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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik,
insbesondere eines Piezoaktors, bei dem, ausgehend von einem Grundkörper aus
unpolarisierter Piezokeramik mit wenigstens zwei flächig einander
gegenüberliegenden
Elektroden, eine einen bestimmten zeitlichen Verlauf aufweisende
Polungsspannung an die Elektroden angelegt wird.
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Piezoelektrische
Bauelemente, beziehungsweise piezoelektrische monolithische Vielschicht-Piezoaktoren,
bestehen üblicherweise
aus gemeinsam gesinterten Stapeln von Piezokeramik-Schichten mit dazwischen
liegenden Metallelektroden. An den Endelektroden des Stapels bzw.
Grundkörpers
werden die elektrischen Spannungen unterschiedlicher Polarität beim Polarisieren
und beim späteren
Betrieb des Piezobauelements zugeführt.
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Eine
Piezokeramik ist ein Material, das sich aufgrund des piezoelektrischen
Effekts beim Anlegen einer elektrischen Spannung ausdehnt. Die Piezokeramik
weist elektrische Dipolmomente auf, die jeweils innerhalb von Weiss'schen Bezirken, die
gegeneinander abgegrenzt sind, eine Vorzugsrichtung aufweisen. In
einem unpolarisierten Grundzustand der Piezokeramik sind die Vorzugsrichtungen
der einzelnen Weiss'schen
Bezirke ungeordnet, so dass nach außen hin keine makroskopische
elektrische Polarisierung der Piezokeramik vorliegt. Um den piezoelektrischen
Effekt nutzbar zu machen, muss die Piezokeramik durch das Ausrichten
der elektrischen Dipolmomente polarisiert werden, wonach die Dipolmomente
in allen Weissschen Bezirken nicht oder nur sehr wenig von einer
durch eine Polarisationsachse vorgegebenen Vorzugsrichtung abweichen.
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Zur
makroskopischen Polarisation muss also genügend elektrische Feldenergie
bzw. eine bestimmte Ladungsmenge in die Piezokeramik eingebracht
werden, um die Weiss'schen
Domänen
in die Vorzugsrichtung zu drehen.
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Der
einmalige Ladungsvorgang bei der Polung ist demnach mit der permanenten
Speicherung einer gewissen Ladungsmenge in dem Piezomaterial und
damit mit einer remanenten Änderung
der Form der Kristallite verbunden. Diese Deformation führt zu starken
mechanischen Spannungen im Material, welche zu Rissen und damit
zu Schäden
führen
können, die
insbesondere die Zuverlässigkeit
reduzieren. Daher muss die Polarisation zum einen möglichst
langsam erfolgen, damit die mechanischen Spannungen nicht zu einer
Beschädigung
führen.
Andererseits soll aus fertigungstechnischen Gründen die Polung möglichst
schnell erfolgen.
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Es
sind Verfahren zum Polarisieren bekannt, bei denen das piezokeramische
Material mit einer Spannung beaufschlagt wird, die mehr oder weniger schnell
ansteigt. Beispielsweise kann eine im Polungsverlauf linear ansteigende
Polungsspannung oder ein Spannungspuls in Form eines Dreieckspulses
mit einer Dauer von beispielsweise 500 Sekunden an die Piezokeramik
angelegt werden. Dabei fließt
ein Strom, der von der angelegten Spannung und der zur Verfügung stehenden
Zeit abhängt.
Die dabei gesamt fließende
Ladungsmenge ist von der Spannungsform weitgehend unabhängig. Zur
Vermeidung starker mechanischer Spannungen sollte daher die Spannung
relativ langsam gesteigert werden. Auch wenn die Polung mit relativ
kurzen Spannungspulsen erfolgt, wie in der gattungsgemäßen
DE 100 28 335 A1 ,
wird die maximale Amplitude langsam gesteigert, d. h. es ergibt
sich eine zeitlich linear ansteigende Hüllkurve für die Pulshöhen. Die Polarisation mit Spannungspulsen
hat den Vorteil, dass der Polungszustand stabiler eingestellt wird.
