Entwicklung und Aufbau einer 3-Achsen PZT-Steuerung mit Regelung

Entwicklung und Aufbau
einer 3-Achsen PZT-Steuerung
mit Regelung
Diplomarbeit
von
Sven Brehmer
Betreuung durch
Dipl.-Ing. Dirk Culemann
Lehrstuhl Hochfrequenztechnik
Universität Dortmund
Prof. Dr.-Ing. E. Voges
Dezember 1995

Zusammenfassung
Das im Rahmen dieser Diplomarbeit angefertigte Gerät dient zur Ansteuerung von Piezotranslatoren, die als
präzise Positioniereinrichtungen in der optischen Meßtechnik eingesetzt werden.
Die Steuerung verfügt über drei voneinander unabhängige Kanäle, die über geeignete analoge Ein- und
Ausgänge fernbedienbar sind. Der Piezotranslator wird über eine BNC-Buchse angeschlossen. Über eine 5-
polige Steckbuchse besteht die Möglichkeit einen im Translator integrierten Dehnungsmeßstreifen
anzuschließen, um mit einem geschlossenen Positionsregelkreis zu arbeiten.
Für jeden Kanal kann man zwischen einer Spannungs- und einer Positionsregelung umschalten. Eine 4½stellige
digitale Anzeige zeigt die anliegende Spannung in V oder die Ausdehnung in µm an. Sie läßt sich für
die einzelnen Kanäle umschalten.
Die gesamte Schaltung ist in ein 19" Tischgehäuse eingebaut, welches genug Raum für Erweiterungen läßt.

Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung..........................................................................................................................2
2. Erzeugung und Regelung der Hochspannung .................................................................9
2.1. Einführung............................................................................................................9
2.2. Erzeugung und Regelung der Hochspannung mit einem Schaltregler.....................9
2.3. Erzeugung und Regelung der Hochspannung mit einem stetigen Regler ..............11
3. Gesamtkonzept ...............................................................................................................20
4. Detaillierte Schaltungsbeschreibung..............................................................................23
4.1. Hochspannungserzeugung ..................................................................................23
4.2. Hochspannungsregelung .....................................................................................26
4.3. Meßverstärker ....................................................................................................29
4.4. Versorgungs- und Referenzspannungen ..............................................................31
5. Aufbau und Inbetriebnahme der PZT-Steuerung.........................................................33
5.1. Mechanischer Aufbau .........................................................................................33
5.2. Inbetriebnahme der PZT-Steuerung ....................................................................35
5.3. Abgleich der einzelnen Baugruppen ....................................................................35
5.4. Vergleich des spannungs- und des positionsgeregelten
Ausdehnungsverhalten des PZT ..........................................................................36
6. Bedienungsanleitung für die PZT-Steuerung ................................................................38
6.1. Bedienungselemente ...........................................................................................38
6.2. Betrieb der PZT-Steuerung.................................................................................39
6.3. Ansteuerung der Piezotranslatoren......................................................................39
7. Ausblick...........................................................................................................................40
Anhang A: Liste der verwendeten Literatur.....................................................................41
Anhang B: Datenblätter für verschiedene Halbleiterbauelemente...................................42
Anhang C: Schaltpläne, Layouts und Materiallisten........................................................44
1

Kapitel 1
Einleitung
Diese Diplomarbeit behandelt den Aufbau und die Entwicklung einer Steuerung für Piezotranslatoren (PZT),
das sind elektrisch steuerbare Stellelemente für sehr genaue Stellbewegungen im nm bis mm Bereich.
Die Funktionsweise von PZT basiert auf dem piezoelektrischen Effekt. Er beschreibt die Fähigkeit einiger
Kristalle (z.B. Quarz, Turmalin, Seignettesalz, Bariumnitrat), durch die Einwirkung äußerer Druck- und
Zugkräfte eine elektrische Ladung zu erzeugen. Der Piezoeffekt wurde 1880 von den Gebrüdern Curie
entdeckt. Anwendungsbeispiele sind: elektrische Feuerzeuge, Tonabnehmer, Mikrophone und Drucksensoren.
Bei PZT wird der inverse Piezoeffekt, das Material verformt sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes,
genutzt. Weitere Anwendungen des inversen Piezoeffektes sind: Tintenschreibwerke, Ultraschallerzeugung,
Stoßwellenerzeugung und seit Mitte der achtziger Jahre auch Piezomotoren.
Voraussetzung für den Piezoeffekt ist eine unsymmetrische Kristallstruktur. Die Ladungsschwerpunkte der
Kristalle werden durch die äußere Kraft getrennt, wodurch eine elektrische Spannung entsteht. Für technische
Anwendungen werden polykristalline Sinterkeramiken (z.B. Blei-Zirkonium-Titanat Verbindungen) eingesetzt.
Die Gitterstruktur solcher Verbindungen ist tetragonal, die dadurch entstehenden Dipole ordnen sich zu
Domänen, deren Polarisationsrichtung ungeordnet ist (siehe Abb. 1.1[2]). Die ursprünglich isotrope Keramik
zeigt keinen Piezoeffekt, erst durch Polarisierung werden die Dipolmomente der Domänen in eine
Vorzugsrichtung gebracht. Die nun anisotrope Keramik zeigt den gewünschten Piezoeffekt.
Abbildung 1.1: Polarisierung des Keramikmaterials
Der Piezoeffekt ist näherungsweise proportional zur angelegten elektrischen Spannung. Die maximale
Ausdehnung des Materials wird durch Feldstärken von 2 kV/mm erreicht. Kommerziell verfügbare Keramiken
gibt es in Schichtdicken von 0,06 mm bis 1 mm [1]. In stark vereinfachter Form läßt sich der Zusammenhang
zwischen elektrischer Feldstärke E und Ausdehnung L mit der folgenden Formel beschreiben:
L d( ij) L E
(1.1)
d(ij) ist die piezoelektrische Ladungskonstante, sie beschreibt das Verhältnis zwischen mechanischer Spannung
und elektrischer Verschiebung.
2

KAPITEL 1: EINLEITUNG 3
Die Ausdehnung eines Piezo ist nicht exakt proportional zur angelegten Spannung. Der Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Ausdehnung läßt sich durch eine Hysteresekurve darstellen (siehe Abb
1.2[1]).
Abbildung 1.2: Hysteresekurve eines PZT
Die relative Größe der Hysterese zum verstellten Weg bleibt konstant. Nach dem Ausdehnungsvorgang eines
Piezo durch eine angelegte Spannung läßt sich eine Driftbewegung in die gleiche Richtung beobachten. Die
Ursache dieser Driftbewegung ist eine Nachpolarisation des Keramikmaterials. Der Driftverlauf kann mit
folgender Formel [1] abgeschätzt werden:
t
L( t) L( 1
lg )
(1.2)
0 , 1s

KAPITEL 1: EINLEITUNG 4
ist eine material- und belastungsabhängige Proportionalitätskonstante und liegt zwischen 0,01 und 0,02 [1].
Die Länge eines Piezo und der Piezoeffekt hängen von der Temperatur ab, die Größenordnungen dieser
Temperaturabhängigkeiten sind in einem Bereich von -40 bis +80 ºC vernachlässigbar klein.
Um PZT als genaue Stellelemente einsetzen zu können, ist es notwendig die Hysterese- und Drifteffekte
auszuschalten. Das kann man durch geeignete Wegaufnehmer in Verbindung mit einem geschlossenen
Regelkreis erreichen. Gängige Wegaufnehmer sind Dehnungsmeßstreifen (DMS), induktive Sensoren,
Wirbelstromsensoren und kapazitive Sensoren.
PZT stellen mechanisch ein Feder-Masse System dar, elektrisch läßt sich das durch ein Ersatzschaltbild (siehe
Abb. 1.3) darstellen.
L1
C 0
R1
C1
Abbildung 1.3: Ersatzschaltbild eines PZT
Bei langsamen Bewegungen (bis zu einigen Hz) tritt nur die Hauptkapazität C 0 in Erscheinung. Bei höheren
Frequenzen muß der Serienschwingkreis (L1, R1 und C1), der den Einfluß der bewegten Masse und der
Steifigkeit beschreibt, berücksichtigt werden.
Die gebräuchlichste Bauform für PZT ist die Stapelbauweise [1] (siehe Abb. 1.4), dabei werden mehrere dünne,
kontaktierte Keramikplättchen zu einem Stapel verklebt.

KAPITEL 1: EINLEITUNG 5
Abbildung 1.4: Stapelbauweise von PZT
d 33 ist die piezoelektrische Ladungskonstante (siehe Gleichung 1.1), n ist die Anzahl der Keramikplättchen, F
ist eine am PZT angreifende Kraft und U ist die angelegte Spannung. Längenausdehnungen bis ca.150 µm sind
mit dieser Bauform erreichbar, dieser Stellbereich kann durch mechanische Wegübersetzung bis zu einem
Faktor 10 vergrößert werden.
Zur räumlichen Positionierung werden drei PZT zu einem 3-Achsen-Positioniersystem zusammengefaßt. In der
optischen Meßtechnik werden diese zur Ankopplung von Lichtwellenleitern an integriert optische Schaltungen
eingesetzt.
Die in dieser Diplomarbeit verwendeten PZT von der Firma Physik Instrumente haben einen Verstellweg von
20 µm, eine Nennspannung (entspricht der Maximalausdehnung) von -1000 V und eine Kapazität C 0 von 38
nF. Als Wegaufnehmer besitzt der PZT einen DMS der aus einer temperaturkompensierten 700 Vollbrücke
(siehe Abb. 1.5) besteht, die Auflösung des DMS beträgt 20 nm[1].

