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26 DESIGN&ELEKTRONIK 13 2020 www designelektronik de Die Energie die nötig ist um einen Kondensator also das Piezoelement mit einer sinusförmigen Spannung zu laden ist proportional zu Frequenz Spannung und Kapazität Preactive ist proportional zu 2π×C×V2 ×F Aus dieser Gleichung bestimmen die unabhängigen Variablen von C Vund Fdie zum Betreiben eines Piezoelements erforderliche Energiemenge Um einen bestimmten Piezoaktor mit einem haptischen Signal zu betreiben sind die Kapazität und die Frequenz für die jeweilige Anwendung grundsätzlich festgelegt Beispielsweise liegt die typische haptische Frequenz zwischen 100 Hz und 300 Hz die Kapazität der Piezoaktoren liegt im Bereich von 100 nF bis über 1 µF abhängig von der Anzahl und der Größe der Keramiklagen Die abhängige Variable links in der Gleichung entspricht dem Spannungshub Die Dicke der Piezokeramik und Art der verwendeten Keramik bedingt die maximale Spitzenspannung Wie erwähnt darf die Polarisationsspannung nicht überschritten werden Üblicherweise erhältliche Piezoaktoren haben eine maximale Nennspannung von 30 Vbis 200 V Diese Werte sind nur typische Werte es werden ständig neue Piezowerkstoffe und Bautechniken entwickelt insbesondere aufgrund neuer Anwendungsanforderungen und Einsatzfälle Gegenwärtig aber bestimmen die kapazitive Funktionsweise von Piezomaterialien und die Notwendigkeit Hochspannungssignale zu erzeugen den Ladeenergiebedarf sowie die Art der elektronischen Schaltungen die zur Ansteuerung von Piezoelementen verwendet werden Aufgrund der kapazitiven Funktionsweise einer Piezolast ist eine nortonbasierte Treiberschaltung Stromausgang am besten geeignet Die Differentialgleichung der Kondensatorspannung in Abhängigkeit vom Ladestrom lautet dV = di Cdt Die Zunahme der Kondensatorspannung ist proportional zum Integral des Ladestroms über die Zeit sowie Q = CV Die Gesamtladung des Kondensators ist proportional zum Produkt aus Kapazität und Spannung am Kondensator Daraus folgt dQ = di × dt Die Zunahme an gespeicherter Ladung ist proportional zum Integral des Ladestroms über die Zeit Die derzeitigen Piezotreiberschaltungen verwenden häufig einen konventionellen Aufwärtswandler um eine Hochvoltschiene zu erzeugen die einen Linearverstärker zur Erzeugung der Ausgangsspannung versorgt Bild 7 Die in Bild 7 dargestellte PiezotreiberTopologie weist mehrere Nachteile auf die in erster Linie mit der Leistungsaufnahme am Eingang und der ICVerlustleistung zusammenhängen Bei näherer Betrachtung gibt es zwei Stufen der Leistungsumwandlung jede Bild 8 Piezotreiber-IC mit Energierückgewinnung Titel - Displays Piezowandler für Touchscreens Bild 7 Derzeitige Piezotreiberschaltung mit Aufwärtswandler und Verstärker der Klasse AB mit eigenen Leistungsverlusten Erstens gibt es einen Aufwärtswandler um eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung für den Differenzausgangsverstärker zu erzeugen Der typische Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers mit hohem Umwandlungsverhältnis bei der Hochspannungsversorgung liegt etwa bei 70 Prozent bis 85 Prozent Der zweite Leistungswandler ist der Ausgangsverstärker der den Piezoaktor differentiell ansteuert In dieser Ausführung ist der Piezolasttreiber ein Linearverstärker ein Verstärker der Klasse AB der typischerweise einen Wirkungsgrad von 50 Prozent bis 67 Prozent aufweist Das Produkt der beiden Wirkungsgrade ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von 35 Prozent bis 57 Prozent Es ist zu beachten dass es keine reale Ausgangsleistung für die Piezolast gibt denn die Last ist kapazitiv Daher fällt die gesamte Eingangsleistung im IC ab Bei einer großen Piezokapazität >1 uF einem großen Spannungshub >100 Vpp und eiBild 9 Piezohaptisches Ausgangssignal blau und Eingangsstrom grün