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Die
Erfindung betrifft eine Schaltung zur Änderung der Ladung einer kapazitiven
Last mit einer Stromquelle und einem Zwischenspeicher sowie mit einer
zwischen Stromquelle und Zwischenspeicher geschalteten primären Steuereinheit
und einer zwischen Zwischenspeicher und kapazitiver Last geschalteten
sekundären
Steuereinheit.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Änderung der Ladung einer kapazitiven
Last.
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Eine
Schaltung und ein Verfahren zur Änderung
der Ladung einer kapazitiven Last sind aus der
DE 44 35 832 A1 bekannt.
Die bekannte Schaltung weist eine Speicherdrossel sowie eine Stromquelle auf.
Zwischen Stromquelle und Speicherdrossel ist eine primärseitige
Steuereinheit angeordnet. Zwischen Speicherdrossel und kapazitiver
Last befindet sich eine sekundäre
Steuereinheit. Die primäre
und die sekundäre
Steuereinheit umfassen jeweils Schalter, zu denen jeweils eine Diode
parallel geschaltet ist. Die Dioden sind jeweils so gepolt, dass
bei geöffneten
Schaltern keine Ladung von der Ladungsquelle zur Stromquelle zurückfließen kann.
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Zum
Laden der kapazitiven Last wird der primärseitige Schalter geschlossen.
Dadurch fließt
ein Strom durch die Speicherdrossel, der in der Speicherdrossel
ein magnetisches Feld aufbaut. Nach dem öffnen des primärseitigen
Schalters fließt
der Strom durch die Speicherdrossel weiter und lädt über die sekundärseitige
Diode die kapazitive Last auf.
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Zum
Entladen wird der sekundärseitige Schalter
geschlossen, der primärseitige
Schalter bleibt geöffnet.
Dadurch fließt
ein Strom von der kapazitiven Last durch die Speicherdrossel, der
nach dem Öffnen
des sekundären
Schalters weiterfließt und
dadurch Ladung an die Stromquelle zurücküberträgt.
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Die
bekannte Schaltung und das bekannte Verfahren eignen sich insbesondere
zum Betrieb piezoelektrischer Aktoren in der Automobiltechnik, der Gebäudetechnik
und der Automatisierungstechnik. Für die verschiedenen Anwendungen
werden insbesondere Schaltungen benötigt, die es gestatten, die Piezoaktoren
nach einem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil zu laden und zu entladen.
Die Einsatzbereiche sind dabei umso vielfältiger, je genauer die Piezoaktoren
entsprechend dem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil geladen oder entladen
werden können.
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Mit
der bekannten Schaltung und dem bekannten Verfahren können einzelne
Ladungspakete mit hohem Wirkungsgrad der kapazitiven Last zugeführt oder
der kapazitiven Last entnommen werden. Bei Betrieb der bekannten
Schaltung mit einem Taktgenerator genügend großer Zeitauflösung lassen sich
auch vorgegebene Ladungs-Zeit-Profile mit ausreichend großer Genauigkeit
nachbilden.
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Aus
der
EP 0 612 140 A1 geht
weiterhin eine Ladungsschaltung hervor, die einen Bootstrap-Kondensator
einsetzt zur Beibehaltung eines leitfähigen Zustandes während des
gesamten Oszillationszyklus.
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In
der
WO 02/067411
A1 ist ein Verfahren zur Energierückgewinnung in elektromechanischen
Motoren bekannt. Es werden Lade- und Entladevorgänge während unterschiedlicher Motorphasen
betrieben. Zur Umsetzung werden Serien von Spannungsquellen eingesetzt.
Es wird Energie zwischengespeichert für folgende Ladevorgänge. Insbesondere
wird von einem Kondensatorelement in einer Motorphase geladene Ladung
von einer anderen Motorphase übernommen.
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Schließlich ist
in der
US 6,456,151
B1 ein Verfahren beschrieben zur Steuerung einer kapazitiven
Ladepumpe.