KAPITEL 1: EINLEITUNG 6
Abbildung 1.5: DMS des verwendeten PZT
Vorgaben für die Entwicklung der 3-Achsen PZT-Steuerung mit Regelung:
Ausgangsspannung von ca. -20 V bis -1000 V
Umschaltbar auf Spannungs- oder Positionsregelung
3 Kanäle für ein 3-Achsen System
Genauigkeit 0,1% (d.h. 20 nm positionsgeregelt oder 1 V spannungsgeregelt)
Temperaturstabiltät in einem Bereich von 30 C10 K
3½-stellige digitale Anzeige in Volt und µm
Vorgabe der Sollwerte über ein Potentiometer und/oder über einen externen Eingang (auf 10 V normiert)
Ausgang für den Istwert (auf 10 V normiert)
Einbau in ein 19´´ Tischgehäuse
Auf die Wirkungsweise von Piezotranslatoren wurde in diesem Kapitel näher eingegangen. Das 2. Kapitel
beschäftigt sich mit verschiedenen Konzepten zur Erzeugung und Regelung der benötigten Hochspannung. Im
3. Kapitel wird ausgehend von den vorgegebenen Randbedingungen ein Gesamtkonzept vorgestellt. Im
darauffolgenden Kapitel wird die detaillierte Funktionsweise der einzelnen Komponenten beschrieben. Das 5.
Kapitel beschreibt den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Abgleich des Geräts. Das 6. Kapitel enthält eine
kurze Bedienungsanleitung. Zum Schluß folgt ein Ausblick über mögliche Erweiterungen.
Der Anhang enthält eine Liste der verwendeten Literatur, die Datenblätter bzw. Literaturhinweise zu den
Datenblättern der verwendeten Bauelemente und sämtliche Schaltpläne, Platinenlayouts und Materiallisten der
einzelnen Baugruppen.

Kapitel 2
Erzeugung und Regelung der Hochspannung
2.1. Einführung
Für die Ansteuerung von PZT des Herstellers Physik Instrumente vom Typ PZT 172.07 benötigt man eine
Gleichspannung zwischen ca. 0 und -1000 V (siehe Kapitel 1), die notwendige Genauigkeit der
Ausgangsspannung erfordert eine Regelung.
Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten eine Gleichspannung zu regeln, entweder durch einen Schaltregler
oder durch einen stetigen Regler. Für einen stetigen Regler muß eine Hochspannung bereitgestellt werden, die
etwas höher als die Ausgangsspannung sein muß (hier ca. -1100 V). Die folgenden Abschnitte behandeln die
verschiedenen Konzepte. Auf die in der Diplomarbeit verwendeten Schaltungen wird dabei ausführlicher
eingegangen, während die alternativen Konzepte nur vorgestellt werden.
2.2. Erzeugung und Regelung der Hochspannung mit einem Schaltregler
Bei Schaltreglern wird in [3] und [4] zwischen primär- und sekundärgetakteten Reglern unterschieden.
U e U a
I a
Abbildung 2.1: Primärgetakteter Schaltregler
Beim primärgetakteten Schaltregler (siehe Abbildung 2.1) wird die gleichgerichtete Netzwechselspannung (ca.
340 V) über einen Leistungsschalter auf einen Hochfrequenzübertrager geschaltet. Die durch anschließende
Gleichrichtung und Filterung entstehende Gleichspannung wird durch Variation der Ein- und Ausschaltphasen
geregelt. Die galvanische Trennung vom Netz erfolgt dabei über den Hochfrequenzübertrager.
7

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 8
I a
U e U a
Abbildung 2.2: Sekundärgetakteter Schaltregler
Beim sekundärgetakteten Schaltregler (siehe Abbildung 2.2) wird eine durch Netztransformator und
Gleichrichtung erzeugte Gleichspannung verwendet. Die Gleichspannung wird über einen Schalttransistor an
einen Hochfrequenzübertrager geschaltet. Die Ausgangsspannung wird durch Variation der Ein- und
Ausschaltphasen geregelt. Durch anschließende Gleichrichtung und Filterung entsteht eine geregelte
Gleichspannung. Die Ausgangsspannung errechnet sich zu:
U
a
t
ein
tein
t
aus
ü U
(2.1)
e
Die Schaltfrequenz sollte möglichst hoch gewählt werden, um eine geringe Welligkeit und eine hohe
Energieeffizienz zu erreichen. Die Baugröße des Übertragers und der Glättungskondensatoren nimmt mit
steigenden Frequenzen ab, daher bedeutet eine hohe Frequenz auch eine Platzersparnis. Die Schnelligkeit des
Schalttransistors und die Ansteuerschaltung begrenzen diese Frequenz nach oben, üblich sind (siehe [3] und
[4]) Frequenzen um 100 kHz. Die bei diesen Frequenzen auftretende Störstrahlung spricht gegen eine
Anwendung dieses Konzeptes in der Meßtechnik. Außerdem handelt es sich bei Schaltnetzteilen um eine nicht
einfach zu beherrschende Schaltungstechnik, daher wurde dieses Konzept nicht weiter verfolgt.
2.3. Erzeugung und Regelung der Hochspannung mit einem stetigen Regler
Für einen nachfolgenden stetigen Regler wird eine Hochspannung von ca. -1200 V benötigt. Sie muß höher als
die notwendigen 1000 V sein, um Netzschwankungen zu kompensieren und um den Spannungsabfall des
Stellgliedes zu berücksichtigen. Die einfachste Methode zur Erzeugung einer Hochspannung ist die
Verwendung eines geeigneten Transformators und eine anschließende Gleichrichtung und Siebung (siehe Abb.
2.3).
I a
U a
Last
Abbildung 2.3: Hochspannungserzeugung mit einem Transformator
Bei einer benötigten Gleichspannung U a von ca. -1200 V beträgt die Ausgangswechselspannung des
Transformators:

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 9
U
U
a
2
850 V
(2.2)
Daraus ergibt sich eine Übersetzung von:
U
850V
ü 4 (2.3)
U 230V
Netz
Derartige Transformatoren sind nicht handelsüblich, man benötigt daher eine Sonderanfertigung. Der
Brückengleichrichter muß in diesem Fall diskret aus spannungsfesten Dioden aufgebaut sein, da integrierte
Gleichrichter für derartige Spannungen nicht erhältlich sind.
Bei Verwendung eines handelsüblichen Trenntransformators (ü=1) könnte man zur Erzeugung der
Hochspannung eine Spannungsvervielfacherschaltung einsetzen z.B. eine Greinacherschaltung [4] (siehe
Abbildung 2.4).
n=1 n=n
Die Ausgangsspannung errechnet sich zu:
Abbildung 2.4: Greinacherschaltung
U 2n 2 U
(2.4)
A
eff
Mit n=2 und U eff =230 V ergibt sich eine Ausgangsspannung U a von ca. 1300 V. Der hohe Aufwand an
spannungsfesten (bis zu U a /n) Kondensatoren mit ausreichender Kapazität, um eine geringe Welligkeit bei
Belastung zu gewährleisten, und der Aufwand, die Kondensatoren beim Ausschalten zu entladen sprechen
gegen diese Methode.

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 10
Ein weiteres mögliches Konzept ist die Verwendung eines handelsüblichen Transformators mit ü=230/400
(Spannungsebenen im Versorgungsnetz) und einer Delonschaltung [4] zur Spannungsverdopplung.
400 V
U a
Abbildung 2.5: Delonschaltung
Die Ausgangsspannung der Delonschaltung errechnet sich zu:
U
a
2 2 U
(2.5)
eff
Mit U eff =400 V erhält man eine Spannung U a von ca. 1100 V. Versuche einen preisgünstigen
Steuertransformator, der zur Erzeugung von 230 V aus 400 V vorgesehen ist, in umgekehrter Richtung zu
benutzen scheiterten aus folgenden Gründen:
Die Ausgangsspannung des Steuertransformators betrug in der Praxis nur ca. 350 V.
Die Spannung verringerte sich stark beim Anschließen einer Last.