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Die
bekannten Verfahren sind jedoch hinsichtlich der Belas tung der Piezokeramik
bei der Polarisation nicht unproblematisch, da die Polungsenergie
jeweils spannungsgesteuert zur Verfügung gestellt wird. Obwohl
der Aufbau der Piezokeramik in einer Charge individuell variiert
und die Ausrichtung der Domänen
ein statistischer Prozess ist, wird jeweils ein bestimmter Anstieg
der Polungsspannung vorgegeben, so dass gegebenenfalls entsprechend hohe
Stromspitzen auftreten, die zu elektrischen Überschlägen führen können. Andererseits könnte ein
besonders langsam festgelegter Anstieg der Polungsspannung im individuellen
Fall auch unnötig langsam
sein.
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Es
ist ferner bekannt, z. B. aus der
DE 198 48 950 A1 , einem Piezoaktor im Betrieb
die treibende Energie ladungsgesteuert zur Verfügung zu stellen, um eine konstante
Hubfunktion des Aktors zu erreichen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum
Polarisieren einer Piezokeramik anzugeben, das auch individuell
eine schonende, aber zeitlich effektive Polung ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik gemäß Anspruch
1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt die Aufladung der Piezokeramik durch eine spannungsgesteuerte
Polung, die durch eine ladungsgesteuerte Polung überlagert wird, wobei eine
Strombegrenzung vorgesehen wird, deren zeitlicher Verlauf so eingestellt
wird, dass die vorgegebene Strombegrenzung mindestens zu Beginn
der Polung als Ladungssteuerung mit einer adaptiven Begrenzung der Polungsspannung
wirksam wird.
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Während bisher
die Polung immer spannungsgesteuert erfolgte und die treibende Energie für Piezowandler
im Betrieb spannungs- oder ladungsgesteuert zur Verfügung gestellt
wurde, erfolgt die Polung erfindungsgemäß mit aktiv geregelter Ladungssteuerung,
die zeitweise die Spannungssteuerung überlagert. Die sich einstellende
Spannungsrampe bzw., bei gepulster Polung, die zeitabhängige Hüllkurve,
wird durch den Piezo selbst bestimmt und ist damit automatisch auf
das individuelle Bauteil optimiert. Die einstellbar langsame Polung
bedingt eine geringe Belastung des Bauteils. Dennoch erfolgt die Polung
so schnell wie möglich,
da sich die Spannung adaptiv entsprechend den Gegebenheiten des
Bauteils einstellt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird für
den Sollwert der von einer Spannungsquelle gelieferten Polungsspannung
eine Spannungsbegrenzung mit einem einstellbaren Grenzwert vorgegeben,
wobei der Strom während
der spannungsgesteuerten Polung so geregelt wird, dass die Polungsspannung
den vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. Andererseits
wird für
den Sollwert des Stroms eine Strombegrenzung mit einem einstellbaren
Grenzwert vorgegeben, wobei die Polungsspannung während der
ladungsgesteuerten Polung so geregelt wird, dass der Strom den vorgegebenen
Grenzwert nicht überschreitet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform steigt
der Sollwert der Polungsspannung im zeitlichen Verlauf der Polung
linear bis zu einer maximalen Polungsspannung an.
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Es
ist von Vorteil, eine gepulste Polungsspannung einzusetzen, bei
der der Sollwert der Polungsspannung im zeitlichen Verlauf der Polung
in aufeinander folgenden Spannungspulsen jeweils bis zu einer maximalen
Pulshöhe
der Polungsspannung ansteigt. Dabei ist es weiter von Vorteil, dass
die Spannungspulse eine rechteck-, trapez-, halbsinus- oder positiver
Sinus-förmige
Pulsform aufweisen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung schaltet die Spannungsquelle automatisch in der Weise
zwischen Strom- und Spannungsbegrenzung um, dass der jeweils kleinere
Grenzwert aktiviert wird. Dadurch lässt sich eine e lektrische Regelung
des Strom- und Spannungsverlaufs zur Erreichung eines optimalen
Polungsverlaufs auf einfache Weise realisieren.
