Mini-Wechselrichter für Piezoaktoren

Piezoaktoren verhalten sich wie Kondensatoren. Ihre mechanische Bewegung ist abhängig von der Spannungsamplitude – im Bereich von 100 V bis zu mehreren kV. Die hohe Spannung setzte der Miniaturisierung der Steuerelektronik bisher Grenzen: Sie war stets ein Vielfaches größer als der Aktor.

Piezoaktoren verhalten sich wie Kondensatoren. Ihre mechanische Bewegung ist abhängig von der Spannungsamplitude – im Bereich von 100 V bis zu mehreren kV. Die hohe Spannung setzte der Miniaturisierung der Steuerelektronik bisher Grenzen: Sie war stets ein Vielfaches größer als der Aktor.

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM, www.izm.fhg.de) in Berlin hat eine Elektronik zur Ansteuerung von kapazitiven Lasten entworfen. Die Elektronik für eine Piezopumpe aus Steuerung und Stromversorgung sollte dabei zusammen mit der Pumpe das Volumen von 7 × 7 × 7 mm³ nicht überscheiten. Der DC/AC-Wandler muss, für den Einsatz in mobilen Geräten, aus einer Eingangsspannung von 3,7 V eine Ausgangs-Wechselspannung (80 Hz) von max. 140 Vss abgegeben. Die Anforderungen hinsichtlich Übersetzungsverhältnis und Volumen schränken die Wahl der möglichen Schaltungen stark ein. Der gewünschte Wechselrichter ließ sich nur durch den Entwurf einer neuen Schaltung für DC/AC-Wandler realisieren: die Verheiratung von Hoch- und Tiefsetzsteller. Hochsetzsteller und Wechselrichter arbeiten mit einer gemeinsamen Induktivität und werden abwechselnd betrieben. In einer Halbperiode lädt der Hochsetzsteller die kapazitive Last auf die max. Spannung auf, während der Wechselrichter „ruht“. In der zweiten Halbperiode „ruht“ der Hochsetzsteller, während der Wechselrichter das Ausgangspotential schrittweise absenkt, die Kapazität entlädt. Die selbst schaltenden Transistoren T3 und T4 dienen dabei der Entkopplung der beiden Schaltungsteile. Dabei übernimmt ein Mikrocontroller die Ansteuerung der Transistoren T1 und T2, die Erzeugung der Schaltfrequenz, Pumpfrequenz sowie die Regelung der Spannungsamplituden durch einen einfachen Zweipunktregler. Insgesamt besteht die Schaltung nur aus dem Controller, sechs Halbleitern sowie wenigen passiven Bauteilen.

Die neue DC/AC-Wandlerschaltung kann eine hohe Wechselspannung erzeugen, um eine kapazitive Last mit einem Potential fest auf Bezugsmasse zu treiben. Die maximale und die minimale Ausgangsspannung sowie die Ausgangsleistung sind vor allem von der Dimensionierung abhängig. Die realisierte Pumpenansteuerung des Fraunhofer IZM erreicht bei einer Ausgangsspannung von 140 Vss eine Ausgangsleistung bis zu 40 mW bei einem Elektronikvolumen von 7 × 7 × 3,8 mm³ – höchstes Bauteil ist mit 1,3 mm die Drossel. Die Anpassung des Schaltungsprinzips an größere Ausgangsleistungen, höhere Ausgangsspannung sowie höhere Ausgangsfrequenzen ist leicht realisierbar, wodurch der Einsatz der neuen DC/AC-Wandlerschaltung in weiten Anwendungsbereichen denkbar ist. Thomas Baumann, IZM/hs