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 11
Die zur Erzeugung der Hochspannung in dieser Diplomarbeit verwendete Methode ist eine leicht modifizierte
Variante der zu Anfang beschriebenen Methode. Es werden drei Steuertransformatoren verwendet, mit denen
jeweils drei Gleichspannungen erzeugt werden, die in Serie geschaltet werden (siehe Abbildung 2.6).
U a
Abbildung 2.6: Verwendete Hochspannungserzeugung
Für die Ausgangsspannung U a erhält man (siehe Gleichung 4.1) ca. 1500 V. Die Vorteile dieser Variante
liegen in der Verwendung handelsüblicher preiswerter Steuertransformatoren 1L1-1L3 (STS 20/4/23, 20 VA)
und von einfachen Gleichrichterdioden mit Sperrspannungen von 1000 V.
Um die Hochspannung (ca. -1200 V) von -20 bis -1000 V regeln zu können, bedarf es eines Stellgliedes, das
für Hochspannung geeignet ist und einfach anzusteuern sein sollte. Ein Stellglied ist im Prinzip ein
veänderbarer Widerstand. Es gibt zwei Möglichkeiten das Stellglied anzuordnen, in Serie oder parallel zur
Last. Der Längsregler (siehe Abbildung 2.7), mit der Serienschaltung von Stellglied und Last, ist die
gebräuchlichste Variante.

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 12
U e
U a
Last
U soll
Abbildung 2.7: Prinzip des Längsreglers
Das Stellglied wird entsprechend der Soll- und Istspannung beeinflußt. Der Vollständigkeit halber ist das
Prinzip des Querreglers (siehe Abbildung 2.8) kurz aufgeführt.
R V
U e
U a
U soll
Abbildung 2.8: Prinzip des Querreglers
Die Vorteile des Querreglers sind Kurzschlußsicherheit und Stabilisierung sowohl bei Spannungsaufnahme der
Last als auch bei Spannungsabgabe der kapazitiven Last. Die Nachteile sind :
Die Anordnung setzt auch im Leerlauf die volle Leistung um.
Die Last liegt direkt an der Eingangsspannung.
Die maximale Sperrspannung des Stellgliedes muß U e sein.
Bei einem Ausfall der Regelung liegt die Eingangsspannung U e am Ausgang U a.
Sinnvoll ist der Einsatz eines Querreglers nur für eine annähernd konstante Last.

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 13
Ein Längsregler kann z.B. durch einen Transistor als Emitterfolger realisiert werden (siehe Abbildung 2.9).
I a
U e
U BE
U a
U REF
Die Ausgangsspannung errechnet sich dabei zu:
Abbildung 2.9: Emitterfolger als Stellglied
Ua U
Re f
U
BE
(2.6)
Diese Schaltung wird zur Vorregelung der Hochspannung eingesetzt (siehe Kapitel 3 und 4.1). Um eine
verstellbare Ausgangsspannung zu erhalten, könnte man folgendes Prinzip anwenden (siehe Abbildung 2.10)
I a
U e
U BE
U ST
U a
Abbildung 2.10: Emitterfolger als einstellbares Stellglied
Durch Änderung der Spannung U st kann man die Spannung U a verändern. Dieses Verfahren läßt sich jedoch
für eine Ausgangsspannung von 0 bis -1000 V nicht ohne weiteres anwenden, da die Kollektor-Emitter-
Spannung von Transistoren im allgemeinen maximal 1000 V beträgt.

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 14
Eine andere Möglichkeit ein Stellglied zu realisieren, geht von der Clampschaltung (siehe Abbildung 2.11) als
Grundprinzip aus.
U CE
I q
I B
U BE
U e
U a
Abbildung 2.11: Clampschaltung
Der Spannungsabfall U CE der Schaltung in Abb. 2.11 ist, falls I q >>I B ist, relativ unabhängig vom Laststrom
I L . Der Strom durch R1 und R2 ist dann näherungsweise I q . Über einen weiten Laststrombereich kann man
U BE als Konstantspannungsquelle mit ca. 0,7 V ansehen, dann fließt über R2 ein eingeprägter Strom I R2 =0,7
V/R2I q . Mit diesen Voraussetzungen gilt für U CE :
U
CE
U
BE
R1
( 1
)
R2
(2.7)
Zusammen mit
U U
BE CB
und U
CE
U
BE
U
CB
(2.8)
R2 R1
erhält man:
U I ( R1 R2 )
(2.9)
CE
q
Der Spannungsabfall U CE läßt sich also durch das Verhältnis von R1/R2 einstellen, falls I q >>I B ist. Ersetzt
man nun R2 durch einen Optokoppler (siehe Abbildung 2.12), ist es möglich, den Spannungsabfall U CE mit
einer Steuerspannung U St einzustellen. Durch die Verwendung eines Darlingtontransistors erhöht sich die
Stromverstärkung B und die Bedingung I q >>I B ist einfacher zu erfüllen.

KAPITEL 2: ERZEUGUNG UND REGELUNG DER HOCHSPANNUNG 15
U ST
U e
I St
U a
I q
U BE
U längs
Abbildung 2.12: Clampschaltung mit Optokoppler
Um ein geeignetes Hochspannungsstellglied zu erhalten, schaltet man mehrere Clampglieder in Serie, die
Spannungsabfälle teilen sich, durch die Wahl gleicher Widerstandswerte R, gleichmäßig auf. Die folgende
Abbildung zeigt dieses Prinzip.
U ST
U e
I St
U a
I q
U längs
Abbildung 2.13: Prinzip der seriellen Clampschaltung
Ein Problem dieses Stellgliedes ist, daß es nicht möglich ist U a auf 0 V zu stellen. Nimmt man ideale
Halbleiter an (die sperrenden Stelltransistoren können vernachlässigt werden und der durchgeschaltete
Optokoppler leitet ideal), dann errechnet sich U a nach der Spannungsteilerformel zu:
U
a
RLast
(2.10)
4 R R
Last
Also muß das Verhältnis R zu R Last möglichst groß gewählt werden (siehe Kapitel 4.2).

Kapitel 3
Gesamtkonzept
In diesem Kapitel wird ein Gesamtkonzept für die PZT-Steuerung vorgestellt. Zur Verdeutlichung dient das
Blockschaltbild (siehe Abbildung 4.1). Da es sich um eine 3-Achsen Steuerung handelt, sind die Blöcke 3 und
4 jeweils dreimal zur Ansteuerung von insgesamt drei unabhängigen PZT vorhanden.
BLOCK 1
BLOCK 3
Piezo
PZT
-1100 V
Hochspannungserzeugung
Hochspannungsregelung
IST_V
DMS
IST
Spg/Pos
U_DMS
SOLL
REL
ANZ_V
IST_µ
BLOCK 2
Versorgungsund
Referenz-
Spannungen
+15 V
-15V
5 V
BLOCK 4
Meßverstärker
Monitor
10 V
Sollwert
ca. 18V
Netz
Sp.
Vers.
Anzeige
Anzeige
Kanal Y
Kanal Z
v/µm
Kanal Y
Kanal Z
Netz 230 V
Kanalwahlschalter
Abbildung 4.1: Gesamtblockschaltbild
In Block 1 wird die Netzwechselspannung hochtransformiert, anschließend gleichgerichtet und gesiebt, so daß
eine Gleichspannung von mindestens -1200 V vorhanden ist. Anschließend wird die Spannung mit einem
Längsregelglied auf ca. -1100 V geregelt und durch Kondensatoren vorgesiebt. Als Schutzmaßnahme erhält der
Block 1 eine Strombegrenzung, um die Regeltransistoren im Falle einer Überlastung vor Zerstörung zu
schützen. Der zweite Block stellt die benötigten Versorgungs- und Referenzspannungen für die Blöcke 3 und 4
und für die Anzeige bereit. Zusätzlich trennt Block 2 die Hochspannung über ein Relais von Block 3. Im
ausgeschalteten Zustand wird die Hochspannung über einen geeigneten Widerstand (ca.100 k) gegen Masse
geschaltet, um die Hochspannungskondensatoren so beim Ausschalten schnell zu entladen. Da die
16

KAPITEL 3: GESAMTKONZEPT 17
Selbstentladung über parallel geschaltete Widerstände (ca. 100k pro Kondensator zur gleichmäßigen
Aufteilung der Spannung) mit ca. 10 min sehr lange dauert, würden bei Wartungs- und Reparaturarbeiten
somit unnötige Wartezeiten entstehen. Die Versorgungs- und Referenzspannungen werden mit handelsüblichen
integrierten Festspannungsreglern und Referenzspannungsquellen erzeugt.
In Block 3 wird die Ausgangspannung Piezo (für den Piezotranslator) durch die Addition der Spannung SOLL
(extern über BNC-Buchse) mit der Spannung am Potentiometer Sollwert eingestellt, dieser Block ist für jeden
Kanal einmal vorhanden. Als Stellglied für die Ausgangsspannung wird die in Kapitel 2.3 beschriebene serielle
Clampschaltung verwendet. Die Hochspannung wird über einen Optokoppler galvanisch von der
Regelschaltung getrennt. Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt über einen Differenzintegrator und hat
somit eine PI-Charakteristik. Die Sollwerte können sowohl intern über das Potentiometer Sollwert als auch über
die BNC-Buchse Soll pro Kanal vorgegeben werden. Die Spannung IST_V (Istwert für den
Spannungsregelbetrieb) wird über einen Spannungsteiler am Ausgang von Block 3 abgegriffen. Die Spannung
IST_µ (Istwert für den Positionsregelbetrieb) ist das in Block 4 verstärkte Signal des DMS. Mit dem
verwendeten Stellglied (siehe Kapitel 2) ist es nicht möglich eine Spannung von 0 V zu erzeugen, da selbst bei
vollständig sperrenden Transistoren ein Strom durch die Widerstände R (siehe Abbildung 2.13) fließt. Am
Ausgang befindet sich, parallel zum PZT, eine ohmsch-kapazitive Last, die einen definierten Stromfluß
gewährleistet, da PZT (siehe Kapitel 1) eine rein kapazitive Last darstellen. Bei maximaler Ausgangsspannung
von -1000 V und einem Lastwiderstand von 1 M fließt ein Strom von
1 mA, die Verlustleistung ist dann 1W.
Der Meßverstärker Block 4 wertet die Spannung U_DMS am DMS des PZT aus. Der DMS ist eine 700
Vollbrücke. Die Brücke wird mit 5 V gespeist. Um Schwankungen und Ungenauigkeiten durch
Drifterscheinungen zu vermeiden, wird zur Verstärkung der Brückenspannung ein Instrumentenverstärker
verwendet. Die DMS-Brücke wird zur Vermeidung von Störungen mit geschirmten Leitungen angeschlossen.
Die Spannungen IST_µ und Anzeige_µ werden durch Verstärkung des Signals U_DMS erzeugt. Durch
Verstellen der Verstärkung und durch das Verschieben des Nullpunktes wird der Meßverstärker für den PZT
kalibriert.
Die Steuerung ist auch ohne den Schaltungsblock 4 einsetzbar. Der Verstellweg des PZT ist näherungsweise
proportional zur angelegten Spannung (siehe Kapitel 1).