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Eine
einfache Implementierung der Strombegrenzung lässt sich dadurch erreichen,
dass der Sollwert des Stroms zeitlich linear von Null bis zu einem maximalen
Strombegrenzungswert ansteigt.
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Es
ist von Vorteil, dass der maximale Sollwert des Stroms etwa 10–25% oberhalb
des Wertes liegt, mit dem die fertig gepolte Piezokeramik im Betrieb
maximal geladen und entladen wird.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
der zeitliche Verlauf der Strombegrenzung so vorgegeben, dass am
Ende der Polung der volle Sollwert der Polungsspannung an den Elektroden
anliegt. Insbesondere sollten bei gepulster Polung ca. fünf bis zehn
spannungsgesteuerte Pulse erfolgen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der einzigen
Figur der Zeichnung, die in einem Diagramm den jeweils zeitlichen
Verlauf der Polungsspannung (Kurve A), des Stroms (Kurve B), der
Aktorausdehnung (Kurve C) und der Strombegrenzung (Kurve D) zeigt,
näher erläutert.
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Die
folgende Erläuterung
der in der Figur gezeigten Diagramme geht davon aus, dass das Piezobauelement
hinsichtlich des Polungsverfahrens elektrisch als Kondensator betrachtet
werden kann, wobei der bekannte lineare Zusammenhang Q=C·U zwischen
der Ladung Q und der Spannung U, durch die auf einen Kondensator
der Kapazität
C die Ladung Q aufgebracht wird, gilt. Demnach kann die zu einer
bestimmten Spannung gehörige
Ladungsmenge beziehungsweise Polungsenergie grundsätzlich,
bei rein elektrischer Betrachtungsweise, mit einer mehr oder weniger
schnellen Steigerung der Polungsspannung in die Piezo keramik eingebracht
werden. Die Differenzierung der Kondensatorgleichung nach der Zeit ergibt
bekanntlich den Zusammenhang I = C·dU/dtzwischen
dem Strom I = dQ/dt und der Spannungsform dU/dt. Der vom Spannungs-
bzw. Stromverlauf abhängige
Polungsverlauf ist jedoch in physikalischer Hinsicht je nach Ausprägung mit
bestimmten Vor- und Nachteilen verbunden, so dass erfindungsgemäß die Möglichkeit
einer vom gewünschten
physikalischen Polungsergebnis her bestimmten Optimierung des elektrischen
Polungsverlaufs besteht.
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Die
Kurve D, die den zeitlichen Verlauf der Strombegrenzung darstellt,
ist, wie im linken Teil des untersten Diagrammes erkennbar, am Anfang
des – im
gegebenen Beispiel insgesamt ca. 16 Sekunden (1 Kästchen in
Diagramm entspricht horizontal 2s) dauernden – Polungsprozesses über drei
Kästchen hinweg
als lineare Stromrampe ausgebildet, während die Kurve D für den weiteren
Verlauf der Polung eine auf maximalem Niveau konstant bleibende
Strombegrenzung anzeigt. Die Strombegrenzung wirkt sich im vorliegenden
Beispiel dementsprechend nur am Anfang der Polung aus, da der für die maximale Strombegrenzung
vorgegebene, im weiteren Verlauf der Polung geltende Grenzwert so
hoch ist, dass er vom Strom, der gemäß dem für die (im Folgenden beschriebene)
gepulste Polungsspannung vorgegebenen Grenzwert fließt, gar
nicht erreicht wird.
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Nach
der Anfangsphase der Polung wird der Strom demnach, wie im Folgenden
noch näher
beschrieben, spannungsgesteuert in engeren Grenzen geregelt, als
es gemäß dem dann
geltenden hohen bzw. maximalen Stromwert der Strombegrenzung zulässig wäre. Es liegt
dabei im Rahmen der Erfindung, die Stromrampe, also den Anfangsverlauf
der Kurve D, steiler oder weniger steil als im vorliegenden Beispiel
auszubilden, so dass die Stromrampe grundsätzlich sogar erst am Ende der
Polung ihre maximales Niveau erreichen kann, obwohl dies, wie weiter unten
noch erläutert
wird, normalerweise nicht die vorteilhaf teste Ausgestaltung der
Erfindung darstellt. Der mindestens zu Beginn der Polung erfolgende
Anstieg der Strombegrenzung kann im übrigen auch anders als im dargestellten
einfachen, linearen Beispiel gewählt
werden.
