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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Biegewandler mit einem Verbund aus mindestens zwei piezoelektrischen
Schichten.
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Bei einem derartigen Biegewandler
wird der inverse oder reziproke piezoelektrische Effekt genutzt,
bei dem aufgrund einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung
zwischen den mechanischen und den elektrischen Zuständen eines
Kristalls ein äußeres elektrisches
Feld eine den Kristall deformierende mechanische Spannung erzeugt.
Die gängigsten
piezoelektrischen Materialien werden auf der Basis des ferroelektrischen
Kristalls Bleizirkonattitanat Pb(ZrxTi(1–X)O3 hergestellt. Für die Herstellung einer derartigen
Keramik wird das piezoelektrische Material in polykristalliner Form
verarbeitet.
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Der piezoelektrische Biegewandler
besteht aus mindestens zwei Lagen, wobei mindestens eine Lage piezoelektrisch
aktiv ist (Single- oder Multilayertechnologie). Dabei werden Piezoaktoren
mit einer passiven Lage und einer piezokeramischen Komponente als
Mono- oder Unimorph und Systeme aus zwei piezokeramischen Komponenten
sowie einer passiven Zwischenlage als Trimorph bezeichnet. Zwei
oder mehr piezokeramische Komponenten ohne Zwischenlagen werden
als Bimorph bzw. als Multimorph bezeichnet.
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In der so genannten Singlelayertechnologie ist
dabei die Piezokeramik aus einer Lage aufgebaut, während bei
der Multilayertechnologie die piezokeramische Komponente aus mehreren
aktiven piezokeramischen Lagen aufgebaut ist. So ist beispielsweise der
multimorphe Biegewandler ein piezokeramischer Multilayer ohne passive
Zwischenschicht.
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Durch das jeweilige individuelle
Design des Biegewandlers können
Auslenkungen von einigen Millimetern und Kräfte bis zu einigen Newton sowie kurze
Stellzeiten erzielt werden. Dadurch kann der Biegewandler als leistungsfähiges und
schnelles Stellelement eingesetzt werden. Aufgrund des Sensor- und
Aktorverhaltens der Piezokeramik ergibt sich eine Vielzahl von unterschiedlichen
Anwendungsmöglichkeiten
in den Bereichen der Elektrotechnik, des Maschinenbaus, der Akustik,
der Automatisierungstechnik, der Nachrichtentechnik, der Informationstechnologie
und des Automobilbaus sowie in vielfältigen weiteren Einsatzgebieten.
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Für
diese Einsatzmöglichkeiten
des Biegewandlers als piezoelektrisches Stellglied oder Piezoaktor
sind dessen Leerlaufauslenkung und dessen Blockierkraft die ausschlaggebenden
mechanischen Kenngrößen. In
diesen Kenngrößen unterscheiden sich
die beiden Hauptformen, nämlich
der so genannte Stapelwandler und der Biegewandler, prinzipiell. So
erzeugt ein Stapelwandler eine vergleichsweise geringe Auslenkung
von typischerweise weniger als 100μm bei gleichzeitig vergleichsweise
großer
Blockierkraft von z.B. 2 kN. Demgegenüber erzeugt ein Biegewandler
eine hohe Auslenkung von typischerweise größer 1mm bei vergleichsweise
geringer Blockierkraft von maximal 0,5 kN.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen piezoelektrischen Biegewandler anzugeben, der einerseits eine
möglichst
große
Leerlaufauslenkung, d.h. einen möglichst
großen
Auslenkungshub oder -weg und andererseits eine möglichst große Blockier- oder Stellkraft
erzeugt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruches 1. Dazu ist ein Biegewandler mit einem
Verbund aus mindestens zwei bezogen auf eine Verbindungsfläche zueinander
parallel liegenden piezoelektrischen Schichten mit jeweils mindestens
einer mit einem Elektrodenpaar kontaktierten Lagen vorgesehen, wobei
bei deren elektrischer Ansteuerung in der ersten Schicht der so
genannte d33-Effekt und in der zweiten Schicht der
d31-Effekt genutzt wird.
