergänzt werden. Die 1 und 3 sind also insofern als vereinfachte symbolhafte Darstellungen zu verstehen, um das Wirkprinzip zu verdeutlichen.It is thus an operating circuit for an ultrasonic transducer ( TR ) proposed, the one drive circuit, here for example consisting of the backup capacitor ( C asked ), the transistors ( T 1 . T 2 . T 3 . T 4 . T 5 ), and one to the transducer ( TR ) parallel transducer capacity ( C TR ) having. The drive circuit furthermore has a first connection ( GND ) a second port ( DRV ) on. The drive circuit has a driver output resistance ( R DRV ) on. This driver output resistance ( R DRV ) is in the 1 and 3 discreetly drawn. However, the parasitic resistances of the transistors can be added to the value of this driver output resistance ( R DRV ) contribute. The driver output resistance ( R DRV ) can therefore be wholly or partially by the output resistance of the drive circuit at its second output ( DRV ), the internal resistances of the transistors, that is to say the output resistance of the drive circuit, can also be represented by an additional driver output resistance which is connected in series with the second output (FIG. DRV ) of the drive circuit is connected to the actual driver output resistance ( R DRV ). The 1 and 3 are therefore to be understood as simplified symbolic representations in order to clarify the principle of action.

Die Kapazität CTR kann durch die in dem Transducer TR vorhandene Kapazität gebildet werden und muss nicht als diskretes Element in der Schaltung vorhanden sein. Die 1 und 3 sind also insofern als vereinfachte symbolhafte Darstellungen zu verstehen, um das Wirkprinzip zu verdeutlichen.The capacity C TR can through the in the transducer TR existing capacitance and need not be present as a discrete element in the circuit. The 1 and 3 are therefore to be understood as simplified symbolic representations in order to clarify the principle of action.

Ein positiver Anschluss (TR+) des Transducers (TR) ist so mit dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung verbunden, dass der Treiberausgangswiderstand (RDRV ) wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung geschaltet betrachtet werden kann. Ein negativer Anschluss (TR-) des Transducers (TR) ist dabei mit dem ersten Anschluss (GND) der Ansteuerschaltung verbunden.A positive connection ( TR + ) of the transducer ( TR ) is so with the second port ( DRV ) of the drive circuit, that the driver output resistance ( R DRV ) than between the positive connection ( TR + ) of the transducer ( TR ) and the second connection ( DRV ) of the drive circuit can be considered switched. A negative connection ( TR -) of the transducer ( TR ) is connected to the first port ( GND ) of the drive circuit connected.

Es wird nun beansprucht, dass eine Ausgangsinduktivität (LDRV ) wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung in Serie mit dem Treiberausgangswiderstand (RDRV ) geschaltet betrachtet werden kann. Des Weiteren wird beansprucht, dass der Wert der Ausgangsinduktivität (LDRV ) so bemessen ist, dass die beiden Serienschwingkreise kritisch gekoppelt sind. Hiermit ist einerseits als erster Schwingkreis der Serienschwingkreis aus Serieninduktivität des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und Serienkapazität des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) einerseits gemeint und andererseits als zweiter Schwingkreis der Serienschwingkreis aus Ausgangsinduktivität (LDRV ) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (CTR ) und Parallelkapazität (CTRp ) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) gemeint, die kritisch miteinander gekoppelt sind.It is now claimed that an output inductance ( L DRV ) than between the positive connection ( TR + ) of the transducer ( TR ) and the second connection ( DRV ) of the drive circuit in series with the driver output resistance ( R DRV ) can be considered switched. It is further claimed that the value of the output inductance ( L DRV ) is dimensioned so that the two series resonant circuits are critically coupled. Hereby, on the one hand as the first resonant circuit of the series resonant circuit of series inductance of the equivalent circuit diagram of the transducer ( TR ) and series capacity of the equivalent circuit of the transducer ( TR ) on the one hand and on the other hand as a second oscillating circuit the series resonant circuit of output inductance ( L DRV ) and the parallel connection of transducer capacitance ( C TR ) and parallel capacity ( C TRp ) of the equivalent circuit of the transducer ( TR ), which are critically linked.