Kapitel 4
Detaillierte Schaltungsbeschreibung
4.1. Hochspannungserzeugung
Alle Bauteilangaben beziehen sich auf den kompletten Schaltplan in Abbildung C.1 im Anhang C. Aus der
Netzwechselspannung wird mit Hilfe von drei Steuertransformatoren 1L1-1L3 (STS 20/4/23, 20VA) drei mal
ca. 350 V Wechselspannung erzeugt. Die Transformatoren sind in der Lage einen Strom von 50 mA zu liefern,
sie sind (siehe Strombegrenzung) großzügig dimensioniert. Die einzelnen Wechselspannungen werden mit
Brückengleichrichtern 1G1-1G3 gleichgerichtet und in Reihe geschaltet. Die so gewonnene Gleichspannung
wird mit Siebungskondensatoren 1C1-1C4 grob geglättet und mit einem Transistorstellglied 1T1-1T2 in
Kollektorschaltung auf eine konstante Spannung von ca. -1100 V gestellt. Desweiteren ist eine
Strombegrenzung auf ca. 25 mA eingebaut. Diese Spannung wird erneut durch Siebungskondensatoren 1C6-
1C9 geglättet. Die Ausgangsgleichspannung ergibt sich zu:
U
3 2 U
3 2 ( 350V
10%)
(4.1)
1483V
150V
Dieser Wert wird in der Praxis durch die endliche Kapazität der Siebungskondensatoren und durch den
Spannungsabfall an den Gleichrichterbrücken unterschritten, allerdings sind die benötigten -1100 V
Ausgangsspannung problemlos zu erreichen.
Die Gleichrichterbrücken 1G1-1G3 sind diskret aus jeweils 4 Dioden vom Typ 1N4007 (siehe Anhang B
Datenblatt 1N4007) aufgebaut. Die Dioden haben eine maximale Sperrspannung von 1000 V und einen
maximal zulässigen Durchlaßstrom von 1 A und sind somit großzügig dimensioniert. Der beim Einschalten
auftretende Stoßstrom hängt vom Innenwiderstand der Transformatorwicklungen ab und errechnet sich, mit
Gleichung 4.1 und einem gemessenen Innenwiderstand R i =350 zu:
I
stoß
U
0
V
A
R
1600
152
3 350 , (4.2)
i
Er liegt deutlich unter dem zulässigen maximalen Stoßstrom von 200 A (siehe Anhang B Datenblatt 1N4007).
Die Siebungskapazitäten setzen sich aus jeweils vier in Reihe geschalteten 400 µF Elektrolytkondensatoren
1C1-1C4 und 1C6-1C9 mit einer Spannungsfestigkeit von 330 V zusammen, parallel zu jedem Kondensator ist
ein 120 k Widerstand 1R1-1R4 und 1R8-1R11 geschaltet, um für eine gleichmäßige Aufteilung der
Gesamtspannung auf die Kondensatoren zu sorgen. Die Gesamtausgangslast dieser Schaltung setzt sich aus
einer Parallelschaltung der drei 1 M Lastwiderstände 3R32 (je einen pro Kanal) und der 120 k
Entladewiderstände 1R8-1R11 zusammen:
18

KAPITEL 4: DETAILLIERTE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG 19
3R32 3R32 3R32 ( 1R8 1R9 1R10 1R11)
180 k
(4.3)
Mit einem abgeschätzten Strom von ca. 10 mA, bei einer Spannung von ca. -1100 V, und der angenommenen
Aufladung der Kondensatoren im Scheitelpunkt der gleichgerichteten Wechselspannung mit 50 Hz errechnet
sich die Brummspannung zu[3]:
I t
mA ms
u
10 10
1V
C 100 F
(4.4)
Diese abgeschätzte geringe Brummspannung kann für weitere Betrachtungen vernachlässigt werden.
Das Transistorstellglied ist aus zwei NPN-Transistoren 1T1-1T2 in Darlingtonschaltung und Z-Dioden als
Referenz aufgebaut. Bei den Transistoren handelt es sich um den Typ BU508A (siehe Anhang B Datenblatt
BU508A) mit einer maximalen Kollektor-Emitter-Spannung von 700 V. Die geringe Verstärkung der
Transistoren B10 macht eine Darlingtonschaltung erforderlich. Die maximal auftretende Kollektor-Emitter-
Spannung beträgt mit einer Ausgangsspannnung U a =1120 V (aus 1Z2, 1Z4-1Z7) für diesen Fall[3]:
U U U
CE MAX eMAX
a
1650V 1120V 530V
(4.5)
Durch drei 200 V Z-Dioden 1Z1, 1Z3 und 1Z9 parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke werden die Transistoren
erstens vor Überspannung und zweitens gegen Rückspeisung (beim Ausschalten des Geräts) der kapazitiven
Last geschützt. Die Referenzspannung wird mit einem Widerstand 1R6, der den Strom durch die Z-Dioden
bestimmt, und fünf 200 V Z-Dioden 1Z2, 1Z4-1Z7 und einer 120 V Z-Diode 1Z8 erzeugt. Bei einem
minimalen Ausgangsstrom (nur durch 1R8-1R11), einer maximalen Eingangsspannung U emax =1650 V und
einem Maximalstrom von I Zmax =5 mA durch die Z-Dioden (Verlustleistung max.1 W) errechnet sich der
minimale Wert für den Widerstand 1R6 wie folgt:
1R
6
min
U
emax
U
106 k
120 k
I
Z max
Z
1650V
1120V
5mA
(4.6)

KAPITEL 4: DETAILLIERTE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG 20
Parallel zu den Z-Dioden befindet sich ein 10 nF Kondensator 1C5 zur Auskopplung hochfrequenter
Störungen. Die Strombegrenzung besteht aus dem Transistor BC237B (siehe Anhang B Datenblatt BC237B)
1T3 und den Widerständen 1R6 und 1R7. Übersteigt der Spannungsabfall an 1R6 etwa 0,7 V, dann wird 1T3
leitend und begrenzt den Basisstrom am Transistorstellglied. Damit wird ein weiteres Ansteigen des
Ausgangsstromes verhindert. 1R7 mit einem Widerstand von 200 begrenzt den Basisstrom von 1T3. 1R6
errechnet sich zu:
R
U BE 0,
7V
1T
3
28 30 (4.7)
I 25 mA
Amax
Bei Hochspannungsversorgungen ist es notwendig, die Siebungskondensatoren beim Ausschalten schnell zu
entladen. Die Schaltung hierzu wurde in Kapitel 2 bereits kurz beschrieben, und wird in Kapitel 4.4
ausführlich behandelt.
4.2. Hochspannungsregelung
Alle Bauteilangaben beziehen sich auf den kompletten Schaltplan in Abbildung C.7 im Anhang C. Dieser
Schaltungsteil dient dazu, die Ausgangsspannung stufenlos mit Transistorstellgliedern von ca. -20 V bis -1000
V abhängig von einer vorgegebenen Spannung oder Ausdehnung zu regeln. Die Eingangsspannung von -1100
V wird von der im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Einheit bereitgestellt.
Das Stellglied besteht aus einer seriellen Clampschaltung (siehe Abbildung 4.1) mit vier
Darlingtontransistoren. Da eine negative Hochspannung gestellt werden soll und die Ansteuerschaltung auf
gemeinsamer Masse mit der Hochspannung liegen soll, ist die Clamp-Schaltung mit PNP-Transistoren
aufgebaut.
Abbildung 4.1: Schaltplanauszug Stellglied
Die Darlingtontransistoren sind aus jeweils zwei PNP-Transistoren MJE350 3T5-3T12 aufgebaut. Die
Transistoren haben eine maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung von 350 V (siehe Anhang B
Datenblatt MJE350). Die gleich großen Widerstände 3R16, 3R19, 3R22 und 3R24 18 M sorgen dafür, daß

