Optimierung der Ansteuerelektronik eines piezoelektrischen Ultraschallaktors

Zusammenfassung: Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Leistungsverstärker zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors entwickelt. Der Aktor ist aus einem Stapelaktor, einem mechanischen Resonator und einer geraden Spitze aufgebaut. Aufgrund der Geometrie der Spitze besitzt der Aktor zwei unterschiedliche Bewegungsmoden; eine longitudinale und eine transversale. Durch eine selektive Anregung dieser Eigenmoden mittels sinusförmiger Signale kann eine definierte elliptische Bewegung der Aktorspitze erzeugt werden. Hierdurch kann eine definierte Kraft auf ein Objekt ausgeübt werden. Die Arbeitsfrequenzen liegen bei ca. 40 kHz und 80 kHz. Das Ansteuersignal wird mit einem Funktionsgenerator erzeugt. Der Leistungsverstärker verstärkt dieses Signal auf eine Spitzenspannung von bis zu ± 300 V. Der Aktor wird an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen. Der entwickelte Verstärker ist ein analoger Brückenverstärker. Die Eingangsstufe ist als stromgegengekoppelter Differenzverstärker aufgebaut. Hierdurch wird eine hohe Arbeitspunktstabilität erreicht. Die beiden Endstufen werden von zwei stromgegengekoppelten Klasse-B Verstärkern gebildet. Die lokale Stromgegenkopplung der Verstärkerstufen erhöht die Stabilität des Verstärkers. Dies ist besonders beim Treiben von kapazitiven Lasten ein wichtiges Kriterium. Die maximale Ausgangsspannung beträgt ± 300 V. Die Kleinsignalgrenzfrequenz beträgt 820 kHz; die Großsignalgrenzfrequenz 196 kHz. Somit eignet sich der Verstärker besonders für hochdynamische Anwendungen. Des Weiteren kann der Verstärker auch zum Betreiben sonstiger kapazitiver Lasten verwendet werden, z.B. von dielektrischen Polymeraktoren