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Miniaturisierte Ansteuerelektronik von Piezoaktoren
Die Anwendung von Piezokristallen ist in der Technik schon weit verbreitet. Ob im Lautsprecher als Hochtöner, als
Kraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungsmotor oder als Tintenzerstäuber in Tintenstrahldruckern: Piezoaktoren sind
in vielen Serienprodukten zu finden. Als Schnittstelle zwischen der Elektronik und der Mechanik sind zahlreiche weitere
Anwendungen im Alltag denkbar.
Vorteile von piezoelektrischen Aktoren sind ein guter Wirkungsgrad, Verschleißarmut und ein hohes
Miniaturisierungspotenzial. Vor allem im mobilen Bereich, sowie in der Medizinelektronik spielt dabei die
Miniaturisierung eine wichtige Rolle.
Problemstellung
Elektrisch betrachtet verhalten sich Piezokeramiken wie Kapazitäten. Der mechanische Hub wird dabei über die
Spannungshöhe an der Keramik beeinflusst. Die zur Ansteuerung benötigten Spannungen liegen je nach Anwendung im
Bereich von 100 V bis zu mehreren kV. Dies setzt der Miniaturisierung Grenzen: Das Volumen der Ansteuerelektronik
von Piezoaktoren übersteigt das Volumen der Aktoren um ein Vielfaches.
Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in Berlin hat sich dieses Problems angenommen und
eine Elektronik zur Ansteuerung von kapazitiven Lasten entworfen. Ziel war es, eine Ansteuerung für eine Piezopumpe
zu entwerfen. Das Volumen der Pumpe inklusive Elektronik und Spannungsversorgung sollte dabei das Volumen von 7
mm³ nicht überscheiten.
Anforderungen an die Elektronik
Vom Grundprinzip her ist die Elektronik ein DC/AC-Wandler. Eingangsseitig soll diese mit einer Spannung von 3,7 V
DC versorgt werden, um den Einsatz in mobilen Geräten zu ermöglichen. Ausgangsseitig soll eine Wechselspannung
erzeugt werden, deren Amplitude zur Depolarisierung des Piezokristalls negative Werte annehmen muss. Die Amplitude
der Ausgangsspannung ist mit maximal 100 V und minimal 40 V angegeben. Die Ausgangsfrequenz liegt bei 80 Hz.
Die Anforderungen schränken die Wahl der möglichen Schaltungstopologien stark ein: Die Notwendigkeit der
Erzeugung von einer Spannung weit über dem Versorgungsspannungsniveau (und weit unterhalb der
Versorgungsspannung) schließt die Verwendung analoger Verstärker aus. Eine Realisierung der Ansteuerung durch eine
Vollbrücke, mit vorgeschaltetem Hochsetzsteller scheidet ebenfalls aus, da die hohe Anzahl der Bauteile der Elektronik
das Einhalten des Zielvolumens nicht möglich macht.
Möglich war die Realisierung nur durch den Entwurf einer neuen Schaltungstopologie. Die Verheiratung von Hoch- und
Tiefsetzsteller stellte sich als realisierbar heraus. Abbildung 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Schaltungstopologie.
Abbildung 1: Schaltungstopologie der Ansteuerung einer Piezolast. Links: Ladepfad, Rechts: Entladepfad
Der Trick
Ein Hochsetzsteller (Boost Converter) und ein Inverter (Buck Boost Converter) verwenden nur eine Induktivität und
werden abwechselnd betrieben. So „pumpt“ der Hochsetzsteller die kapazitive Last während einer Halbperiode der
Ausgangsspannung auf die maximale Spannung, während der Buck Boost Converter „ruht“. In der zweiten Halbperiode
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„ruht“ der Hochsetzsteller, während der Buck Boost Converter das Ausgangspotenzial schrittweise absenkt. Die selbst
schaltenden Transistoren T3 und T4 dienen dabei der Entkopplung der beiden Schaltungsteile. Dabei übernimmt ein
Microcontroller die Ansteuerung der Transistoren T1 und T2, die Erzeugung der Schaltfrequenz, Pumpfrequenz sowie
die Regelung der Spannungsamplituden durch einen einfachen Zweipunktregler.
Abbildung 2: Ausgangsspannung und Eingangsstrom der entwickelten Schaltungstopologie im Betrieb
Alles zusammen besitzt die Schaltung neben dem Controller gerade einmal 6 Halbleiter und nur wenige passive Bauteile,
wodurch eine Realisierung auf einer Fläche von 7 mm x 7 mm möglich ist.
Abbildung 3: Platine der Ansteuerelektronik im Vergleich
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Abbildung 4: 3d Cad Ansicht der Elektronik
Vorteile der Schaltungstopologie
Die Schaltung kann eine bipolare Wechselspannung erzeugen, wobei die Last mit einem Potenzial fest auf der
Bezugsmasse liegt. Die maximale und minimale Ausgangsspannung sowie die Ausgangsleistung sind vor allem von der
Hardwarekonfiguration abhängig. Die realisierte Pumpenansteuerung des Fraunhofer IZM erreicht eine
Ausgangsleistung von bis zu 40 mW bei einem Elektronikvolumen von 7 mm x 7 mm x 3,5 mm. Die Anpassung des
Schaltungsprinzips an größere Ausgangsleistungen, größere Ausgangsspannung sowie höhere Ausgangsfrequenzen ist
leicht realisierbar, wodurch der Einsatz der Topologie in weiten Anwendungsbereichen denkbar ist. Die geringe Anzahl
an benötigten Bauteilen und die einfache Ansteuerung garantieren dabei ein minimales Elektronikvolumen.
Die Topologie wurde zum Patent angemeldet.
Weitere Bilder unter: www2.izm.fhg.de/Bilder/ansteuerelektronik_piezoaktoren.zip
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Thomas Baumann
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration
System Desing & Integration
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin
Tel +49 30 46403-142
E-Mail: [email protected]
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