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Im
gegebenen Beispiel wurde eine Polung mit Spannungspulsen, vgl. Kurve
A im Diagramm der Figur, gewählt.
Der tatsächliche,
am Anfang der Polung vom Sollwert abweichende, zeitliche Verlauf
der Polungsspannung gemäß Kurve
A ist charakteristisch für
die Erfindung.
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Der
Sollwert aller Spannungspulse, insbesondere auch des ersten in Kurve
A dargestellten Spannungspulses, entspricht dem hier vorgegebenen
Grenzwert für
die Pulshöhe
von ca. 160 V (1 Kästchen
vertikal entspricht bezüglich
Kurve A 50 V). Tatsächlich
erreicht der erste Spannungspuls jedoch erkennbar nur eine Pulshöhe von ca.
70 V. Der ansteigende Teil dieses ersten Spannungspulses, dessen
Anstiegsform der Neukurve einer Hysterese ähnelt, kommt durch die Aufladung
der Piezokeramik zustande, wobei ein Teil der Polungsenergie remanent
im Material gespeichert wird. Bei ca. 70 V knickt der erste Spannungspuls
ab, der sinusförmig
abfallende Teil des Pulses entspricht der Entladung der Elektroden
der Piezokeramik. Das Abknicken des Spannungspulses vor Erreichen
des Sollwerts (160 V) ergibt sich aus dem Zusammenspiel der Strombegrenzung
mit dem individuellen Polungsvorgang:
Mit zunehmender Feldstärke bzw.
Polungsspannung kippen mehr und mehr Domänen im piezoelektrischen Material
in die Vorzugsrichtung, wobei das individuelle Verhalten einer Piezokeramik
nicht exakt vorherzusagen ist. Bei einer bestimmten Polungsspannung
können
deshalb mehr oder weniger Domänen
umorientieren, so dass entsprechend der sukzessiven remanenten Polarisierung
mehr oder weniger Ladung Q nachgeschoben werden muss. Gegebenenfalls
würden
demnach bei einer rein spannungsgesteuerten Polung unerwünschte Stromspitzen
auftreten. Der Strom ist durch die erfindungsgemäße Strombegrenzung jedoch gerade
bei den ersten Pulsen, jedenfalls am Anfang der Polung, in für die Polung
wirksamer Weise begrenzt, so dass nur eine limitierte Ladungsmenge
zur Verfügung
gestellt wird, wodurch effektiv auch die Zahl der Domänen, die
sich zu einem bestimmten Zeitpunkt umorientieren können, limitiert
wird. Da während
dieser ladungsgesteuerten Polung die Polungsspannung der Führungsgröße Strom
I folgt, steigt der erste Spannungspuls nur bis zu einer Pulshöhe an, bei
der der entsprechende Strom gerade den Wert der momentan geltenden
Strombegrenzung erreicht.
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Der
Spannungsverlauf beim zweiten Puls gemäß Kurve A lässt erkennen, dass die Polungsspannung
zunächst
sinusförmig
bis zur Pulshöhe
des ersten Pulses steil ansteigt, da, wie zuvor beschrieben, die
Domänen,
die bei bzw. unterhalb dieser Spannung kippen können, sich bereits beim ersten Spannungspuls
permanent umorientiert haben: es fließt zunächst kein Polungsstrom, sondern
nur Ladestrom. Mit weiter, also über
die 70 V Pulshöhe
des ersten Pulses steigender Polungsspannung, tritt jedoch auch
beim zweiten Puls wieder, wie in Kurve A zu erkennen, wie zuvor
beim ersten Puls, der hystereseartige, weniger steile Anstieg im
Spannungsverlauf des Pulses auf, der auf eine remanente Polarisierung
bislang unpolarisierter Domänen
hindeutet. Der Polungsstrom nimmt dabei einen merklichen Wert an und
steigt bis – gemäß dem bereits
beim ersten Puls beschriebenen Regelmechanismus – der Strom insgesamt den momentanen
gültigen,
gegenüber
dem ersten Spannungspuls inzwischen angestiegenen, Strombegrenzungswert
erreicht und die Ladungssteuerung die Polungsspannung an diesem
Punkt, im dargestellten Beispiel bei ca. 83 V, abregelt. Der Spannungsverlauf
knickt an diesem Punkt ganz ab und es erfolgt wieder die Entladung
mit dem typischen, sinusförmig
steilem Abfall der Polungsspannung.