Der Begriff „kritische Kopplung“ wurde oben mit einer Frequenzabweichung von weniger als +/-3dB hinsichtlich der Änderung der Impedanz erläutert. Liegt eine Schaltung in diesem Bereich, so ist sie im Sinne dieser Offenlegung kritisch gekoppelt.The term "critical coupling" has been discussed above with a frequency deviation of less than +/- 3dB in terms of impedance change. If a circuit is in this area, it is critically coupled in the sense of this disclosure.

Besonders hervorzuheben ist, dass die Betriebsschaltung dazu vorgesehen werden kann, nach dem Ende einer Ansteuerphase den Transducer mit einer Wechselspannungsamplitude zwischen seinem positiven Anschluss (TR+) und seinem negativen Anschluss (TR-) zu betreiben, die einen Spitze-zu-Spitze-Wert aufweist, der zu Beginn der Ausschwingphase im zeitlichen Anschluss an die Ansteuerphase des Transducers (TR) betragsmäßig mehr als das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (Vbat ) gegen ein Bezugspotenzial (GND) beträgt.Particularly noteworthy is that the operating circuit can be provided after the end of a drive phase the transducer with an AC amplitude between its positive terminal ( TR + ) and its negative connection ( TR -), which has a peak-to-peak value, which at the beginning of the decay phase in the temporal connection to the drive phase of the transducer ( TR ) amounts to more than twice the amount of the voltage of the operating voltage ( V asked ) against a reference potential ( GND ) is.

Die bevorzugte Betriebsschaltung für einen Transducer (TR) weist also einen kapazitiven Energiespeicher (CDRV ) und einen induktiven Energiespeicher (LDRV ) auf, um diesen Pegel erzeugen zu können.The preferred operating circuit for a transducer ( TR ) thus has a capacitive energy storage ( C DRV ) and an inductive energy storage ( L DRV ) to be able to generate this level.

Dieser Betriebsschaltung entspricht ein Verfahren zum Betreiben eines Transducers (TR) mit den Schritten

  • • Bereitstellen eines Transducers (TR);
  • • Koppeln des Transducers (TR) mit der Mittenanzapfung (TR+) eines Serienschwingkreises aus einer Ausgangsinduktivität (LDRV ) und einer Transducer-Kapazität (CTR ) und mit einem Bezugspotenzial (GND), wobei der Serienschwingkreis (LDRV , CTR ) ebenfalls mit dem Bezugspotenzial gekoppelt ist;
  • • Wahl des Werts der Ausgangsinduktivität (LDRV ) und des Werts der Transducer-Kapazität (CTR ) in der Art, dass die Kopplung zwischen dem Serienresonanzkreis des Transducers (TR), bestehend aus dessen Serieninduktivität und dessen Serienkapazität einerseits und dem Serienresonanzkreis bestehend aus der Ausgangsinduktivität (LDRV ) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (CDRV ) und Parallelkapazität (CTRp ) des Transducers (TR) andererseits, kritisch ist;
  • • Ansteuerung der beiden gekoppelten Serienresonanzkreise mit einer Wechselspannung, wobei die Spitze-zu-Spitze Spannung der zur Ansteuerung genutzten Wechselspannung in zumindest einem Zeitraum kleiner ist als die messbare Wechselspannung zwischen einem ersten Anschluss (TR+) und einem zweiten Anschluss (TR-) des Transducers (TR).
This operating circuit corresponds to a method for operating a transducer ( TR ) with the steps
  • Providing a transducer ( TR );
  • Coupling the transducer ( TR ) with the center tap ( TR + ) of a series resonant circuit from an output inductance ( L DRV ) and one Transducer capacity ( C TR ) and with a reference potential ( GND ), wherein the series resonant circuit ( L DRV . C TR ) is also coupled to the reference potential;
  • • Selection of the value of the output inductance ( L DRV ) and the value of the transducer capacity ( C TR ) in such a way that the coupling between the series resonant circuit of the transducer ( TR ), consisting of its series inductance and its series capacity on the one hand and the series resonant circuit consisting of the output inductance ( L DRV ) and the parallel connection of transducer capacitance ( C DRV ) and parallel capacity ( C TRp ) of the transducer ( TR ) on the other hand, is critical;
  • Controlling the two coupled series resonant circuits with an AC voltage, wherein the peak-to-peak voltage of the AC voltage used for driving in at least a period of time is smaller than the measurable AC voltage between a first terminal ( TR + ) and a second connection ( TR -) of the transducer ( TR ).

