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Schaltungsanordnungen
und Verfahren zum Versorgen einer kapazitiven Last, insbesondere
einem piezoelektrischen Aktuator, mit einer Wechselspannung sind
bekannt.
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So
zeigt die
DE 101 22
065 A1 , dass ein piezoelektrischer Aktuator, der im Brückenzweig
einer H-Brückenschaltung eingeschaltet ist, von der H-Brückenschaltung
eine Wechselspannung zugeführt bekommt, die den schwingungsfähigen
piezoelektrischen Aktuator zu Schwingungen anregt. Die H-Brückenschaltung
weist dazu vier FET auf, die von einem spannungsgesteuerten Oszillator
angesteuert werden.
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Nachteilig
ist bei dieser Schaltungsanordnung, dass vier Leistungs-FET benötigt
werden, eine aufwendige Ansteuerelektronik für die FET
notwendig ist und der H-Brückenschaltung eine hohe Gleichspannung
zum Betreiben des piezoelektrischen Aktuators zugeführt
werden muss.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung
und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit der eine
kapazitive Last, insbesondere ein piezoelektrischer Aktuator, mit
einer einfachen Schaltungsanordnung bipolar angetrieben werden kann.
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Diese
Aufgabe wird von einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und einem
Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.
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Die
vorgestellte Schaltungsanordnung zum Versorgen einer kapazitiven
Last, insbesondere eines piezoelektrischen Aktuators, aus einer
Gleichspannungsquelle mit einer H-Brückenschaltung, weist
eine erste Halbbrücke der H-Brückenschaltung auf,
die aus einem ersten Schaltelement und einem zweiten Schaltelement
gebildet ist, eine zweite Halbbrücke der H-Brückenschaltung
ist als kapazitiver Spannungsteiler aus einem ersten Kondensator
und einem zweiten Kondensator gebildet und im Brückenzweig
ist ein Bauteil angeordnet, dessen wesentliche elektrische Eigenschaft
eine Induktivität ist (also insbesondere eine Spule). Das
erste und das zweite Schaltelement sind im Betriebszustand von einer
Ansteuerelektronik ansteuerbar sind und es ist vorgesehen, dass
die kapazitive Last im Brückenzweig eingekoppelt werden
kann. Die vorgestellte Schaltung kommt also mit nur zwei Schaltelementen
aus. Durch die Verwendung eines Bauteils mit einer Induktivität
im Brückenzweig bildet sich im eingekoppelten Zustand mit
der Kapazität der Last ein LC-Reihenschwingkreis, in dem
bei entsprechenden Kapazitäts- und Induktivitätswerten
eine Maximalspannung an der Last abfällt, die deutlich
größer sein kann als das Gleichspannungspotential,
das von der Gleichspannungsquelle gegen das Grundpotential zur Verfügung
gestellt wird. Durch entsprechendes Ansteuern der Schaltelemente
erlaubt es die Schaltungsanordnung, dass die Last mit einer Wechselspannung
versorgt wird (die insbesondere sinusförmig ist), sodass
etwa ein bipolarer piezoelektrischer Aktuator durch das alternierende
Anliegen der sinusförmigen Wechselspannung in Schwingungen
versetzt werden kann. Die Schaltungsanordnung ist dazu geeignet,
von einer Ansteuerelektronik mit einer Schaltfrequenz im Ultraschallbereich,
also mit einer Schaltfrequenz von 20 kHz–1000 kHz, insbesondere von
30 kHz–300 kHz angesteuert zu werden.
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In
einer Ausführungsform sind das erste und das zweite Schaltelement
je als MOSFET ausgestaltet, was eine nahezu verlustfreie Schaltung
der Spannung erlaubt. Die MOSFET können je als N-Kanal- oder
P-Kanal-MOSFET ausgelegt sein, wobei manche Kombinationen (etwa:
beide MOSFET sind als P-Kanal-MOSFET ausgelegt) zusätzlichen
Schaltungsaufwand bei der Ansteuerung erfordern. In einer alternativen
Ausführungsform sind die Schaltelemente bipolare Transistoren,
wobei auch hier die Transistoren npn- oder pnp-Transistoren sein
können, mit der gleichen Einschränkung bezüglich
eines erhöhten Ansteuerungsaufwandes bei machen Kombinationen
(etwa: das erste Schaltelement, das an das Gleichspannungspotential
gekoppelt ist, ist als npn-Transistor ausgelegt und das zweite Schaltelement
als pnp-Transistor).