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Unter d33-Effekt oder Längseffekt
wird hierbei die Übereinstimmung
der infolge einer Ansteuerspannung erzeugten Feldrichtung und der
Kraftwirkungs- und Dehnungsrichtung bezeichnet. Beim d31-Effekt
oder Quereffekt verlaufen demgegenüber die Feldrichtung sowie
die Kraftwirkungs- oder Dehnungsrichtung quer oder senkrecht zueinander.
Dabei sind d33 und d31 der
piezoelektrische Modul für den
in der ersten Schicht realisierte Längseffekt bzw. für den in
der zweiten Schicht genutzten Quereffekt; vgl. hierzu G. Pfeifer
in "Piezoelektrische lineare Stellantriebe", "Wissenschaftliche
Schriftreibe der Technischen Hochschule Karl-Marx-Stadt", Juni 1982 (ISSN
0323/6374).
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Mit anderen Worten: Während die
beiden Schichten hinsichtlich deren intrinsischer Dehnungsrichtung
zueinander sowie zu deren gemeinsamer Verbindungsfläche parallel
liegen, verläuft
bei der ersten Schicht deren kristallographische Normale und bei
der zweiten Schicht deren kristallographische Grundebene parallel
zur Verbindungsfläche.
Bezogen auf ein kartesisches Koordinatensystem mit in der xy-Ebene
liegender Verbindungsfläche
und in x-Richtung verlaufender Längsseite
des Verbundes erstreckt sich die Schichtdicke der zweiten Schicht
in Übereinstimmung
mit der Definition des d31-Effektes in z-Richtung. In diesem
Koordinatensystem des Verbundes verläuft die der Definition des
d33-Effektes zugrunde liegende z-Richtung
der ersten Schicht in x-Richtung.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass eine besonders große
oder hinreichende und damit moderate Leerlauf- oder Aktorauslenkung einerseits
und eine besonders hohe Blockier- bzw. Aktorkraft andererseits erreicht
werden kann, wenn der entsprechende Biegewandler stapelunterstützt ist.
Dies wiederum kann erreicht werden, wenn ein d31-Aktor
und ein d33-Aktor miteinander kombiniert werden.
Die Kombination kann dann zu einem diese beiden Kriterien gleichzeitig
erfüllenden
Biegewandler führen,
wenn innerhalb eines mehr schichtigen Verbundes mindestens eine nach
Art eines Stapelaktors wirksame und in die Verbindungsebene gelegte oder
gekippte Schicht vorhanden ist. Deren eine in Dehnungsrichtung verlaufende
Längsseite
bildet dann die Verbindungsfläche
zur nach Art eines typischen Biegewandlers ausgebildeten und damit
entsprechend wirksamen anderen Schicht.
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Die erste aktivierbare Schicht umfasst zweckmäßigerweise
eine Mehrzahl oder eine Vielzahl von zu einem Stapel gefügten Lagen,
die auf der Verbindungsfläche
des Verbundes senkrecht und somit in der Verbindungsebene nebeneinander
stehen. Auch die Elektroden der ersten Schicht und somit die Elektrodenpaare
deren Lagen verlaufen senkrecht zur Verbindungsfläche, so
dass die Feldrichtung der ersten Schicht bei deren Ansteuerung mit
einer elektrischen Spannung parallel zur Dehnungsrichtung verläuft.
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Die Elektroden der zweiten aktivierbaren Schicht – und bei
deren zweckmäßigerweise
ebenfalls mehrlagigen Aufbau die Elektrodenpaare – verlaufen
parallel zur Verbindungsfläche
und damit senkrecht zu den Elektroden bzw. Elektrodenpaaren der
ersten Schicht. Die durch die elektrische Spannung erzeugte Feldrichtung
der zweiten Schicht verläuft
somit quer zu deren Kontraktionsrichtung oder negativer Dehnungsrichtung.
Aufgrund des in dieser Ausführungsform
mehrlagigen Aufbaus des Verbundes und des damit gebildeten mehrlagigen
stapelunterstützten
Biegewandlers kann die erforderliche Ansteuerspannung reduziert
werden.
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Für
die beiden Schichten des Verbundes können unterschiedliche piezoelektrische
Materialien verwendet werden. Der Verbund kann dabei mittels Klebetechnik
gefertigt sein. Vorteilhafterweise wird der Verbund jedoch monolytisch,
d.h. durch einen gemeinsamen Sinterprozess hergestellt.