Vorteiladvantage

Durch die vorgeschlagene Betriebsschaltung werden Schwingungspegel oberhalb des doppelten Betriebsspannungspegels möglich, ohne auf einen Übertrager zurückgreifen zu müssen. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.By the proposed operating circuit vibration levels above the double operating voltage level possible without having to resort to a transformer. The advantages are not limited to this.

Beschreibung der weiteren FigurenDescription of the other figures

Figur 4FIG. 4

4 zeigt den Spannungsverlauf für einen Ultraschall-Transducer der Spannung zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem negativen Anschluss (TR-) des Transducers (TR-) aus dem Stand der Technik während eines sogenannten Burst-Pulses. Gut zu erkennen ist, dass/wie die Ansteuerphase in der der Transducer (TR) mit dem Rechtecksignal angeregt wird und das anschließende Ausschwingen. 4 shows the voltage curve for an ultrasonic transducer of the voltage between the positive terminal ( TR + ) of the transducer ( TR ) and the negative connection ( TR -) of the transducer ( TR -) from the prior art during a so-called burst pulse. It can be clearly seen that / how the activation phase in the transducer ( TR ) is excited with the square wave signal and the subsequent swinging out.

Figur 5FIG. 5

5 zeigt das Ausschwingen des Transducers (TR) in der gleichen Schaltung wie die der 4 mit dem Unterschied, dass nun entsprechend dem Unterschied zwischen 1 und 3 eine Ausgangsinduktivität (LDRV ) in die Zuleitung des Transducers (TR) eingefügt wurde und dass deren Wert so bestimmt wurde, dass die Kopplung zwischen dem Serienresonanzkreis aus Serienkapazität (CTRs ) und Serieninduktivität (LTRs ) des Transducers (TR) einerseits und dem Serienresonanzkries aus Ausgangsinduktivität (LDRV) und Transducer-Kapazität (CDRV ) und Parallelkapazität (CTRp ) des Transducers (TR) anderseits kritisch ist. In dem beispielhaften Versuchsaufbau, bei dem diese Schwingungen aufgezeichnet wurden, wurde ein Spitze-Spitze-Wert (VSS ) von 31,4V (3) gemessen, was signifikant über der 12V des Aufbaus der 4 (1) liegt. Die entsprechenden Spannungspegel der Spitzenwerte sind wieder als gestrichelte Linien eingezeichnet. 5 shows the decay of the transducer ( TR ) in the same circuit as the one of 4 with the difference that now according to the difference between 1 and 3 an output inductance ( L DRV ) into the supply line of the transducer ( TR ) and that their value has been determined such that the coupling between the series resonant circuit of series capacitance ( C TRs ) and series inductance ( L TRs ) of the transducer ( TR ) on the one hand, and the series resonant peak of output inductance (LDRV) and transducer capacitance ( C DRV ) and parallel capacity ( C TRp ) of the transducer ( TR ) on the other hand is critical. In the exemplary experimental set-up in which these oscillations were recorded, a peak-to-peak value ( V SS ) of 31.4V ( 3 ), which is significantly above the 12V of the construction of the 4 ( 1 ) lies. The corresponding voltage levels of the peak values are again shown as dashed lines.

Figur 6FIG. 6

6 zeigt die Verhältnisse besonders gut. 6 shows the conditions particularly well.