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Aufgrund
hoher Strom- und Spannungsspitzen bei der bekannten Schaltung treten
jedoch EMV-Probleme auf, die eine meist aufwändige Gestaltung der Leiterplatten
und der Schaltung erfordern. Auch die bei hohen Anforderungen an
die Genauigkeit erforderliche genaue Messung der Größe der Ladungspakete
stellt im Umfeld starker Störfelder eine
besondere Herausforderung dar. Schließlich werden auch besonders
hohe Anforderungen an die Schaltzeiten der verwendeten Leistungstransistoren gestellt,
da diese wesentlich für
den Fehler bei der Größer der
Ladungspakete verantwortlich sind. Um eine ausreichend große Genauigkeit
zu erzielen, müssen
die Leistungstransistoren beispielsweise Ströme im mittleren Amperebereich
in wenigen Nanosekunden schalten.
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Deshalb
ist es in der Regel erforderlich, geeignete Bauteile für die bekannte
Schaltung auszuwählen.
Ferner müssen
mehrlagige Leiterplatten verwendet werden und die Schaltung ent sprechend
den Anforderungen mit hohem Aufwand angepasst werden.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine mit geringem Aufwand erstellbare Schaltung und ein mit
einfachen Mitteln ausführbares
Verfahren zu schaffen, mit denen sich eine kapazitive Last nach
einem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil mit großer Genauigkeit laden und entladen
lässt.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltung und ein Verfahren mit den Merkmalen
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
der Schaltung und dem Verfahren wird eine Zwischenspeicherkapazität als Zwischenspeicher
verwendet, dessen eine Elektrode mit der primären Steuereinheit und der sekundären Steuereinheit verbunden
ist und deren andere Elektrode mit einem Spannungshubgenerator verbunden
ist.
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Die
Schaltung und das Verfahren verzichtet auf Induktivitäten als
Energiespeicher. Vielmehr wird bei der Schaltung und dem Verfahren
eine Zwischenspeicherkapazität
verwendet, die an einen Spannungshubgenerator angeschlossen ist.
Bei der Schaltung und dem Verfahren ist es möglich, die in der Zwischenspeicherkapazität gespeicherte
Ladung durch einen Spannungsanstieg, der vom Spannungshubgenerator
erzeugt wird, auf die kapazitive Last zu verschieben. Da die Zwischenspeicherkapazität in Abhängigkeit
von der anliegenden Spannung mit einer definierten Ladung geladen
wird, ist keine spezielle Regelung für die Ladungsmenge erforderlich.
Insbesondere ist die Größe der Ladungsmenge auch
unabhängig
von den elektrischen Eigenschaften der kapazitiven Last.
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Mit
der Schaltung und dem Verfahren lassen sich daher kapazitive Lasten
mit großer
Genauigkeit entsprechend einem vorgegebenen Ladung-Zeit-Profil aufladen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die primäre
Steuereinheit und die Sekundäreinheit
jeweils ein Schaltungselement, das die Funktion einer Diode bereitstellt.
Durch derartige Schaltungselemente kann der Zufluss auf die kapazitive
Last und der Abfluss von der kapazitiven Last ohne großen Aufwand
gesteuert werden.
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Zum
Laden der kapazitiven Last sind die Schaltelemente mit den Funktionen
einer Diode jeweils so gepolt, dass die Kathode zur kapazitiven Last
weist. Unter Laden soll dabei eine Erhöhung der positiven Ladung oder
eine Verringerung negativer Ladung auf der an die Schaltung angeschlossenen Elektrode
der kapazitiven Last verstanden werden.
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Zum
Entladen sind dementsprechend das primäre und das sekundäre Schaltelement
mit der Funktion einer Diode derart gepolt, dass die Anode der Schaltelemente
zu der an die Schaltung angeschlossenen Elektrode der kapazitiven
Last weist. Unter Entladen soll dabei die Verringerung einer positiven
Ladung oder die Erhöhung
einer negativen Ladung der Elektrode verstanden werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Spannungshub des Spannungshubgenerators variierbar. Dadurch
lässt sich
die auf die kapazitive Last übertragene
Ladungsmenge oder die von der kapazitiven Last abgezogene Ladungsmenge
je nach Anforderung variieren.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden.