KAPITEL 4: DETAILLIERTE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG 21
der Spannungsabfall an den Transistoren gleich ist. Außerdem bestimmen sie zusammen mit dem
Lastwiderstand 3R32 1 M die minimal erreichbare Ausgangsspannung. Nimmt man ideale Halbleiter an (die
sperrenden Stelltransistoren können vernachlässigt werden und der durchgeschaltete Phototransistor leitet
ideal), dann errechnet sich die Spannung PIEZO min nach der Spannungsteilerformel zu:
PIEZO 3R32
min
Uein
3R16 3R19 3R22 3R24 3R32
1 M
1120V
15V
4 18 M1
M
(4.8)
Der Querstrom durch 3R16, 3R19, 3R22 und 3R24, der letztendlich die Ausgangsspannung einstellt, wird
durch den Phototransistor des Optokopplers 3T13 (siehe Anhang B Datenblatt IL74) bestimmt. Der
Optokoppler ist wegen der galvanischen Trennung der Regelung notwendig und wird durch den
Operationsverstärker 3J5 angesteuert.
Dieser Operationsverstärker bildet das Kernstück der Regelschaltung (siehe Abbildung 4.2) und ist als
Differenzintegrator geschaltet.
SOLL
U_SOLL
IST
IST_V
IST_µ
SOLL_INT
U_AUS
Abbildung 4.2: Schaltplanauszug Regelung
Die Schaltung bildet die Differenz aus dem Istwert und dem Sollwert und integriert sie auf. Die Zeitkonstante T
des Integrators errechnet sich aus:
T 3R26 3C25 3R27 3C27 0, 1 s
(4.9)

KAPITEL 4: DETAILLIERTE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG 22
Die Ausgangsspannung U_AUS errechnet sich dann im Zeitbereich wie folgt:
U
1
T
t
( U ( t) U ( t)) dt
(4.10)
AUS SOLL IST
0
Die Eingangsspannung IST_V wird aus einem Präzisionsspannungsteilernetzwerk 3R28-3R31 gewonnen und
beträgt 1/100 der Ausgangsspannung. Im Spannungsregelbetrieb dient diese Spannung als Istwert. Im
Positionsregelbetrieb liefert die Spannung IST_µ den Istwert.

KAPITEL 4: DETAILLIERTE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG 23
Die Spannung ANZEIGE_V beträgt 1/1000 der Ausgangsspannung und wird als Spannungssignal für die
Anzeige benutzt.
Die Spannung U_SOLL wird durch Addition der, mit dem Potentiometer 3R17 eingestellten, Spannung
SOLL_INT mit der Spannung SOLL und anschließender Invertierung gewonnen. Die Spannung U_SOLL ist der
auf -10 V normierte Sollwert für die Regelung. Da die minimale Ausgangsspannung (siehe Gleichung 4.8) -15
V beträgt, wird die Spannung IST minimal
-150 mV. Da die Regelschaltung ständig versucht die Spannungsdifferenz (zwischen dem positiven und dem
negativen Eingang des Operationsvestärkers 3J5) zu Null werden zu lassen, würde der Operationsverstärker
3J5 übersteuert werden, wenn U_SOLL zwischen 0 V und -150 mV liegt. Aufgrund der relativ großen
Zeitkonstante der Regelung (siehe Gleichung 4.9) und einer längeren Erholungszeit des überlasteten
Operationsverstärkers entstehen in diesem Fall Sprünge in der Ausgangsspannung. Das läßt sich durch die
Vorgabe einer minimalen Spannung U_SOLL (ca. -150 mV) mit dem Trimmpotentiometer 3R18 vermeiden.
Mit dem Potentiometer 3R23 wird die Verstärkung des Addierers (3J4, 3R20, 3R21 und 3R23) eingestellt, um
eine auf -10 V normierte Spannung U_SOLL zu erhalten.
Als Operationsverstärker wurden UA741 (siehe Anhang B Datenblatt UA741) verwendet, sie zeichnen sich
durch Robustheit, einfache Handhabung und einen günstigen Preis aus. Die geringe Anstiegsgeschwindigkeit
des UA741 ist für diesen Anwendungsfall nicht von Belang. An den Versorgungsanschlüssen der
Operationsverstärker befinden sich jeweils 100 nF Blockkondensatoren (3C23, 3C24, 3C26 und 3C27) gegen
Masse um Störungen zu unterdrücken. Die Schwankungen von U_SOLL durch die Temperaturdrift der
Offsetspannung (12 µV/K) von 3J4 und 3J5 liegen bei einer angenommenen Temperaturänderung von
30 C10 K mit 120 µV deutlich unter 0,1% (entsprechen 10 mV).
Der hier beschriebene Schaltungsteil ist dreimal identisch aufgebaut vorhanden, zur Ansteuerung je eines PZT
für die X-, Y-, und Z-Richtung.
4.3. Meßverstärker
Alle Bauteilangaben beziehen sich auf den kompletten Schaltplan in Abbildung C.10 im Anhang C. Dieser
Schaltungsteil dient dazu, die Brückenspannung des DMS zu verstärken und die für einen PZT kalibrierte
Ausgangsspannung IST_µ (0 bis -10 V) zu generieren.

KAPITEL 4: DETAILLIERTE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG 24
Messungen der Brückenspannung bei einer empfohlenen Speisespannung von 5 V (siehe Herstellerangaben
[1]) haben folgendes ergeben:
Spannung am PZT in V
Brückenspannung in mV
14 2,6
285 3,9
577 5,5
1000 8,0
Tabelle 4.1: Zusammenhang zwischen Spannung und Brückenspannung
Die Spannung IST_µ muß sich im Bereich von 0 V bis -10 V bewegen. Die Tabelle zeigt, daß eine Verstärkung
um ca. -1000 notwendig ist, um das benötigte Ausgangssignal zu erhalten. Die angestrebte Genauigkeit der
Ausgangsspannung (siehe Kapitel 1) von 0,1% bei einer angenommenen Temperaturänderung von 30 C10 K
ergibt bei einer Brückenspannungsdifferenz von 5 mV eine Temperaturdrift, die kleiner als 0,5 µV/K sein muß.
Diese Vorgaben erfordern den Einsatz eines Instrumentenverstärkers. Die Auswahl des
Instrumentenverstärkers erfolgte aufgrund der technischen Daten und der verfügbaren Quellen. Entscheidend
bei der Auswahl war die Temperaturdrift der Eingangsoffsetspannung und der Verstärkung. Die Auswirkungen
der Verstärkungdrift sind mit max. 10ppm/K gering. Erlaubt wären bei einer angenommenen
Temperaturänderung von 30 C10 K 100 ppm/K. Es standen drei in Bezug auf Eingangsoffsetdrift,
Verstärkung und Preis etwa gleichwertige Typen zur Auswahl. Die Wahl fiel auf einen PGA204 der Firma
BURR BROWN (siehe Anhang B Datenblatt PGA204) aus folgenden Gründen:
Einfach zu handhaben, da eine Verstärkung von 1000 durch pin-stripping eingestellt werden kann und
somit keine externen Widerstände, die eine zusätzliche Fehlerquelle darstellen, notwendig sind.
günstiger Preis
problemlose Lieferbarkeit
Der DMS ist über eine abgeschirmte Leitung an den Eingang des Instrumentenverstärkers 4J6 angeschlossen.
Die Meßbrücke wird mit 5 V gespeist. Die so gewonnene Ausgangsspannung des Instrumentenverstärkers liegt
zwischen 2,5 V und 8 V. Die Spannung wird mit Hilfe eines Addierers (4J7, 4R36-4R39) mit einer
einstellbaren Verstärkung um -1,9 auf eine Spannung zwischen 0 und -10 V gewandelt. Mit dem
Spannungsteiler aus den Widerständen 4R33 und 4R35 und dem Trimmpotentiometer 4R34 wird der
Nullpunkt eingestellt. Mit dem Trimmpotentiometer 4R38 wird die Verstärkung verändert. Mit diesen
Trimmpotentiometern wird der Meßverstärker für einen bestimmten PZT kalibriert (siehe Kapitel 5). Die so
gewonnene Ausgangsspannung IST_µ wird im positionsgeregelten Betrieb als Istwert verwendet. Die zweite
Operationsverstärkerschaltung ist ein Verstärker mit der Verstärkung
-1, sie liefert die Spannung Anzeige_µ für den Monitorausgang und für die Anzeige in µm. Die Spannung liegt
zwischen 0 und 10 V. Als Operationsverstärker 4J7 und 4J8 werden in diesem Schaltungsteil UA741 eingesetzt
(siehe Anhang B Datenblatt UA741). Die Offsetspannungschwankungen bei Temperaturänderung von 30 C
10 K liegen mit 240 µV deutlich unter 0,1%(entsprechen 10 mV). An den Versorgungsanschlüssen der
VerstärkerICs befinden sich jeweils 100 nF Blockkondensatoren (4C30-4C35) gegen Masse um hochfrequente
Störungen zu unterdrücken.
Der hier beschriebene Schaltungsteil ist dreimal identisch aufgebaut vorhanden, zur Ansteuerung je eines PZT
für die X-, Y-, und Z-Richtung.
4.4. Versorgungs- und Referenzspannungen
Alle Bauteilangaben beziehen sich auf den kompletten Schaltplan in Abbildung C.2 im Anhang C. Aus der
Netzwechselspannung wird mit dem Transformator 2L4/5 zweimal eine Wechselspannung von 15V erzeugt.