In 6a ist die Spannung am Transducer (TR) zwischen positivem Transducer-Anschluss (TR+) und negativem Transducer-Anschluss (TR-) (GESTRICHELT) gegen das Bezugspotenzial (GND) für den Fall OHNE zusätzliche Ausgangsinduktivität (LDRV ) dargestellt. In 6a ist außerdem die Spannungen am Transducer (TR) zwischen positivem Transducer-Anschluss (TR+) und negativem Transducer-Anschluss (TR-) (DURCHGEZOGEN) gegen das Bezugspotenzial (GND) für den Fall MIT zusätzlicher Ausgangsinduktivität (LDRV ) dargestellt.In 6a is the voltage at the transducer ( TR ) between positive transducer connection ( TR + ) and negative transducer connection ( TR -) (HIDDEN) against the reference potential ( GND ) in the case WITHOUT additional output inductance ( L DRV ). In 6a is also the voltages at the transducer ( TR ) between positive transducer connection ( TR + ) and negative transducer connection ( TR -) (TRANSFERRED) against the reference potential ( GND ) for the case with additional output inductance ( L DRV ).

In 6b ist der akustische Impuls dargestellt, der sich innerhalb des elektrischen Transducer-Modells (2) als Spannung über den Serienwiderstand (RTRs ) darstellen lässt. Es handelt sich um Simulationskurven. Gestrichelt ist wieder der Pegel ohne Ausgangsinduktivität (LDRV ) dargestellt, durchgezogen der Pegel mit Ausgangsinduktivität (LDRV ). Bei optimalen Verhältnissen ergibt sich ein ein Verhältnis von 1:4 bei der akustischen Ausgangsspannung ohne Ausgangsinduktivität (LDRV ) zu dem Pegel mit Ausgangsinduktivität (LDRV ).In 6b is the acoustic impulse that propagates within the electric transducer model ( 2 ) as a voltage across the series resistor ( R TRs ). These are simulation curves. Dashed again is the level without output inductance ( L DRV ), the level with output inductance ( L DRV ). At optimum conditions, a ratio of 1: 4 results for the acoustic output voltage without output inductance ( L DRV ) to the level with output inductance ( L DRV ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