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In
einer Ausführungsform sind der erste und der zweite Kondensator
so gewählt, dass ihre elektrischen Kennwerte gleich sind
und ihre Toleranz 5% oder weniger und insbesondere 1% oder weniger
beträgt.
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In
einer anderen Ausführungsform ist jedem der Kondensatoren
ein Widerstand parallel geschaltet, sodass die Widerstände
den jeweiligen Spannungsabfall an den Kondensatoren erzwingen. Dabei ist
in einer Ausführungsform der Ohmsche Widerstandswert der
Widerstände gleich und die Toleranz der Widerstandswerte
ist insbesondere kleiner als die Toleranz der Kapazitätswerte
der Kondensatoren, wobei insbesondere Toleranzwerte von 5% oder
weniger und darüber hinaus insbesondere von 1% oder weniger
gewählt werden. Dadurch können günstigere
Kondensatoren mit vergleichsweise hohen Toleranzen (etwa 20%) gewählt
werden und die Widerstände, die selbst bei geringer Toleranz
günstig gegenüber den Kondensatoren sind, erzwingen
einen gewünschten Spannungsabfall am ersten und am zweiten
Kondensator, insbesondere einen Abfall von je der halben Gleichspannung,
die an dem kapazitiven Spannungsteiler anliegt.
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In
einer weiteren Ausführungsform liefert die Gleichspannungsquelle
eine Spannung, die kleiner ist als die Maximalspannung, die zur
Versorgung der kapazitiven Last notwendig ist, insbesondere ist
die Gleichspannung mindestens einen Faktor zwei kleiner als die
notwendige Maximalspannung zur Versorgung der kapazitiven Last.
So kann etwa eine Gleichspannungsquelle gewählt werden,
die eine Gleichspannung von 2–10 Volt gewählt
werden, während die Spitzen-zu-Spitzen-Versorgungsspannung
der kapazitiven Last etwa 20–200 Volt beträgt.
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In
einer Ausführungsform ist die Induktivität des
Bauteils daher so gewählt, dass das Bauteil durch Selbstinduktion
die notwendige Spannung zur Versorgung des kapazitiven Bauteils
zur Verfügung stellt.
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In
dem vorgestellten Verfahren zum Versorgen einer kapazitiven Last
aus einer Gleichspannungsquelle, werden die folgenden Schritte umgesetzt:
In einem ersten Schritt wird mittels eines aus einem ersten und
einem zweiten Kondensator gebildeten kapazitiven Spannungsteilers
die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle an einen ersten Anschluss
einer Reihenschaltung aus der kapazitiven Last und einem Bauteil,
dessen wesentliche elektrische Eigenschaft eine Induktivität
ist, angelegt und das Grundpotential wird an den zweiten Anschluss der
Reihenschaltung angelegt. In einem zweiten Schritt wird der erste
Schritt, insbesondere ohne Zeitverzug, beendet. In einem dritten
Schritt wird die Spannung der Gleichspannungsquelle an den zweiten
Anschluss der Reihenschaltung angelegt und die halbe Spannung der
Gleichspannungsquelle wird über den kapazitiven Spannungsteiler
an den ersten Anschluss der Reihenschaltung angelegt. In einem vierten
Schritt wird der dritte Schritt, insbesondere ohne Zeitverzug, beendet.
Die Schritte eins bis vier werden zyklisch wiederholt, sodass es
zu einer Versorgung der kapazitiven Last mit einer sinusförmigen Wechselspannung
kommt.
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Das
Bauteil in der Reihenschaltung dient im ersten und im dritten Schritt
als zusätzliche Spannungsquelle, die eine Maximalspannung
zur Verfügung stellt, die größer ist
als die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle und insbesondere
mindestens zweimal größer als die Gleichspannung
ist.
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In
einer Ausführungsform des Verfahren wird das zyklischen
Wiederholen mit einer Frequenz im Ultraschallbereich durchgeführt,
also im Bereich von 20 kHz–1000 kHz, insbesondere im Bereich
von 30 kHz–300 kHz.