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Zur Erzielung einer möglichst
hohen Zuverlässigkeit
ist zwischen die beiden piezoelektrischen und damit aktiven Schich ten
des Verbundes eine nicht-piezoelektrische und damit inaktive Schicht
eingefügt.
Diese, nachfolgend auch als inaktive Zwischenlage bezeichnete Schicht
besteht zweckmäßigerweise
aus einem Faser- oder Faserverbundmaterial. Dieses Zwischenlagenmaterial
wird dabei, insbesondere auch durch geeignete Dotierungen, derart gewählt, dass
durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der beiden
aktiven Schichten bedingte störenden
Eigenschaften des Verbundes minimiert werden. Insbesondere werden durch
die inaktive Zwischenlage mechanische Spannungen im Bereich der
gemeinsamen Verbindungsfläche
durch Kompensation ggf. unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten
der beiden Schichten reduziert, so dass der Verbund bei gleichzeitig
langer Lebensdauer hohen Zug- und/oder Druckbelastungen standhält.
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Die Verbindungsfläche zwischen den beiden aktiven
oder aktivierbaren Schichten bzw. zischen diesen und der inaktiven
Zwischenlage liegt wiederum in einer Ebene, zu der die Lagen der
ersten Schicht senkrecht stehen und in der die Lagen nebeneinander
angeordnet sind, während
die Lagen der zweiten Schicht zu dieser Ebene parallel verlaufen.
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In zweckmäßiger Weiterbildung sind die Elektroden
gleicher Polarität
jeder Lage der ersten Schicht und/oder jeder Lage der zweiten Schicht
im Bereich der Verbindungsfläche
zusammengeführt. Bei
einem aus den beiden aktiven Schichten und der inaktiven Zwischenlage
gebildeten Verbund sind dabei die Elektroden gleicher Polarität auf der
der jeweiligen Schicht zugewandten Verbindungsseite der Zwischenlage
jeweils über
eine gemeinsame Kontaktierung miteinander elektrisch leitend verbunden.
Die Aufbringung der im Verbund räumlich
separierten Elektroden unterschiedlicher Polarität auf die Lagen der ersten
bzw. der zweiten Schicht kann beispielsweise mit herkömmlicher
Siebdrucktechnik erfolgen.
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Eine erhebliche Vereinfachung der
für die elektrische
Ansteuerung erforderlichen Leitungs- oder Verbindungsflächen wird
dadurch erreicht, dass die Kontaktierung der zweiten Schicht über eine Durchkontaktierung
(vias) in der Zwischenlage auf die der ersten Schicht zugewandte
Verbindungsfläche
oder -seite geführt
sind.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, dass mit einem Verbund aus einer nach
Art eines Stapelaktors wirksamen piezoelektrischen ersten Schicht
und einer mit deren Längsseite
möglichst
ganzflächig
verbundenen zweiten piezoelektrischen Schicht bei elektrischer Ansteuerung
beider Schichten ein hoch-effektiver Biegewandler bereitgestellt
ist. Dabei können
bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit
des Biegewandlers Auslenkhübe
oder -wege von z. B. lmm und Blockier-, Aktor- oder Stellkräfte von
z. B. ≥ 2kN
realisiert werden. Dadurch können
bisher eingesetzte konstruktiv aufwändige Kraft-Weg-Übersetzungen
in Form geeigneter Hebelvorrichtungen ersetzt werden, zumal deren Zuverlässigkeit
für die üblichen
Anwendungen nicht ausreicht.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
in einer Explosionsdarstellung einen piezoelektrischen Biegewandler
mit einem d33-Aktor und einem d31-Aktor,
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2 in
perspektivischer Darstellung einen mehrschichtigen und mehrlagigen
Verbund aus einem Stapelaktor und einem zweilagigen Biegeaktor sowie
einer inaktiven Zwischenlage,
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3 in
Explosionsdarstellung einen Ausschnitt III aus 2 in größerem Maßstab mit einer Elektrodenanordnung
zweier benachbarter Stapellagen, und
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4 in
einer Darstellung gemäß 3 einen Ausschnitt IV aus 2 in größerem Maßstab mit einer Elektrodenanordnung
der Wandlerlagen.