KAPITEL 4: DETAILLIERTE SCHALTUNGSBESCHREIBUNG 25
Mit einer Leistung von 14 VA ist der Transformator großzügig (wie eine worst-case Abschätzung zeigt)
dimensioniert. Die Wechselspannungen werden mit den Brückengleichrichtern 2G4 und 2G5 gleichgerichtet
und mit 100 µF Siebkondensatoren 2C9 und 2C10 geglättet. Diese Gleichspannungen
U
2 15V 21 V
(4.11)
werden mit einem 7815 Festspannungsregler 2J1 auf 15 V und einem 7915 Festspannungsregler 2J2 auf -15 V
geregelt. Am Ausgang befinden sich 2,2 µF Tantalelektrolytkondensatoren 2C11 und 2C12 um hochfrequente
Störungen zu unterdrücken. Diese beiden Spannungen sind die Versorgungsspannungen für das gesamte Gerät.
Aus den +21 V wird zusätzlich mit einer 10 V-Referenzspannungsquelle REF01 (siehe Anhang B Datenblatt
REF01CP) die Spannung REF_10V erzeugt. Diese Spannung dient zum Einstellen der Sollwerte mit den
Potentiometern 3R17(je einer pro Kanal). Die Spannungschwankungen bei Temperaturänderung von 30 C10
K liegen mit
U
REF
0,
002V
0 00
_ 10V
10 V 0 , 01
K
10 K
(4.12)
unter 0,1% Abweichung. Aus den 10 V wird mit einem Spannungsteiler 2R12 = 2R13 = 12 k (5 ppm/K) eine
Spannung von 5 V erzeugt. Die Ausgangsleistung dieser Spannung wird durch einen nachgeschalteten
Operationsverstärker 2J3 als Spannungsfolger und einem NPN-Transistor 2T4 erhöht. Damit die so gewonnene
Spannung REF_5V unempfindlich gegen hochfrequente Störungen ist, befindet sich am Ausgang ein 100 µF
Elektrolytkondensator 2C22 gegen Masse. Die Spannungsänderung bei Temperaturänderung von 30 C10 K
wird, durch den Einfluß des Spannungsteilers 2R12/2R13 (ca. 8ppm bei Annahme, daß 2R12 mit der
Temperatur steigt währendd 2R13 sinkt) etwas mehr beeinflußt als durch REF_10V und beträgt damit 0,008 V.
Die Spannung REF_5V ist die Speisespannung für die DMS-Brücken. Die Meßbrücke hat einen Widerstand
von 700 , bei drei Meßbrücken fließt ein Strom von ca. 25 mA. Um eine Drift der Spannung durch
Erwärmung der Halbleiter zu vermeiden, ist die Schaltung bewußt überdimensioniert. Als Anzeige für die
Spannung oder die Ausdehnung wird ein Digitalvoltmeter verwendet. Die Spannungen +/-15 V versorgen ein
Relais REL, welches im eingeschalteten Zustand die -1100 V Hochspannung zu den Hochspannungsreglern
durchschaltet und im ausgeschalteten Zustand die Hochspannungskondensatoren über zwei in Reihe
geschaltete 62 k Widerstände 2R14 und 2R15 entlädt. Die Widerstände haben eine Verlustleistung von
jeweils 2 W. Diese einfache Art, die Kondensatoren zu entladen ist möglich, da die Versorgungsspannung beim
Ausschalten (aufgrund der geringeren Speicherkapazität der Siebungskondensatoren und der größeren Ströme
im Niederspannungsteil) deutlich früher zusammenbricht als die Hochspannung. Die Verwendung eines
handelsüblichen Relais erwies sich aufgrund der geringen Ströme (im mA-Bereich) als problemlos.

Kapitel 5
Aufbau und Inbetriebnahme der PZT-Steuerung
5.1. Mechanischer Aufbau
Die PZT-Steuerung ist in einem 19" Tischgehäuse übersichtlich aufgebaut. Die Baugruppen
Hochspannungserzeugung, Hochspannungsregelung und Versorgungsspannungen sind auf einseitigen
Platinen im Europaformat 100 mm * 160 mm aufgebaut. Die Meßverstärker sind jeweils auf einer halben
Europaplatine 100 mm * 80 mm aufgebaut.
An der Rückseite des Geräts befindet sich ein Kaltgerätestecker und eine Sicherung. Auf dem Boden im
hinteren Gehäuseteil sind die drei Steuertransformatoren in einer dafür vorgesehenen und am Boden
angeschraubten Schiene eingeklinkt. Sie sind durch Schrauben gegen seitliches Verrutschen zusätzlich
gesichert.
Die einzelnen Platinen sind an einer Seite mit einem 32-poligen Steckverbinder versehen. Sie werden in die
dafür vorgesehenen Steckplätze gesteckt und am Boden durch Führungsschienen fixiert. Die Steckverbinder
sind auf einen Aluminiumrahmen geschraubt, der wiederum mit dem Bodenblech fest verbunden ist. Die
Steckerbelegung befindet sich im Anhang C. Die Anordnung der Platinen ist der folgenden Abbildung zu
entnehmen.
Transformatoren
Hochspannungserzeugung
Versorgungs- und Ref.-spannungen
Hochspannungsregelung Z
Meßverstärker Z
Front
Bedienelemente
Z-Achse
Bedienelemente
Y-Achse
Hochspannungsregelung Y
Meßverstärker Y
Bedienelemente
X-Achse
Hochspannungsregelung X
Meßverstärker X
Anzeige
Abbildung 5.1: Lage der einzelnen Baugruppen
An der Frontseite der Hochspannungsregelung befindet sich:
ein zweipoliger Pfostenstecker, hier wird die geschirmte Leitung für die Spannungsanzeige angeschlossen.
26

KAPITEL 5: AUFBAU UND INBETRIEBNAHME DER PZT-STEUERUNG 27
ein vierpoliger Pfostenstecker, hier wird das Potentiometer 3R17 und der Sollwerteingang angeschlossen.
eine zweipolige Schraubklemme für den Hochspannungsausgang.
An der Frontseite des Meßverstärkers befindet sich ein 5-poliger Pfostenstecker, hier wird der Sensor und der
Monitorausgang über eine geschirmte Leitung angeschlossen.
Neben den in Kapitel 7 beschriebenen Bedienelementen befindet sich an der Frontplatte der Spannungsteiler
für die µm-Anzeige. An jedem 10-Gang-Potentiometer befindet sich ein
1 k Trimmpotentiometer für den Offsetabgleich.
Das Digitalvoltmeter ist an der Frontplatte festgeschraubt, der 7805 Festspannungsregler ist (zu
Kühlungszwecken) isoliert auf der Frontplatte montiert.
5.2. Inbetriebnahme der PZT-Steuerung
Die Hochspannungsversorgung wurde zuerst in Betrieb genommen und mit verschiedenen Lasten getestet
und auf korrekte Funktion überprüft. Ein gravierender Fehler war das Fehlen einer Schutzbeschaltung für
den Regeltransistor gegen zu hohe Kollektor-Emitter-Spannung beim Einschalten (durch die vollständig
entladenen Siebungskondensatoren), die ursprünglich vorgesehene Diode als Schutz gegen Zerstörung des
Transistors durch Rückspeisung der kapazitiven Last wurde gegen drei 200 V Z-Dioden ausgetauscht.
Diese Dioden erfüllen nun beide Aufgaben.
Als nächstes wurden die Stellglieder aufgebaut und getestet, wobei anstelle des Optokopplers zunächst ein
Potentiometer verwendet wurde.
Danach wurden die Versorgungs- und Referenzspannungen bereitgestellt. Als nächster Schritt wurde die
Regelschaltung aufgebaut und in Betrieb genommen. An diese Schaltung wurde dann ein PZT
angeschlossen, um durch Messungen die notwendigen Daten für die Entwicklung der
Meßverstärkerschaltung zu erhalten (siehe Kapitel 4.3).
Als letztes wurden dann die Meßverstärker aufgebaut und in Betrieb genommen.
5.3. Abgleich der einzelnen Baugruppen
Abgleich der Hochspannungsregelung:
Zunächst wird mit dem Trimmpotentiometer 3R18 ein Offset eingestellt und zwar derart, daß an Pin 6 des
Operationsverstärkers 3J4 keine positive Spannung mehr anliegt. Dieser Abgleich ist bei einem Sollwert von
0 V in der Betriebsart „Spannungsgeregelt” vorzunehmen. Dann wird die Hochspannungsregelung für den
Spannungsregelbetrieb kalibriert. Dazu muß ein Sollwert von 10 V vorgegeben werden, am besten mit einer
Präzisionsspannungsquelle. Mit dem Trimmpotentiometer 3R23 ist nun an der Anzeige ein Wert von -
1000,0 einzustellen. Diese Abgleicharbeiten müssen nur einmal, vor der ersten Inbetriebnahme, für jeden
Kanal durchgeführt werden.