Es zeigen:
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1 das
Prinzipschaltbild einer Schaltung zum Laden eines Piezoaktors;
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2 das
Prinzipschaltbild einer Schaltung zum Entladen eines Piezoaktors;
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3 ein
Diagramm, in dem der zeitliche Ablauf der von einer Hubspannungsquelle
erzeugten Spannung dargestellt ist;
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4 eine
Schaltung zur Änderung
der Ladung eines Piezoaktors;
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5 der
mit der Schaltung aus 4 simulierte Verlauf der Spannung
an dem Piezoaktor;
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6 einen
vergrößerten Ausschnitt
des Spannungsverlaufs aus 5;
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7 der
an einen Testaufbau entsprechend der Schaltung aus 4 gemessene
Verlauf der Spannung am Piezoaktor und der von der Spannungshubquelle
erzeugten Spannung; und
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8 den
Verlauf der Spannungen aus 7 über ein
größeres Zeitintervall
hinweg.
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1 zeigt
eine Ladeschaltung 1, mit der ein Piezoaktor 2 geladen
werden kann. Die Ladeschaltung 1 verfügt über einen Stromverstärker 3,
der über eine
primärseitige
Diode 4 mit einer Zwischenspeicherelektrode 5 einer
Zwischenspeicherkapazität 6 verbunden
ist. Eine Spannungshubelektrode 7 der Zwischenspeicherkapazität 6 ist
mit einer Spannungshubquelle 8 verbunden.
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Die
Zwischenspeicherelektrode 5 ist nicht nur mit der primärseitigen
Diode 4, sondern auch mit einer sekundärseitigen Diode 9 verbunden,
die an eine Ladeelektrode 10 des Piezoaktors 2 angeschlossen
ist. Eine weitere Masseelektrode 11 des Piezoaktors 2 ist
mit Masse 12 verbunden. Die an der Ladeelekt rode 10 des
Piezoaktors 2 anliegende Spannung kann auf den Stromverstärker 3 zurückgekoppelt
sein.
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Die
primärseitige
Diode 4 und die sekundärseitige
Diode 9 sind jeweils so gepolt, dass die Kathode dem Piezoaktor 2 zugewandt
ist.
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Die
Ladeschaltung 1 funktioniert wie folgt:
Zum Zeitpunkt
t = 0 s gelte für
die Spannung der Spannungshubquelle: u(t = 0) = umax.
Die an der Zwischenspeicherelektrode 5 und der Ladeelektrode 10 anliegenden
Potentiale haben die gleiche Größe. Damit
gibt es keinen Stromfluss durch die primärseitige Diode 4 und
die sekundärseitige
Diode 9. Für
t1 < t < t2 fällt die
Spannung u(t) um Δu
von umax auf umin.
Die Spannungsdifferenz Δu
= umax – umin entspricht an der Zwischenspeicherkapazität 6 einer
Ladung ΔQ
= C Δu welche über einen
Stromfluss über
den Zeitraum Δt
= t2 – t1 durch den Ausgang des Stromverstärkers 3 aufgebracht
werden muss. Der Ladungsausgleich ist beendet, wenn die Potentiale
an der Zwischenspeicherelektrode 5 und der Ladeelektrode 10 wieder den
gleichen Wert haben. Ab t > t2 steigt die Spannung u(t) um Δu. Die zuvor
der Zwischenspeicherkapazität 6 zugeführte Ladung
wird auf den Piezoaktor 2 und die Zwischenspeicherkapazität 6 im
Verhältnis der
Kapazitätswerte
verteilt. Im Allgemeinen ist jedoch der Kapazitätswert C der Zwischenspeicherkapazität 6 wesentlich
kleiner als der Kapazitätswert
Cpiezo des Piezoaktors 2. Damit
wird die Ladung ΔQ
= C Δu fast
vollständig
an den Piezoaktor 2 weitergegeben. Die Ladeschaltung 1 kann
daher unter der Voraussetzung C << Cpiezo als
hochgenaue Ladungspumpe angesehen werden, die es auf einfache Weise
ermöglicht,
Ladungspakete der Größe ΔQ = C Δu dem Piezoaktor 2 zuzuführen oder
dem Piezoaktor 2 zu entziehen. Die Größe der Ladungspakete kann dabei über den
Spannungshub der Spannungshubquelle 8 nahezu beliebig eingestellt
werden.