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Beim
dritten Spannungspuls gemäß Kurve
A erfolgt zunächst
wieder der bekannte steile Anstieg bis ca. 83 V, dann das relative
Abknicken des Spannungverlaufs des Pulses in einen hystereseartigen, weniger
steilen Anstieg, bis nochmals, hier im Beispiel bei ca. 115 V, die
inzwischen weiter gemäß Kurve
D angestiegene Strombegrenzung wirksam wird. Das hystereseartige
Teilstück
des dritten Pulses ähnelt
kaum noch eine Neukurve. Insgesamt ergibt sich für die zeitabhängige Hüllkurve
der ersten Spannungspulse in etwa die Form eines (gespiegelten) "S". Im Gegensatz zur eingangs genannten
DE 100 28 335 A1 ergibt
sich also nicht einfach eine lineare Hüllkurve, da der Anstieg der
Pulshöhen
der Polungspulse nicht nur, etwa durch Vorwiderstände, in festen
Stufen begrenzt, sondern erfindungsgemäß durch eine aktive Stromregelung,
die zu einer adaptiven Spannungsregelung führt, auf schonende Weise an
das tatsächliche
Polungsverhalten der Piezokeramik bei der Polarisierung angepasst
wird. Eine ähnliche
Spannungsanstiegskurve mit Wendepunkt ergibt sich im übrigen auch
bei der Modifizierung einer nicht gepulsten, sondern mit linearen
Verlauf vorgegebenen Polungsspannung durch die wirksam werdende Strombegrenzung.
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Beim
vierten Puls der Kurve A ist die Polung bereits zu etwa neunzig
Prozent erfolgt und die Strombegrenzung gemäß Kurve D lässt bereits so hohe Stromwerte
zu, dass die Polungsspannung allenfalls noch unmerklich abgeregelt
wird. Eine merkliche ladungsgesteuerte Spannungsabregelung ist auch
nicht mehr erforderlich, da auf Grund des bereits hohen Polungsgrades
die Piezokeramik trotz hoher Polungsspannung nicht mehr den hohen
Polungsstrombedarf wie zuvor, bei geringeren Polungsgraden, hat.
Sollte, bei einer vom Durchschnitt stark abweichenden Piezokeramik,
eine unerwartete statistische Häufung
von Umorientierungen von Domänen
erst bei diesem ersten Erreichen von Spannungen oberhalb 115 V auftreten,
so würde
der dann geltende, dem maximalen Wert bereits recht nahe kommende
Strombegrenzungswert einen eventuell darüber hinausgehenden Strombedarf
nicht erfüllen
und die Pulshöhe
der Polungsspannung gegebenenfalls nochmals – wie bei den drei Pulsen zuvor – merklich abregeln.
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Nach
dem vierten Puls kann die Polung – wie in Kurve A der Figur
dargestellt, – durch
weitere Spannungspulse fortgesetzt werden, um so auch die letzten
paar Prozent an möglicher
Polarisierung der Piezokeramik zu realisieren. Auf Grund der dann
hohen bzw. maximalen Strombegrenzung und des dann mit großer Wahrscheinlichkeit
geringen Polungsstrombedarfs wird die Strombegrenzung während dieser
Phase typischerweise nicht mehr wirksam sein, so dass die weitere
Polung rein spannungsgesteuert erfolgt, wobei der Strom der dann
allein wirksamen Spannungsbegrenzung (hier: maximale Pulshöhe=160V)
folgt.