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Einander entsprechende Teile sind
in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen zweischichtigen Biegewandler 1 mit zwei piezoelektrisch
aktiven oder aktivierbaren Schichten 2 und 3, die bei deren Verbindung über eine
gemeinsame Verbindungsfläche 4 zu einem
Verbund zusammengefügt
sind. Zur elektrischen Ansteuerung mittels einer zweckmäßigerweise
gemeinsamen Ansteuerspannung Ua sind die
beiden Schichten 2 und 3 mit jeweils paarweise gegenüber liegenden
Elektroden 5a, 5b bzw. 6a, 6b versehen.
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Die Elektroden 5a, 5b der
ersten Schicht 2 sind an deren Schmalseiten oder Stirnflächen 7a bzw. 7b angebracht.
Die beiden Elektroden 6a, 6b der zweiten Schicht
3 sind an deren vergleichsweise großflächigen Längsseiten 8a bzw. 8b aufgebracht. Diese
großflächigen Längsseiten 8a, 8b der
zweiten Schicht 3 verlaufen dabei parallel zur gemeinsamen Verbindungsfläche 4, während hierzu
die beiden Elektroden 5a und 5b ebenso wie die
zugehörigen Stirnflächen 7a bzw. 7b der
ersten Schicht 2 senkrecht stehen.
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Bei Ansteuerung der zweckmäßigerweise aus
einer piezoelektrischen Keramik auf der Basis von Bleizirkonattitanat
bestehenden ersten Schicht 2 verläuft das dadurch erzeugte elektrische
Feld E2 parallel zur infolge des reziproken
Piezoeffektes resultierenden Dehnungsrichtung S2.
Die erste Schicht 2 zeigt somit bei deren elektrischen Ansteuerung
den sogenannten d33-Effekt mit d33·e2 = S2 > 0. Der Index „3" repräsentiert
dabei im auf die erste Schicht 2 bezogenen kartesischen Koordinatensystem
K1 die z-Achse oder z-Richtung.
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Demgegenüber zeigt die zweite Schicht
3 den sogenannten d31-Effekt mit d31·e3 = S3 < 0. Die Indizes „3" und „1" repräsentieren
dabei im auf die zweite Schicht 3 sowie auf den aus den beiden Schichten
2, 3 gebildeten Verbund bezogenen kartesischen Koordinatensystem
K2 die z-Richtung bzw. die (–)x- Richtung. Dabei sind
d33 und d31 der piezoelektrische Modul und e2 sowie
e3 das Elastizitätsmodul der piezokeramischen
ersten Schicht 2 bzw. der piezokeramischen zweiten Schicht 3.
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Sind innerhalb des Verbundes oder
Biegewandlers 1 die erste Schicht 2 und die zweite Schicht 3 über die
Verbindungsfläche 4 miteinander
fest verbunden, so verlaufen die intrinsischen Dehnungsrichtungen
S2 und S3 der beiden
Schichten 2 bzw. 3 zueinander sowie zur Verbindungsfläche 4 parallel.
Bezüglich
der zweiten Schicht 3 ist deren kristallographische Grundebene parallel
zu der in der xy-Ebene liegenden Verbindungsfläche 4. Demgegenüber ist bezüglich der
ersten Schicht 2 deren kristallographische Normale parallel zur
Verbindungsfläche
4 und damit zur xy-Ebene des dem kartesischen Koordinatensystem
K2 zugeordneten Verbundes. Die Richtung des infolge der elektrischen
Ansteuerspannung Ua in der zweiten Schicht 3 erzeugten elektrischen Feldes
E3 verläuft
quer zur Dehnungsrichtung S3 der zweiten
Schicht 3 und somit in z-Richtung des Verbundes.
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Infolge der Ansteuerspannung Ua dehnt
sich die obere erste Schicht 2 in der dargestellten Dehnungsrichtung
S2 aus. Dabei resultiert aufgrund der möglichst
ganzflächigen
Fixierung der der zweiten Schicht 3 zugewandten großflächigen Längsseite oder
Längsfläche 9b der
ersten Schicht 2 im Bereich der gemeinsamen Verbindungsfläche 4 eine
Biegung oder Wölbung
der ersten Schicht 2. Analog bewirkt die Kontraktion der unteren
zweiten Schicht 3 in Kontraktionsrichtung S3 (-x)
ebenfalls eine Wölbung
der zweiten Schicht 3 in dieselbe Richtung infolge wiederum der
möglichst
ganzflächigen
Verbindung der zweiten Schicht 3 im Bereich der gemeinsamen Verbindungsfläche 4 zur
ersten Schicht 2.