AMPAMP
Empfangsverstärker;Receiver amplifier;
CAING C AING
Koppelkapazität für den negativen Pol des Empfangssignals;Coupling capacity for the negative pole of the received signal;
CAINS C AINS
Koppelkapazität für den positiven Pol des Empfangssignals;Coupling capacity for the positive pole of the received signal;
Cbat C asked
Stützkondensator für die Betriebsspannung (Vbat );Supporting capacitor for the operating voltage ( V asked );
CDRV C DRV
Treiberkapazität;Drive capacity;
CEMC EMC
Hilfskapazität;Auxiliary capacity;
Cm C m
Ausgang der rechten Halbbrücke (T3 , T4 );Output of the right half-bridge ( T 3 . T 4 );
CP C P
Ausgang der linken Halbbrücke (T1 , T2 );Exit of the left half bridge ( T 1 . T 2 );
CTR C TR
Transducer-Kapazität;Transducer capacitance;
CTRp C TRp
Parallelkapazität im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);Parallel capacity in the equivalent circuit diagram ( 2 ) of the transducer ( TR );
CTRs C TRs
Serienkapazität im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);Series capacity in the equivalent circuit diagram ( 2 ) of the transducer ( TR );
DRVDRV
Treiberausgang;Driver output;
GNDGND
Bezugspotenzial;Reference potential;
LDRV L DRV
zusätzliche Ausgangsinduktivität zur Einstellung des kritischen Resonanzfalles des schwingungsfähigen Systems vierter Ordnung aus Transducer-Kapazität (CTR ), Transducer (TR), ohmschen Ausgangswiderstand (RDRV ) und Ausgangsinduktivität (LDRV );additional output inductance for adjusting the critical resonance case of the fourth-order oscillatory system from transducer capacitance ( C TR ), Transducer ( TR ), ohmic output resistance ( R DRV ) and output inductance ( L DRV );
LTRs L TRs
Serieninduktivität im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);Series inductance in the equivalent circuit diagram ( 2 ) of the transducer ( TR );
RDRV R DRV
ohmscher Ausgangswiderstand der Treiberschaltung (Treiberausgangswidertand) zur Einstellung der Bandbreite;ohmic output resistance of the driver circuit (driver output inverter) for setting the bandwidth;
RTRs R TRs
Serienwiderstand im Ersatzschaltbild (2) des Transducers (TR);Series resistance in the equivalent circuit diagram ( 2 ) of the transducer ( TR );
SdTSdT
Stand der Technik;State of the art;
tt
Zeit;Time;
T1 T 1
erster Transistor (High-Side-Transistor) der linken Halbbrücke (T1 , T2 ) zwischen der Betriebsspannung (Vbat ) und dem Bezugspotenzial (GND) mit Ausgang Cp;first transistor (high-side transistor) of the left half-bridge ( T 1 . T 2 ) between the operating voltage ( V asked ) and the reference potential ( GND ) with output C p ;
T2 T 2
zweiter Transistor (Low-Side-Transistor) der linken Halbbrücke (T1 , T2 );second transistor (low-side transistor) of the left half-bridge ( T 1 . T 2 );
T3 T 3
dritter Transistor (High-Side-Transistor) der rechten Halbbrücke (T3 , T4 ) zwischen dem Treiberausgang (DRV) und dem Bezugspotenzial (GND) mit Ausgang Cm ;third transistor (high-side transistor) of the right half-bridge ( T 3 . T 4 ) between the driver output ( DRV ) and the reference potential ( GND ) with output C m ;
T4 T 4
vierter Transistor (Low-Side-Transistor) der rechten Halbbrücke (T3 , T4 ) zwischen dem Treiberausgang (DRV) und dem Bezugspotenzial (GND) mit Ausgang Cm ;fourth transistor (low-side transistor) of the right half-bridge ( T 3 . T 4 ) between the driver output ( DRV ) and the reference potential ( GND ) with output C m ;
T5 T 5
fünfter Transistor der Treiberschaltung;fifth transistor of the driver circuit;
TRTR
Transducer;transducer;
TR-TR
negativer Anschluss des Transducers (TR) an das Bezugspotenzial (GND). Der Begriff „negativ“ ist nur zu Bezeichnungszwecken gewählt, um den Anschluss vom anderen Anschluss, dem positiven Transducer-Anschluss (TR+) in dieser Beschreibung eindeutig zu unterscheiden;negative connection of the transducer ( TR ) to the reference potential ( GND ). The term "negative" is used for descriptive purposes only to indicate the connection from the other port, the positive transducer port ( TR + ) to be clearly distinguished in this description;
TR+TR +
positiver Anschluss des Transducers (TR) an den Treiberausgang (DRV) über den Treiberausgangswiderstand (RDRV ) und die Ausgangsinduktivität (LDRV ). Der Begriff „positiv“ ist nur zu Bezeichnungszwecken gewählt, um den Anschluss vom anderen Anschluss, dem negativen Transducer-Anschluss(TR-) in dieser Beschreibung eindeutig zu unterscheiden;positive connection of the transducer ( TR ) to the driver output ( DRV ) via the driver output resistance ( R DRV ) and the output inductance ( L DRV ). The term "positive" is selected for purposes of illustration only to indicate the connection from the other port, the negative transducer port ( TR -) to be clearly distinguished in this description;
Vbat V asked
Betriebsspannung;Operating voltage;
VSS V SS
Spitze-zu-Spitze-Wert der Spannung zwischen dem positiven Transducer-Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem negativen Transducer-Anschluss (TR-) des Transducers (TR);Peak-to-peak value of the voltage between the positive transducer terminal ( TR + ) of the transducer ( TR ) and the negative transducer connection ( TR -) of the transducer ( TR );

Claims (3)