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Die
zum Betrieb der Ladeschaltung 1 erforderliche Energiezufuhr 13 erfolgt über den
Stromverstärker 3.
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2 zeigt
eine Entladeschaltung 14, die entsprechend der Ladeschaltung 1 funktioniert.
Mit der Entladeschaltung 14 lässt sich der Piezoaktor 2 entladen.
Dazu ist insbesondere eine primärseitige Diode 15 vorgesehen,
die an eine Zwischenspeicherelektrode 16 einer Zwischenspeicherkapazität 17 angeschlossen
ist. Eine weitere Spannungshubelektrode 18 ist an die Spannungshubquelle 8 angeschlossen.
Die Zwischenspeicherelektrode 16 ist ferner über eine
sekundärseitige
Diode 19 mit der Ladeelektrode des Piezoaktors 2 verbunden.
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Die
primärseitige
Diode 15 und die sekundärseitige
Diode 19 sind jeweils so gepolt, dass die Kathode vom Piezoaktor 2 wegweist.
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Die
Entladeschaltung 14 funktioniert nun wie folgt:
Zum
Zeitpunkt t = 0 s gelte für
die von der Spannungshubquelle 8 abgegebene Spannung gemäß 3 u(t)
= umax. Die Potentiale an den Knoten A und B
haben die gleiche Größe. Damit
findet kein Stromfluss durch die primärseitige Diode 15 und
die sekundärseitige
Diode 19 statt. Während
t1 < t < t2 fällt die Spannung
u(t) um Δu
von umax auf umin.
Die Spannungsdifferenz Δu
= umax – umin entspricht an der Zwischenspeicherkapazität 17 einer
Ladung ΔQ
= C Δu, welche
durch einen Stromfluss über
den Zeitraum Δt =
t2 – t1 durch eine Ladungsverschiebung vom Piezoaktor 2 über die
sekundärseitige
Diode 19 hinweg zur Zwischenspeicherkapazität 17 aufgebracht
wird. Der Ladungsausgleich ist beendet, wenn die Potentiale an den
Knoten A und B wieder die gleiche Größer haben. Ab t > t2 steigt
die Spannung u(t) wieder um Δu an.
Die zuvor der Zwischenspeicherkapazität 17 zugeführte Ladung
wird vom Stromverstärker 3 aufgenommen,
an dem gegebenenfalls eine Energieabgabe 20 stattfindet.
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Sowohl
bei der Ladeschaltung 1 als auch bei der Entladeschaltung 14 gilt
C << Cpiezo.
Dadurch wird der Fehler beim Ladungsaustausch mit dem Piezoaktor 2 minimiert,
da die Kapazi tät
des Piezoaktor 2 in der Regel nicht konstant ist, sondern
einen nichtlinearen Verlauf aufweist.
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Die
Funktion der Ladeschaltung 1 und der Entladeschaltung 14 wurden
in einer Simulation und durch einen Testaufbau nachgewiesen.
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4 zeigt
eine Lade- und Entladeschaltung 21, mit der die Funktion
der Ladeschaltung 1 und der Entladeschaltung 14 simuliert
worden ist.
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Die
Lade- und Entladeschaltung 21 umfasst eine Spannungsquelle 22,
die eine Ausgangsspannung von 220 V liefert. Die Spannungshubquelle 8 verfügt über einen
Taktgenerator 23, der über
einen Vorwiderstand 24 eine Verstärkerschaltung 25 steuert.
Die Verstärkerschaltung 25 umfasst
neben einer Spannungsquelle 26 einen in Emitterschaltung
geschalteten Transistor 27 sowie den Emitterwiderstand 28,
den Kollektorwiderstand 29 und den Vorwiderstand 30, über den
eine von Transistoren 31 und 32 gebildete Gegentaktendstufe 33 gesteuert
ist. Der Ausgang der Gegentaktendstufe 33 liegt über Vorwiderstände 34 und 35 jeweils
an der Spannungshubelektrode 7 der Zwischenspeicherkapazität 6 oder
der Spannungshubelektrode 18 der Zwischenspeicherkapazität 17 an.