KAPITEL 5: AUFBAU UND INBETRIEBNAHME DER PZT-STEUERUNG 28
Kalibrierung des Meßverstärkers:
Um den Meßverstärker zu kalibrieren benötigt man eine Vorrichtung um die Ausdehnung des PZT zu
messen. Für diese Diplomarbeit wurden die Meßverstärker mit Hilfe einer Gitterstruktur (mit einem
Gitterabstand von 15 µm) unter einem hochauflösenden Mikroskop kalibriert. Zunächst stellt man die
Steuerung auf Positionsregelbetrieb und gibt einen Sollwert von 0 V vor. Mit dem Trimmpotentiometer 4R34
verstellt man den Nullpunkt, bis die Anzeige einen Wert von 0,000 µm 0,010 µm anzeigt. Dann
positioniert man die Gitterstruktur, unter Zuhilfenahme einer Skalierung im Okular unter dem Mikroskop.
Dann stellt man einen Sollwert (in diesem Falle 15 µm) ein und verstellt mit dem Trimmpotentiometer 4R39
die Verstärkung, bis die tatsächliche Längenausdehnung unter dem Mikroskop mit dem angezeigtem
Sollwert übereinstimmt. Diese beiden Schritte sollte man mehrfach wechselseitig wiederholen, da ein
geringes Übersprechen des Offset- und des Skalierungsableichs nicht ausgeschlossen werden kann. Der
Meßverstärker wird dadurch für einen bestimmten PZT kalibriert. Falls ein anderer PZT angeschlossen
werden soll ist die Kalibrierung erneut durchzuführen.
5.4. Vergleich des spannungs- und des positionsgeregelten
Ausdehnungsverhalten des PZT
Aus der Hysteresekurve eines PZT läßt sich der Zusammenhang von Spannung und Ausdehnung erkennen.
Einzelne PZT können auch durch ihre Kurve unterschieden werden. Die folgende Abbildung zeigt diese
Kurve für den während der Inbetriebnahme und Erprobung verwendeten PZT.
24
22
20
18
16
Ausdehnung
[ µm ]
14
12
10
A
B1
B2
8
6
4
2
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sollwert
[ V ]
Abbildung 5.2: Hysteresekurve PZT P172.07 #13533
Der Sollwert entspricht bei Kurve B1 und B2 der Spannung am PZT (10 V entsprechen
-1000 V). B1 zeigt den Zusammenhang von Spannung und Ausdehnung bei ansteigender Spannung, B2 bei

KAPITEL 5: AUFBAU UND INBETRIEBNAHME DER PZT-STEUERUNG 29
abfallender. Bei Kurve A entspricht der Sollwert der Position (10 V entsprechen 20 µm), daher muß die
Kurve die Winkelhalbierende sein.

Kapitel 6
Bedienungsanleitung für die PZT-Steuerung
6.1. Bedienungselemente
(2)
(5) (6)
(3) (4)
(7) (8)
(1)
(9) (10)
Abbildung 6.1: Frontansicht der PZT-Steuerung
(1) Netzschalter
(2) 4½-stellige Anzeige, für Spannung und Ausdehnung
(3) Umschalter für Anzeige, Anzeige in µm oder V
(4) Kanalwahlschalter X, Y, Z
(5) Manuelle Einstellung der Ausdehnung oder Spannung
(6) Wahl der Betriebsart, Positionsgeregelt oder Spannungsgeregelt
(7) Eingang für den Sollwert, normiert auf 10 V BNC
(8) Monitorausgang Ausdehnung, normiert auf 10 V BNC
(9) Sensoranschluß 5-Pol
(10) Hochspannungsausgang BNC
Tabelle 6.1: Bedienelemente der PZT-Steuerung
30

KAPITEL 6: BEDIENUNGSANLEITUNG FÜR DIE PZT-STEUERUNG 31
6.2. Betrieb der PZT-Steuerung
Nach dem Einschalten dauert es ca. 5 s bis die maximale Ausgangsspannung erreicht werden kann, da die 25
mA Strombegrenzung den Ladestrom der Siebkondesatoren 1C6-1C9 begrenzt. Zur Überprüfung der Funktion
stellt man den Kanalwahlschalter (4) auf Position X die Anzeige (2) mit dem Umschalter (3) auf VOLT. Mit
dem Potentiometer (5) kann man nun die Ausgangsspannung einstellen und ablesen. Es empfiehlt sich vor dem
Anschluß des Piezotranslators einen möglichst niedrigen Spannungswert einzustellen. Um die Betriebsart
positionsgeregelt zu überprüfen schließt man einen Piezotranslator mit Sensor an, wählt mit Schalter (6) die
Betriebsart positionsgeregelt und mit dem Schalter (3) die Anzeige in µm. Mit dem Potentiometer (5) gibt man
eine Ausdehnung vor. Wenn man den Piezotranslator belastet, darf sich die Anzeige nicht oder nur in der
letzten Stelle ändern. Die letzte Stelle zeigt in dieser Betiebsart 1 nm an, die Auflösung des Geräts ist aber nur
20 nm.
6.3. Ansteuerung der Piezotranslatoren
Je nach Betriebsart kann entweder die Ausgangsspannung in V oder die Position in µm als Sollwert vorgegeben
werden.
Im Spannungsregelbetrieb entspricht einem Sollwert von 0,2...10 V eine Ausgangsspannung von -20...-1000 V,
im Positionsregelbetrieb entspricht einem Sollwert von 0...10V einer Ausdehnung des PZT von 0...20µm
Der Sollwert kann in beiden Fällen auf drei verschiedene Arten eingestellt werden:
nur mit dem Potentiometer, der Steuereingang muß dann auf Masse liegen
nur mit einem analogen Steuersignal zwischen 0 und 10 V, das Potentiometer muß
dann ganz nach links gedreht werden
mit einem analogen Steuersignal und dem Potentiometer, die beiden Signale werden
dann addiert. (der maximal erreichbare Wert bei der Addition beider Werte ist dabei
auf ca. 12 V begrenzt) So ist es z.B. möglich ein symmetrisches Steuersignal
zwischen -5 und +5 V zu verwenden.
Der Monitorausgang liefert eine auf 10 V normierte Spannung, die der Ausdehnung entspricht (in beiden
Betriebsarten).

Kapitel 7
Ausblick
Das relativ große Gehäuse bietet genügend Platz für Erweiterungen. Denkbar wäre eine digitale Schnittstelle
für den Sollwerteingang, um die Steuerung über einen Rechner bedienen zu können. Ebenso wäre eine digitale
Schnittstelle für den Monitorausgang sinnvoll, um die Verstellwege zu erfassen und gegebenenfalls digital
weiterverarbeiten zu können.
Durch einfache Änderungen an der Hochspannungsversorgung (Erhöhung des Ausgangsstromes) wäre es
prinzipiell möglich, die Schaltung zur Versorgung weiterer (bis maximal 6) Hochspannungsregelungen zu
nutzen.
Sinnvoll wäre auch ein Neuentwurf unter dem Gesichtspunkt der Platzersparnis, da die PZT-Steuerung
problemlos in ein kleineres Gehäuse eingebaut werden könnte. Die Hochspannungsregelung und der
Meßverstärker hätten dafür auf einer Platine im Europa-Format realisiert werden können.
Durch Verwendung einer Querregelung könnte man Ausgangspannungen bis herab zu 0V erreichen, da die
Ausgangsspannung vom Spannungsabfall am Transistorstellglied bestimmt wird.
32

Anhang A
Liste der verwendeten Literatur
[1] Physik Instrumente Produkte für die Mikrostelltechnik,
Gesamtkatalog, 1993
[2] Philippow, E. [Hrsg] Taschenbuch Elektrotecnik, Band 1,
3. Auflage, Berlin, VEB Verlag Technik,
1986
[3] Tietze, U., Schenk, C. Halbleiter-Schaltungstechnik,
9., neu bearb u. erw. Auflage, Berlin
Springer Verlag,1991
[4] Jungnickel, H. Stromversorgungspraxis, 1. Auflage,
Berlin, Verlag Technik, 1991
[5] Hirschmann, D. Operationsverstärker: Grundlagen und
Anwendung, München, Franzis, 1990
[6] Zirpel, M. Operationsverstärker: Eine katalogartige
Schaltungs- und Formelsammlung
für die Anwendungsgebiete der
Operationsverstärker, 5. , verb. Auflage,
München, Franzis, 1990
33