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In
diesem Sinne ist es besonders vorteilhaft, dass der zeitliche Verlauf
der Strombegrenzung so vorgegeben wird, dass am Ende der Polung
der volle Sollwert der Polungsspannung an den Elektroden anliegt,
wobei im Wesentlichen kein Polungsstrom mehr, sondern nur noch Ladestrom
fließt.
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Im
einzelnen kann zum optimalen Polarisieren jedes Bauelements dieses
an eine Strom/Spannungsquelle angeschlossen werden, die automatisch von
Strombegrenzung auf Spannungsbegrenzung umschaltet. Das bedeutet,
dass bei der Begrenzung des Stroms (der Spannung) die Spannung (der Strom)
so geregelt wird, das ein vorgegebener Grenzwert nicht überschritten
wird. Die Umschaltung erfolgt dabei automatisch, so dass der jeweils
kleinere Grenzwert aktiviert wird. Die Grenzwerte können beispielsweise
wie folgt gesteuert werden:
- – Der Sollwert
der Spannung wechselt in Pulsen zwischen 0 Volt und der Polungsspannung
(typisch 2 bis 2,5 kV/mm). Die Pulsform kann halbsinus, positiver
Sinus (Sinus um die halbe Spitzenspannung verschoben, vgl. Kurve
A in der Figur), Rechteck- oder Trapezform haben.
- – Der
Sollwert des Stroms steigt linear von 0 Ampere auf einen maximalen
Wert, der deutlich (d.h. 10 bis 25%) oberhalb des Wertes liegt,
mit dem die fertig gepolte Piezokeramik im regulären Betrieb maximal geladen
und entladen wird. Dieser kapazitive Strom lässt sich aus der Spannungsform
und der Großsignal-Kapazität der gepolten Piezokeramik
errechnen.
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Durch
den Polungsstrom wird, wie oben bereits beschrieben, die Strombegrenzung
während
der ersten Pulse ansprechen, so dass in dieser Zeit der Anstieg
der Polungsspannung begrenzt wird.
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Zur
Implementierung des beschriebenen geregelten Strom- bzw. Spannungsverlaufs
während der
gesamten Polungsdauer kann ein als Spannungsverstärker mit
Strombegrenzung ausgelegter und mit den entsprechenden Grenzwerten
und Zeitabhängigkeiten
programmierter Leistungsverstärker verwendet
werden. In der oder den Phasen, in denen die Strombegrenzung nicht
wirksam wird, arbeitet der Leistungsverstärker als echte Spannungquelle. Wenn
die Polung durch den Strombegrenzungsverlauf und den individuellen
Polungsverlauf in eine wirksame Strombegrenzung hineinläuft, so
wird, wie zuvor beschrieben, das Verhalten der Spannungsquelle ladungssteuert
im Sinne einer adaptiven Begrenzung der Polungsspannung modifiziert.
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Die
Kurve B im Diagramm der Figur zeigt den tatsächlichen Stromverlauf. Die
plateauförmig
abgeflachten Strompulse am Anfang der Polung sind durch den geschilderten
Regelmechanismus bewirkt: der Strom will eigentlich mit der Polungsspannung weiter
ansteigen, wird aber durch die dann wirksame Strombegrenzung "festgehalten", bis die zyklische Entladung
erfolgt (abfallender Teil des Strompulses).
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Die
Kurve C im Diagramm der Figur zeigt den Fortschritt der Polung anhand
des "Weges", also der der pulsförmigen Aufladung
folgenden pulsförmigen
Dehnung bzw. der remanenten Dehnung der Piezokeramik, an. Insgesamt
resultiert am Ende des Polungsprozesses eine remanente Dehnung,
die quantitativ durch den Levelunterschied der vor und nach der
Polung konstant verlaufenden Kurventeile C gegeben ist.
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Der
Aufbau des zu polarisierenden Grundkörpers aus Piezokeramikschichten
von z. B. 80 μm Dicke
mit alternierend angeordneten Innenelektroden und mit den üblichen
Außenelektroden
ist in der eingangs genannten
DE 100 28 335 A1 näher beschrieben.