Piezoaktuator-Komplettsysteme

Mikrotechnik
Microtechnique
Piezoaktuator-Komplettsysteme
Mechatronik / Prof. Dr. Peter Walther
Piezokristalle reagieren bei Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer mechanischen Formveränderung. Die Bewegungen sind klein, präzis und sehr schnell. Durch die industrielle Miniaturisierung werden Piezos immer häufiger für Aktuatoren eingesetzt. Piezos benötigen jedoch hohe
Spannungen und weisen kapazitive Eigenschaften auf. Dies stellt an die Treiberelektronik vor allem
bei hohen Frequenzen besondere Anforderungen. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung eines
low-cost Spannungsverstärkers zur Ansteuerung von Piezoaktuatoren bis 200 V und 100 kHz. Die
Funktionstüchtigkeit des Verstärkers wird mit einem ebenfalls neu entwickelten Miniroboter mit
Stick-Slip-Antrieb gezeigt.
Hurni Andreas Philipp
1982
079 798 43 55
[email protected]
Um Piezoaktuatoren nicht mit hohen Spannungen betreiben zu müssen, werden häufig Multilayer-Piezos eingesetzt. Diese Stacks aus
mehreren hundert Piezoscheiben
können mit niedrigen Spannungen
um 10 V angesteuert werden und
verlangen keine aufwändige Treiber­
elektronik. Ein Nachteil ist jedoch
der hohe Preis. Für Anwendungen,
bei denen hohe Geschwindigkeiten,
jedoch keine grossen Kräfte gefordert werden, eignen sich günstige
HV-Piezos besser. Auf dem Markt
erhältliche Verstärker für solche Pie­
zos sind allerdings teuer und unförmig gross.
Piezoverstärker
Im Rahmen dieser Diplomarbeit
wurde nun eine Verstärkerschaltung entwickelt, welche auf kleinstem Raum in low-cost Ausführung
Spannungen bis zu 200 V verstärkt.
Der Piezoverstärker kann als Modul
zur Ansteuerung von Aktuatoren
mit HV-Piezos eingesetzt werden.
Piezoverstärker
194
Er verstärkt ein analoges Eingangssignal mit einer Maximalamplitude von ± 1 V auf ± 200 V bei Frequenzen von DC bis 100 kHz. Die
Spannungsversorgung ist variabel
von 3 V bis 12 V einstellbar. Der Pie­
zoverstärker kann somit problemlos mit einer Batterie betrieben werden.
Das Schaltungsprinzip basiert auf
einem teilweise geregelten Verstärker mit einer MOSFET-Leistungsendstufe. Ein Anteil des
Ausgangssignals wird in einen
Operationsverstärker rückgekoppelt und mit dem Eingangssignal
verglichen.
Eine DC/DC-Wandlung generiert
die hohen Spannungen für die Leistungsendstufe. Mithilfe der Simulations-Software Circuit Maker wurden
die Widerstands- und Kondensatorwerte abgeglichen, bis ein optimaler Frequenzgang erreicht wurde. Es konnte festgestellt werden,
dass die Simulation sehr gut mit
dem Printaufbau übereinstimmt.
µSmartease
Als Anwendung des Piezoverstärkers wurde ein Miniroboter mit StickSlip-Antrieb entworfen. Zwei HVDeflektionspiezos setzen mithilfe
des Stick-Slip-Effektes je ein Rad in
Bewegung. Basis des µSmartease
bilden die Spannungsversorgung
und Wandlung, zwei Verstärker, sowie der mechanische Aufbau zur
Bewegungsrealisation. Der modulare Aufbau erlaubt einen beliebigen Ausbau des µSmartease mit
Sensor- und Steuerelektronik.
Tunnelstromregler
Zur Demonstration der sensorischen Fähigkeiten von HV-Piezos
wurde ein Schaltungsaufbau entworfen, welcher die Formveränderung des Piezos durch auftreffende Schallwellen ausregelt. Das
Prinzip ist ähnlich einem Mikrofon,
wobei die Regelgrösse hierbei der
quantenmechanische Tunnelstrom
ist. Dieses Demonstrationsmodell
dient als Bausatz für den Unterricht
zur Veranschaulichung des Piezohandlings im Nanometerbereich.
µSmartease