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Schaltungstechnische Konzepte zur Wandlung mechanischer in elektrische Energie in Beinprothesen mittels Piezokeramik

Kretschmar, Florian :
Schaltungstechnische Konzepte zur Wandlung mechanischer in elektrische Energie in Beinprothesen mittels Piezokeramik.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2004)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

In der Beinprothetik werden immer mehr aktive Elemente eingebaut, die einen angenehmeren Bewegungsablauf ermöglichen sollen. Diese Elemente müssen mit elektrischer Energie versorgt werden. In einem Gemeinschaftsprojekt des Fraunhofer Instituts und dem Institut für Systemzuverlässigkeit im Maschinenbau, ist daher ein Konzept erarbeitet worden, welches die potenzielle Energie in einer Beinprothese mittels eines Piezowandlers in elektrische Energie umwandelt. Diese kann allerdings nicht direkt füur die Versorgung der Prothesenelektronik benutzt werden, da sie prinzipbedingt diskontinuierlich in Form einer hohen Spannung auftritt.

Auf dem Markt angebotene elektrische Energiewandler erfüllen nicht die Anforderungen, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Aus diesem Grund ist in der vorliegenden Diplomarbeit ein Schaltungskonzept erarbeitet worden, welches die elektrische Energie mit möglichst hohem Wirkungsgrad in ein Strom-Spannungsregime wandelt, was die Elektronik versorgen kann. Die Schaltung soll sich selbstständig versorgen und die gewandelte Energie in einem Speicher zur Verfügung stehen.

Die vom einem Piezoelement gewonnene elektrische Leistung ist abhängig von der mechanischen Energie, die eingekoppelt wird, aber auch von den elektrischen Bedingungen, mit denen die elektrische Energie aus dem Piezo entnommen wird. Aus diesem Grund ist eine umfangreiche Konzeptentwicklung durchgeführt worden.

Um den notwendigen Selbstanlauf der Schaltung aber auch die Impedanzanpassung für den optimalen Wirkungsgrad der Energiewandlung zu ermöglichen, wird eine Kombination aus zwei Wandlerarten eingesetzt. Mit der ”Direkt Ladung“ wird die Energie vom Piezoelement direkt in den Speicher geleitet. Dies ermöglicht den Selbstanlauf der Schaltung. Über den zweiten Wandler, der nach dem Grundprinzip eines Schaltwandlers arbeitet, wird die Impedanzanpassung erreicht.

Eine verlustarme diskret aufgebaute Regelung schaltet zwischen den Wandlerarten um. Diese regelt auch, dass die Ladung des Piezos erst nach dem Erreichen der Maximalspannung abgezogen wird, was eine weitere Wirkungsgradsteigerung hervorruft.

In PSpice durchgeführte Simulationen und erste Versuchsaufbauten zeigen, dass die Regelung vom erarbeiteten Ansatz her funktioniert. Der Wirkungsgrad der Schaltung liegt nach ersten abschätzenden Berechnungen bei ca. 80%. Dieser Wert ist allerdings messtechnisch noch zu bestätigen.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2004
Autor(en): Kretschmar, Florian
Titel: Schaltungstechnische Konzepte zur Wandlung mechanischer in elektrische Energie in Beinprothesen mittels Piezokeramik
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

In der Beinprothetik werden immer mehr aktive Elemente eingebaut, die einen angenehmeren Bewegungsablauf ermöglichen sollen. Diese Elemente müssen mit elektrischer Energie versorgt werden. In einem Gemeinschaftsprojekt des Fraunhofer Instituts und dem Institut für Systemzuverlässigkeit im Maschinenbau, ist daher ein Konzept erarbeitet worden, welches die potenzielle Energie in einer Beinprothese mittels eines Piezowandlers in elektrische Energie umwandelt. Diese kann allerdings nicht direkt füur die Versorgung der Prothesenelektronik benutzt werden, da sie prinzipbedingt diskontinuierlich in Form einer hohen Spannung auftritt.

Auf dem Markt angebotene elektrische Energiewandler erfüllen nicht die Anforderungen, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Aus diesem Grund ist in der vorliegenden Diplomarbeit ein Schaltungskonzept erarbeitet worden, welches die elektrische Energie mit möglichst hohem Wirkungsgrad in ein Strom-Spannungsregime wandelt, was die Elektronik versorgen kann. Die Schaltung soll sich selbstständig versorgen und die gewandelte Energie in einem Speicher zur Verfügung stehen.

Die vom einem Piezoelement gewonnene elektrische Leistung ist abhängig von der mechanischen Energie, die eingekoppelt wird, aber auch von den elektrischen Bedingungen, mit denen die elektrische Energie aus dem Piezo entnommen wird. Aus diesem Grund ist eine umfangreiche Konzeptentwicklung durchgeführt worden.

Um den notwendigen Selbstanlauf der Schaltung aber auch die Impedanzanpassung für den optimalen Wirkungsgrad der Energiewandlung zu ermöglichen, wird eine Kombination aus zwei Wandlerarten eingesetzt. Mit der ”Direkt Ladung“ wird die Energie vom Piezoelement direkt in den Speicher geleitet. Dies ermöglicht den Selbstanlauf der Schaltung. Über den zweiten Wandler, der nach dem Grundprinzip eines Schaltwandlers arbeitet, wird die Impedanzanpassung erreicht.

Eine verlustarme diskret aufgebaute Regelung schaltet zwischen den Wandlerarten um. Diese regelt auch, dass die Ladung des Piezos erst nach dem Erreichen der Maximalspannung abgezogen wird, was eine weitere Wirkungsgradsteigerung hervorruft.

In PSpice durchgeführte Simulationen und erste Versuchsaufbauten zeigen, dass die Regelung vom erarbeiteten Ansatz her funktioniert. Der Wirkungsgrad der Schaltung liegt nach ersten abschätzenden Berechnungen bei ca. 80%. Dieser Wert ist allerdings messtechnisch noch zu bestätigen.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Impedanzwandler, Schaltwandler, Wandler piezoelektrisch, Wandleroptimierung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 07 Sep 2011 10:32
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1550

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 02-01-2004

Ende Datum: 31-03-2004

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1550
Gutachter / Prüfer: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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