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In
einer anderen Ausführungsform des Verfahrens erzwingt eine
Kette aus einem ersten und einem zweiten Widerstand, die jeweils
dem ersten und dem zweiten Kondensator parallel geschaltet sind, den
jeweiligen Spannungsabfall über den ersten und den zweiten
Kondensator.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Elektrogerät mit einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, einer Ansteuerelektronik
zum Ansteuern der Schaltelemente und einer anzutreibenden kapazitiven
Last, die in den Brückenzweig der H-Brücke der Schaltungsanordnung
eingekoppelt ist oder im Betriebszustand einkoppelbar ist, wobei
die Last insbesondere ein piezoelektrischer Aktuator ist. Ein solches
Elektrogerät kann insbesondere ein Inhalator sein, bei
dem ein in flüssiger Phase vorhandenes oder in Wasser aufgelöstes
Medikament durch einen schwingenden piezoelektrischen Aktuator in
feinste Nebeltröpfchen zerstäubt wird, oder es
kann sich um einen Luftbefeuchter bzw. einen die Luft mit Duftstoffen
anreichernden Zerstäuber handeln, wo ebenfalls Wasser oder
andere Flüssigkeiten in Flüssigkeitsnebel zerstäubt
werden. Natürlich kann die Erfindung auch in jedem anderen
Elektrogerät Anwendung finden, in dem eine kapazitive Last,
insbesondere ein piezoelektrischer Aktuator angetrieben wird, etwa
ein Ultraschallgerät zur Aufnahme von Ultraschallbildern.
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In
einer Ausführungsform des Elektrogerätes wird
die Ansteuerelektronik durch einen Rechteckpulsgenerator gebildet,
was eine einfache Ansteuerelektronik darstellt.
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In
einer Weiterbildung des Elektrogerätes liegt die Schaltfrequenz
im Ultraschallbereich, also im bereich von 20 kHz–1000
kHz, wobei für Zerstäuber und Inhalatoren eine
Schaltfrequenz von 30 kHz–300 kHz gute Zerstäubungsresultate
liefert.
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In
einer anderen Weiterbildung weist das Elektrogerät auch
eine Gleichspannungsquelle zur Versorgung der Schaltungsanordnung
auf. Die Gleichspannungsquelle kann insbesondere eine Batterie oder
ein Akkumulator oder ein zusammen geschalteter Batterie- bzw. Akkumulatorsatz
sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden durch detaillierte Beschreibung von
exemplarischen Ausführungsbeispielen mit Bezug auf Figuren
näher erklärt. Dabei zeigen in den Figuren
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1 eine
Schaltungsanordnung mit einer H-Brückenschaltung aus zwei
Schaltelementen und einem kapazitiven Spannungsteiler, wo der Brückenzweig
eine Spule und einen eingekoppelten piezoelektrischen Akkumulator
aufweist,
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2 eine
Schaltungsanordnung wie in 1, wo die
Schaltelemente als MOSFET realisiert sind und dem kapazitiven Spannungsteiler
eine Widerstandskette parallel geschaltet ist,
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3 eine
Simulation der Spannung an der Last und des Stromes durch die Last,
wobei exemplarische Werte für die Bauteile der Schaltung
nach 2 angenommen wurden und
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4 eine
schematische Darstellung eines Elektrogeräts, in dem eine
Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zum Einsatz
kommt.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung S
zur Versorgung einer Last P aus einer Gleichspannungsquelle gemäß der
Erfindung gezeigt. Die Schaltungsanordnung S besteht aus einer H-Brückenschaltung.
Die erste Halbbrücke der H-Brückenschaltung besteht
aus einem ersten Schaltelement S1 und einem zweiten Schaltelement S2,
wobei das erste Schaltelement S1 an seinem dem Äußeren
der H-Brückenschaltung zugewandten Anschluss (Punkt 1 in 1)
an einer Gleichspannung U0 anliegt und das
zweite Schaltelement S2 an seinem dem Äußeren
der H-Brückenschaltung zugewandten Anschluss (Punkt 3 in 1)
an einem Grundpotential GND (Erde) anliegt. Das erste und zweite
Schaltelement S1 und S2 können von einer Ansteuerelektronik
A angesteuert werden, die das erste und zweite Schaltelement S1
und S2 jeweils öffnen und schließen kann. Die
zweite Halbbrücke der H-Brückenschaltung ist als
kapazitiver Spannungsteiler mit einem ersten Kondensator C1 und
einem zweiten Kondensator C2 ausgebildet. Der Brückenzweig,
der zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement S1 und S2
und dem ersten und dem zweiten Kondensator C1 und C2 eingeschaltet ist
(zwischen Punkt 5 und Punkt 6 in 1), weist
ein Bauteil L auf, dessen wesentliche elektrische Eigenschaft eine
Induktivität ist. Der Brückenzweig hat zwei Anschlüsse
(Punkt 7 und Punkt 8 in 1), zwischen die eine Last P
in den Brückenzweig eingeschaltet werden kann, wie es in 1 gezeigt
ist. Damit am Mittenabgriff des kapazitiven Spannungsteilers (Punkt
6 in 1) eine Spannung anliegt, die der halben Gleichspannung ½U0 entspricht, sind die elektrischen Kennwerte
des ersten und des zweiten Kondensators C1 und C2 gleich gewählt.