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Für die Stabilität der Schaltung
sind an die Zwischenspeicherelektrode 5 der Zwischenspeicherkapazität 6 und
an die Zwischenspeicherelektrode 16 der Zwischenspeicherkapazität 17 Schutzdioden 36 und 37 sowie
Ableitwiderstände 38, 39 und 40 angeschlossen.
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Die
Funktion der primärseitigen
Diode 4 wird von einem Transistor 41 übernommen,
die Funktion der sekundärseitigen
Diode 9 von einem Schalttransistor 42, die Funktion
der primärseitigen
Diode 15 von einem Transistor 43 und die Funktion
der sekundärseitigen
Diode 19 vom Schalttransistor 44.
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Über einen
Vorwiderstand 45 ist der von Transistoren 46 und 47 gebildete
Verstärker 3 an
den Knoten B angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 3 ist
jeweils über
Vorwiderstände 48 an
die Basis der Transistoren 41 und 43 zurückgekoppelt.
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Die
Schalttransistoren 42 und 44 sind schließlich mit
Hilfe von Schaltern 49 betätigbar, die über Schutzwiderstände 50 an
die Schalttransistoren 42 und 44 angeschlossen
sind.
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In 5 ist
ein am Knoten B aufgenommener Spannungsverlauf 51 an dem
Piezoaktor 2 dargestellt. Der Spannungsverlauf 51 ist
das Ergebnis einer Simulation, die mit der Lade- und Entladeschaltung 21 aus 4 durchgeführt worden
ist. Der Spannungsverlauf 51 umfasst eine Ladephase 52, eine
Haltephase 53 und eine Entladephase 54. Anhand
des Spannungsverlaufs 51 wird die hohe Linearität über den
gesamten Spannungshub von 120 V sichtbar. In allen drei Phasen liegt
der Linearitätsfehler
unter 10 Prozent.
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In 6 ist
der Spannungsverlauf 51 während der Ladephase 52 nochmals
mit höherer
Spannungs- und Zeitauflösung
dargestellt. In der vergrößerten Darstellung
von 6 sind am Spannungsverlauf 51 deutlich
Spannungssprünge 55 erkennbar, die
durch den Übertrag
von Ladungspaketen auf den Piezoaktor 2 verursacht werden.
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7 und 8 zeigen
schließlich
Messungen, die an der Ladeschaltung 1 vorgenommen worden
sind. Die Ladeschaltung 1 wurde dabei mit einer Spannung
von U = 240 V versorgt. Die Kapazität der rein kapazitiven Last
betrug 3,3 μF.
Mit der rein kapazitiven Last wurde der Piezoaktor 2 simuliert.
Für die Zwischenspeicherkapazität wurde
ein Wert von 100 nF gewählt.
Die Spannungshubquelle 8 wurde mit einer Frequenz von 25
kHz und einem Tastverhältnis 1:1
betrieben, wobei der Spannungshub Δu auf 8 V gesetzt wurde.
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In 7 ist
ein Spannungsverlauf 56 der Spannungshubquelle 8 und
ein Spannungsverlauf 57 dargestellt, der am Knoten B gemessen
worden ist.
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Bei
idealem Ladungsübergang
auf die kapazitive Last ist unter den gegebenen Randbedingungen
eine Stufenhöhe
der Spannungssprünge 55 im Bereich
von δu =
242 mV zu erwarten. Diese Erwartung wird durch die Messung bestätigt.
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Es
sei angemerkt, dass die Abweichung des Spannungsverlaufs 56 von
der Rechteckform in der mangelnden Treiberfähigkeit des verwendeten Funktionsgenerators
für kapazitive
Lasten begründet
ist. Entscheidend für
den Ladungsübertrag
ist aber nicht die Pulsform, sondern sind die Spannungsminima und
Spannungsmaxima.
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In 8 ist
schließlich
der gesamte Spannungsverlauf 57 von 0 Volt bis 240 Volt
dargestellt. Wiederum ist die sehr gute Linearität des Spannungsanstiegs am
Piezoaktor 2 erkennbar.