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Bei Fixierung des Verbundes beispielsweise im
Bereich der beiden schmalseitigen Seiten- oder Stirnflächen 7a und 10a der
beiden Schichten 2 bzw. 3 und damit des Verbundes erfolgt eine Auslenkung auf
der gegenüber
liegenden Stirnseite 7b,
10b in Auslenk- oder
Biegerichtung 11. Dabei sind sowohl der Biegehub als auch
die Biegekraft im Vergleich zu einem herkömmlichen Aktor, d. h. einem
Biegewandler oder einem Stapelaktor relativ groß.
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2 zeigt
in perspektivischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform
eines stapelunterstützten
Biegewandlers 1, dessen erste Schicht 2 aus einer Vielzahl
von Stapellagen L21...L2n besteht.
Auch die zweite Schicht 3 kann aus mehreren Lagen L3n bestehen
und somit in Multilayertechnologie ausgeführt sein. Im Ausführungsbeispiel
gemäß den 2 bis 4 ist die zweite Schicht 3 aus zwei Lagen
L31 und L32 aufgebaut.
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Der mehrlagige Biegewandler 1 gemäß den 2 bis 4 weist innerhalb dessen Verbundes eine inaktive
Zwischenlage 12 auf, die aus einem Faserverbundmaterial,
z. B. aus Kohle- oder Glasfasern, vorzugsweise jedoch aus Kunststoff-
oder Aramitfasern besteht. Wesentlich dabei ist, dass der Ausdehnungskoeffizient
der Zwischenlage möglichst
gering, vorzugsweise sogar negativ ist. Dadurch ist der Verbund
insgesamt auch bei Temperaturunterschieden oder -schwankungen stabil,
vollzieht also keine allein temperaturbedingte und damit unbeabsichtigte
Biegung.
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Aus den 3 und 4 ist
die Kontaktierung der Elektroden 5a, 5b bzw. 6a, 6b an
den Ansteuerflächen
der einzelnen Lagen L2n, L3n der
ersten Schicht 2 bzw. der zweiten Schicht 3 schematisch dargestellt. 4 zeigt dabei eine gedrehte
Ansicht auf die Kontaktierungsseite der Zwischenlage 12 in 1. Die Elektroden 5a und 5b der
ersten Schicht 2 sind hinsichtlich deren Polarität getrennt und dabei mit auf
der der ersten Schicht 2 zugewandten Verbindungsseite 13 der
Zwischenlage 12 aufgebrachten Kontaktierungsabschnitten 14 und 15 elektrisch
leitend verbunden. Diese Kontaktierungsabschnitte 14, 15 ragen über die
erste Schicht 2 hinaus (1)
und können
dort als Anschlussflächen
für entsprechende (nicht
dargestellte) elektrische Verbindungsleitungen zum Anlegen der Ansteuerspannung
Ua dienen.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, sind die Elektroden 6a und 6b der
einzelnen Lagen L3n der zweiten Schicht
3 auf der dieser zugewandten Verbindungsseite 16 der Zwischenlage 12 ebenfalls
mit entsprechenden Kontaktierungsflächen 17 bzw. 18 je
Polarität
elektrisch leitend verbunden. Dazu sind die Elektroden 6a, 6b der
einzelnen Lagen L3n mit stirnseitigen Umkontaktierungen 19, 20 verbunden.
Die beiden Kontaktflächen 17, 18 unterschiedlicher
Polarität der
zweiten Schicht 3 sind über
auch in 1 angedeutete
Durchkontaktierungen 21 bzw. 22 in der Zwischenlage 12 auf
deren der ersten Schicht 2 zugewandten Verbindungsseite 13 geführt und
dort mit den Kontaktbereichen 14 bzw. 15 der entsprechenden
Polarität
elektrisch leitend verbunden.
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Somit sind zur Ansteuerung des die
beiden aktiven Schichten 2 und 3 aufweisenden Verbundes und damit
des piezoelektrischen Biegewandlers 1 lediglich zwei Anschlusskontaktierungen
für die
Ansteuerspannung Ua erforderlich.