Sie sollten eine geringe Toleranz haben, insbesondere eine Toleranz
von 5% oder weniger und darüber hinaus insbesondere eine
Toleranz von 1% oder weniger.
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Die
exemplarische Ausführungsform der Schaltungsanordnung S
nach 2 ist auf der Ausführungsform nach 1 aufbauend
und gleiche Bestandteile werden hier nicht wiederholt dargestellt, sondern
es wird auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
Das Bauteil L ist hier eine Spule, die einen Innenwiderstand RL hat. Das erste Schaltelement S1 ist als
P-Kanal-MOSFET (MOSFET = Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)
und das zweite Schaltelement S2 ist als N-Kanal-MOSFET ausgelegt.
Die Last P ist ein piezoelektrischer Aktuator, dessen wesentliche
elektrische Eigenschaft eine Kapazität ist und der piezoelektrische
Aktuator ist deshalb als ein Kondensator eingezeichnet. Als Ansteuerelektronik A
ist ein Rechteckpulsgenerator gewählt, dessen Ausgangssignal
dem Gate (der Steuerelektrode) des ersten und zweiten Schaltelementes
S1 und S2 direkt zugeführt wird und diese mit einer Schaltfrequenz
f im Ultraschallbereich, insbesondere im Bereich von etwa f = 30
kHz–300 kHz, wegen ihrer komplementären Ausführung
als P-Kanal- und N-Kanal-MOSFET gegenläufig öffnet
und schließt. Eine Gleichspannungsquelle U0 versorgt
die Schaltungsanordnung mit einer Gleichspannung U0.
Bei entsprechend schnell schaltenden MOSFET kommt es zu keinem Kurzschluss
der Quellengleichspannung U0, die von der
Gleichspannungsquelle zur Verfügung gestellt wird. Alternativ
sind an sich bekannte Maßnahmen zu treffen, um Querströme
zu vermeiden. Weiterhin ist dem ersten Kondensator C1 ein erster
Widerstand R1 und dem zweiten Kondensator C2 ein zweiter Widerstand
R2 parallel geschaltet. Werden der erste und zweite Widerstand R1
und R2 mit gleichen und toleranzarmen Widerstandswerten gewählt,
dann erzwingen der erste und der zweite Widerstand, dass am ersten
Kondensator C1 und am zweiten Kondensator C2 jeweils die gleiche
Spannung anliegt, sodass am Mittenabgriff zwischen dem ersten und
dem zweiten Kondensator C1 und C2 (Punkt 6) die halbe Gleichspannung ½U0 gegen das Grundpotential GND (Erde) anliegt.
Es ist dann nicht erforderlich, teure Kondensatoren mit gleichen
Kapazitätswerten und geringer Toleranz zu verwenden. Eine
Toleranz von etwa 1% (E96-Reihe) oder weniger ist ausreichend für
den ersten und den zweiten Widerstand R1 und R2.
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Die
Funktionsweise der Schaltungsanordnung S nach 1 bzw. 2 ist
wie folgt. Die Last P, die ein piezoelektrischer Aktuator ist, hat
als wesentliche elektrische Eigenschaft eine Kapazität. Wird
das erste Schaltelement S1 (bzw. das zweite Schaltelement S2) geschlossen,
während das zweite Schaltelement S2 (bzw. das erste Schaltelement
S1) geöffnet ist, dann entsteht ein Schaltkreis, der aus
einer Kapazität, die sich aus der Reihenschaltung der Kapazitäten
des ersten Kondensators C1 (bzw. des zweiten Kondensators C2) und der
Kapazität der Last P ergibt, und einer Induktivität
des Bauteils L besteht (es ist auch der Innenwiderstand des Bauteils
L zu berücksichtigen, etwa der Innenwiderstand eines als Spule
realisierten Bauteils L), wobei so ein (gedämpfter) LC-Reihenschwingkreis
entsteht. Durch die Rechteckpulsansteuerung des ersten und des zweiten
Schaltelementes S1 und S2 wird die Gleichspannungsdifferenz alternierend
erst zwischen Punkt 6 und Punkt 5 angelegt und danach zwischen Punkt
5 und Punkt 6. Wird als Gleichspannung U0 =
6 V gewählt, dann liegt im ersten Fall am Punkt 6 3 V gegen das
Grundpotential GND (0 V) an Punkt 5 an und im zweiten Fall liegt
an Punkt 5 6 V gegen die halbe Gleichspannung von 3 V am Punkt 6