Übertragerfreie Betriebsschaltung zur Ansteuerung eines Transducers (TR) gekennzeichnet dadurch, - dass sie einen kapazitiven Energiespeicher (CDRV) und einen induktiven Energiespeicher (LDRV) aufweist.Transformer-free operating circuit for controlling a transducer (TR) characterized in that - it has a capacitive energy storage (C DRV ) and an inductive energy storage (L DRV ). Betriebsschaltung für einen Transducer (TR) nach Anspruch 1 - mit einer Ansteuerschaltung (Cbat, T1, T2, T3, T4, T5) und - mit einer Transducer-Kapazität (CTR), - wobei die Ansteuerschaltung einen ersten Anschluss (GND) aufweist und - wobei die Ansteuerschaltung einen zweiten Anschluss (DRV) aufweist und - wobei die Ansteuerschaltung einen Treiberausgangswiderstand (RDRV) aufweist, der auch ganz oder teilweise durch den Ausgangswiderstand der Ansteuerschaltung an ihrem zweiten Ausgang (DRV) und/oder einen zusätzlichen Treiberausgangswiderstand, der in Serie zu ihrem zweiten Ausgang geschaltet ist, gebildet wird und - wobei ein positiver Anschluss (TR+) des Transducers (TR) so mit dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung verbunden ist, dass der Treiberausgangswiderstand (RDRV) wirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung geschaltet betrachtet werden kann, und - wobei ein negativer Anschluss (TR-) des Transducers (TR) mit dem ersten Anschluss (GND) der Ansteuerschaltung verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, - dass die Betriebsschaltung eine Ausgangsinduktivität (LDRV) aufweist, diewirkmäßig als zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem zweiten Anschluss (DRV) der Ansteuerschaltung in Serie mit dem Treiberausgangswiderstand (RDRV) geschaltet betrachtet werden kann, und - dass der Wert dieser Ausgangsinduktivität (LDRV) so bemessen ist, • dass ein erster Serienschwingkreis aus Serieninduktivität (LTRs) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und Serienkapazität (CTRs) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) und • dass ein zweiter Serienschwingkreis aus Ausgangsinduktivität (LDRV) und der Parallelschaltung aus Transducer-Kapazität (CTR) und Parallelkapazität (CTRp) des Ersatzschaltbilds des Transducers (TR) kritisch gekoppelt sind.Operating circuit for a transducer (TR) after Claim 1 - With a drive circuit (C bat , T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , T 5 ) and - with a transducer capacitance (C TR ), - wherein the drive circuit has a first terminal (GND) and - Drive circuit has a second terminal (DRV) and - wherein the drive circuit has a driver output resistance (R DRV ), which is also wholly or partially by the output resistance of the drive circuit at its second output (DRV) and / or an additional driver output resistance, in series with their second output is connected, and - wherein a positive terminal (TR +) of the transducer (TR) is so connected to the second terminal (DRV) of the drive circuit that the driver output resistance (R DRV ) is effective than between the positive terminal (TR +) the transducer (TR) and the second terminal (DRV) of the drive circuit can be considered switched, and - wherein a negative terminal (TR-) of the transducer (TR) with the first A terminal (GND) of the drive circuit, characterized in that - the operating circuit has an output inductance (L DRV ) which is effectively connected between the positive terminal (TR +) of the transducer (TR) and the second terminal (DRV) of the drive circuit in series with the driver output resistance (R DRV ) can be considered, and that the value of this output inductance (L DRV ) is such that • a first series resonant circuit of series inductance (L TRs ) of the equivalent circuit of the transducer (TR) and series capacitance (C TRs ) of the equivalent circuit of the transducer (TR) and • that of a second series resonant circuit output impedance (L DRV ) and the parallel circuit of transducer capacitance (C TR ) and parallel capacitance (C TRp ) of the equivalent circuit of the transducer (TR) are critically coupled. Betriebsschaltung für einen Transducer (TR) nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch, - dass die Betriebsschaltung dazu vorgesehen ist nach dem Ende einer Ansteuerphase den Transducer (TR) mit einer Wechselspannungsamplitude zwischen dem positiven Anschluss (TR+) des Transducers (TR) und dem negativen Anschluss (TR-) des Transducers (TR) zu betreiben, die einen Spitze-zu-Spitze-Wert aufweist, der zu Beginn der Ausschwingphase des Transducers (TR) betragsmäßig mehr als das doppelte des Betrags der Spannung der Betriebsspannung (Vbat) gegen ein Bezugspotenzial (GND) beträgt.Operating circuit for a transducer (TR) after Claim 1 or 2 characterized in that - after the end of a drive phase, the operating circuit is intended to operate the transducer (TR) with an AC amplitude between the positive terminal (TR +) of the transducer (TR) and the negative terminal (TR-) of the transducer (TR) which has a peak-to-peak value which is more than twice the magnitude of the voltage of the operating voltage (V bat ) versus a reference potential (GND) at the beginning of the decay phase of the transducer (TR).
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