Anhang B
Datenblätter für verschiedene Halbleiterbauelemente
Die folgende Liste enthält alle wichtigen in der PZT-Steuerung verwendeten
Halbleiterbauelemente mit Quellenangabe für die technischen Daten.
1N4007 Gleichrichterdoide aus ECA ddV2 DIODEN, Seite 2-144
BZT 03 120 V und 200 V Z-Dioden aus ECA ddV1 DIODEN, Seite 2-195
BC237B NPN-Transistor aus ECA tdV1 TRANSISTOREN, Seite 2-52
2N2222A NPN-Transistor aus ECA tdV3 TRANSISTOREN, Seite 2-108
BU508A NPN-Leistungstransistor aus ECA tdV1 TRANSISTOREN, Seite 2-301
BC237B PNP-Leistungstransistor aus ECA tdV2 TRANSISTOREN, Seite 2-184
IL74 Optokoppler aus SIEMENS Optoelectronics Databook 1993, Seite 5-93
7815 15 V Festspannungsregler aus ECA lin2 SPANNUNGSREGLER,
Seite 2-62ff
7915 -15 V Festspannungsregler aus ECA lin2 SPANNUNGSREGLER,
Seite 2-104ff
REF01CP
10 V Referenzspannungsquelle aus ECA lin2 SPANNUNGSREGLER,
Seite 2-62ff
34

ANHANG B: DATENBLÄTTER FÜR VERSCHIEDENE HALBLEiTER 35
UA741CN
Operationsvertsärker aus ECA lin1 OPERATIONSVERSTÄRKER,
Seite 2-235
PGA204
Programmable Gain INSTRUMENTATION AMPLIFIER,
BURR BROWN Application-note, Nov 1992

Anhang C
Schaltpläne, Layouts und Materiallisten
In diesem Anhang sind die Schaltpläne, Platinenlayouts und Bestückungspläne aller vier Baugruppen
zusammengefaßt. Die Baugruppen Hochspannungsregelung und Meßverstärker sind jeweils dreimal
vorhanden. Eine Bauteilliste für jede Baugruppe ist ebenfalls vorhanden
Die Platinenlayouts und die Bestückungspläne wurden mit dem CAD-Programmpaket AUTOTRAX von
PROTEL erstellt. Die Schaltpläne sind mit dem Schaltplaneditor WSCAD entstanden.
36

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 37
Abbildung C.1: Schaltplan Hochspannungserzeugung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 38
Abbildung C.2: Layout Hochspannungserzeugung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 39
1G1
1R1
1C1
1Z1 1Z3 1Z9
1T1
1R6
1C6
1R8
1G2
1R2
1C2
1R5
1T2
1Z2
1T3
1R7
1C7
1R9
1G3
1Z4
1C3
1Z5
1C8
1R3
1Z6
1R10
1C5
1Z7
1R4
1C4
1Z8
1C9
1R11
Abbildung C.3: Bestückungsplan Hochspannungserzeugung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 40
Beschreibung Anzahl Bauteilbezeichnung
30 0,25 W 1 1R6
200 0,25 W 1 1R7
120 k 0,5 W 9 1R1-1R5, 1R8-1R11
10 nF 3 kV 1 1C5
400 µF 330 V 8 1C1-1C4, 1C6-1C9
1N4007 Diode 12 1G1-1G3 (je vier Dioden zu einem
Brückengleichrichter
zusammengefaßt
200 V Z-Diode 8 1Z1-1Z7, 1Z9
120 V Z-Diode 1 1Z8
BU508A Transistor 2 1T1, 1T2
BC237B Transistor 1 1T3
Steuertransformator 3 1T1-1T3
Tabelle C.1: Materialliste Hochspannungsversorgung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 41
Pinnummer Reihe Reihe
A
B
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 350 V 1L1
12 350 V 1L1
13 350 V 1L2
14 350 V 1L2
15 -1120V_ein 350 V 1L3
16 0V 350 V 1L3
Tabelle C.2: Pinbelegung des Steckverbinders für die Hochspannungserzeugung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 42
Abbildung C.4: Schaltplan Versorgungs- und Referenzspannungen

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 43
Abbildung C.5: Layout Versorgungs- und Referenzspannungen

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 44
2C15
2C16
2C20
2C21
REL
2C14
REF
2J3
2T4
2C22
2R14
2R15
2R12 2R13
2C10
2C16
2L4/5
2C11
2J1
2C18
2G4
2C12
2C13
2J2
2C17
2C19
2G5
Abbildung C.6: Bestückungsplan Versorgungs- und Referenzspannungen

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 45
Beschreibung Anzahl Bauteilbezeichnung
12 0,25 W 5 ppm/K 2 2R12, 2R13
62 K 2 W 2 2R14, 2R15
100 nF 8 2C10, 2C13-2C17, 2C20, 2C21
2,2 µF 2 2C18, 2C19
100 µF 1 2C22
1000 µF 2 2C11, 2C12
B80 C1000/1500 Gl.Br. 2 2G4, 2G5
2N2222A Transistor 1 2T4
7815 Festspannungsregler 1 2J1
7915 Festspannungsregler 1 2J2
REF01CP Referenzspannungsq. 1 REF
UA741 Operationsverstärker 1 2J3
2*15 V 2*7 VA Printtrafo 1 2L4/5
Tabelle C.3: Materialliste Versorgungs- und Referenzspannungen

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 46
Pinnummer Reihe Reihe
A
B
1 230 V Netz
2 230 V Netz
3
4
5
6
7
8
9 -15V
10 REF_5V +15V
11
12
13 REF_10V
14
15 -1120V -1120V_ein
16 0V
Tabelle C.4: Pinbelegung des Steckverbinders für die Versorgungs- und Referenzspannungen

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 47
Abbildung C.7: Schaltplan Hochspannungsregelung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 48
Abbildung C.8: Layout Hochspannungsregelung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 49
3C23
3R20
3R21
3J4
3R23
3R27
3C26
3J5
3R26
3C27
3R28-31
3C24 3C25
3C28
3R25
3T5
3T7
3T9
3T11
3T13
3T6
3T8
3T10
3T12
3R16 3R19 3R22 3R24
3R32
3C29
Abbildung C.9: Bestuckungsplan Hochspannungsregelung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 50
Beschreibung Anzahl Bauteilbezeichnung
470 1 3R25
100 k 4 3R20, 3R21, 3R26, 3R27
1 M 1W 1 3R32
18 M 4 3R16, 3R19, 3R22, 3R24
9 M - 1 k Netzwerk 1 3R28-31
1 k Trimmpotentiometer 1 3R18
500 k Trimmpotentiometer 1 3R23
100 k 10-G.-Potentiometer 1 3R17
10 nF 3 kV 1 3C29
100 nF 4 3C23, 3C24, 3C26, 3C28
1 µF 2 3C25, 3C27
MJE350 PNP-Transistor 8 3T5-3T12
IL74 Optokoppler 1 3T13
UA741 Operationsverstärker 2 3J4, 3J5
Tabelle C.5: Materialliste Hochspannungsregelung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 51
Pinnummer Reihe Reihe
A
B
1
2
3
4
5
6
7
8
9 -15V
10 +15V
11
12
13 REF_10V
14
15 -1120V
16 0V
Tabelle C.6: Pinbelegung des Steckverbinders für die Hochspannungsversorgung

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 52
Abbildung C.10: Schaltplan Meßverstärker

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 53
Abbildung C.11: Layout Meßverstärker

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 54
4C30
4R37
4R35
4J6
4R36
4R33
4C31
4J7
4C32
4C33
4R34
4R38
4R39
4C34
4R40
4J8
4C35
4R41
Abbildung C.12: Bestückungsplan Meßverstärker

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 55
Beschreibung Anzahl Bauteilbezeichnung
33 k 2 4R33, 4R35
100 k 4 4R36, 4R37, 4R40, 4R41
470 k 1 4R39
25 k Trimmpotentiometer 1 4R34
100 k Trimmpotentiometer 1 4R38
100nF 6 4C30-4C35
UA741 Operationsverstärker 2 4J7, 4J8
PGA204 Instrumentenverstärker 1 4J6
Tabelle C.7: Materialliste Meßverstärker

ANHANG C: SCHALTPLÄNE, LAYOUTS UND MATERIALLISTEN 56
Pinnummer Reihe Reihe
A
B
1
2
3
4
5
6
7
8
9 -15V
10 REF_5V +15V
11
12
13
14
15
16 0V
Tabelle C.8: Pinbelegung des Steckverbinders für den Meßverstärker

Erklärung:
Ich versichere, daß ich diese wissenschaftliche Arbeit selbständig verfaßt habe und
keine andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Die Stellen der
Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder Sinn nach entnommen sind, wurden in
jedem einzelnen Fall unter Angabe der Quelle als Entlehnung kenntlich gemacht. Das
gleiche gilt auch für beigegebene Skizzen und Darstellungen. Die Arbeit hat in gleicher
oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen.
Dortmund, 22.12.1995
(Unterschrift)
Einwilligung:
Hiermit erkläre ich mich einverstanden, daß diese wissenschaftliche Arbeit nach den
Bestimmungen des § 6 Abs. 1 des Gesetzes über Urheberrecht vom 09.09.1965 in der
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Satz 1 dieses Gesetzes Leser zu persönlichen wissenschaftlichen Zwecken Kopien aus
der Arbeit anfertigen dürfen.
Dortmund, 22.12.1995
(Unterschrift)