an. In bekannter Weise fallen bei einem durch eine Wechselspannung angeregten
LC-Reihenschwingkreis, insbesondere in der Nähe seiner
Eigenfrequenz, Einzelspannungen an der Kapazität und der
Induktivität des Schwingkreises an, die in ihren Maxima
deutlich größer sind als die anliegende Gleichspannung,
aus der die Wechselspannung elektronisch erzeugt wird. Insoweit
treibt die Induktivität mit ihrer Spannung den piezoelektrischen
Aktuator als Last mit einer Maximalspannung, die deutlich über
der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle liegt, welche über
die H-Brückenschaltung in alternierender Weise der Last
zugeführt wird. In einer exemplarischen Ausführungsform ist
die Schaltfrequenz etwa f = 87 kHz, die Kapazitäten des
ersten und zweiten Kondensators C1 und C2 sind zu etwa C = 1 μF
gewählt, die Induktivität des Bauteils L ist zu
L = 330 μH gewählt und die Last, hier ein piezoelektrischer
Aktuator, hat eine Gesamtkapazität von etwa CP =
5 nF. Die Gleichspannungsquelle liefert hier eine Gleichspannung
von U0 = 6 V.
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Bei
diesen Werten entsteht eine sinusförmige Spannung an der
Last P und ein sinusförmiger Strom fließt durch
die Last P. Das Ergebnis ist in 3 gezeigt.
Es ist das Resultat einer Schaltungssimulation mit den genannten
Werten. Der sinusförmige Spannungsverlauf am piezoelektrischen
Aktuator UP ist als durchgezogene Linie
eingezeichnet. Die absolute Maximalspannung am piezoelektrischen Aktuator
erreicht dabei Maximalwerte von Abs[UP(max)]
= 27.3 V, die Spitzen-zu-Spitzen-Versorgungsspannung beträgt
hier also 54.6 V. Der Stromverlauf am piezoelektrischen Aktuator
ist als gepunktete Linie eingezeichnet (die absolute Höhe ist
relativ). Das Bauteil L (hier eine Spule) wirkt aufgrund seiner
Induktivität als zusätzliche Spannungsquelle,
sodass die Last P mit einer deutlich höheren Spannung betrieben
werden kann als sie von der Gleichspannungsquelle geliefert wird.
Die Induktivität (hier L = 330 μH) des als Spule
realisierten Bauteils L ist dabei von dem Wert der Gleichspannung
der Gleichspannungsquelle (hier U0 = 6 V)
und der Schaltfrequenz f abhängig zu wählen, damit
eine sinusförmige Spannung und ein sinusförmiger
Strom realisiert werden. Für Schaltfrequenzen im Bereich 30
kHz–300 kHz ergeben sich bei der gegebenen Last Induktivitätswerte
im Bereich von etwa L = 150–470 μH. Es ist dabei
nicht not wendig, dass der piezoelektrische Aktuator in seiner Resonanzfrequenz
angetrieben wird, aber es ist im Sinne eines hohen Wirkungsgrades
sinnvoll, zumindest in der Nähe der Resonanz anzuregen.
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In 4 ist
schematisch ein exemplarisches Beispiel für ein Elektrogerät 100 gezeigt,
in dem eine Schaltungsanordnung S gemäß 1 oder 2 zum
Einsatz kommt. Die Schaltungsanordnung S ist an eine Ansteuerelektronik
A gekoppelt und mit einer Gleichspannungsquelle U0 verbunden.
Die Gleichspannungsquelle kann eine Batterie oder ein Akkumulator
sein. Alternativ kann das Elektrogerät durch eine externe
Gleichspannungsquelle versorgt werden. Mit der Schaltungsanordnung
S ist ein piezoelektrischer Aktuator P als Last verbunden. Der piezoelektrische
Aktuator P wird durch die Schaltungsanordnung S zur Vibration angeregt.
Der piezoelektrische Aktuator wirkt dabei mechanisch auf eine Flüssigkeit
ein, die sich in einem Reservoir 102 befindet und durch
die mechanische Vibrationsanregung durch die Poren einer Membran 103 in
an sich bekannter Weise gepresst wird, sodass ein Nebel 110 aus
feinsten Flüssigkeitströpfchen gebildet wird.
Der Nebel kann etwa zur Luftbefeuchtung dienen oder als zu inhalierender
Nebel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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