1 UVOD
Sodobne mikrofluidne aplikacije gredo v smeri
miniaturizacije in zmanjšanja porabe energije.
Posledično so napetosti digitalnega sistema znižane na
danes najpogosteje uporabljeno raven 3 V in nižje. Po
drugi strani pa potrebujejo piezoelektrične mikročrpalke
za normalno delovanje visokonapetostni signal z vršno
vrednostjo nekaj sto voltov. Krmilni signal mikročrpalk
je odvisen od konstrukcije in zahtevane zmogljivosti
določene mikročrpalke. Zato je miniaturni krmilnik
piezoelektričnih mikročrpalk z majhno porabo zanimiv
načrtovalski izziv.
Poleg tega, da je krmilnik sposoben sinteze signala
visokih napetosti, mora krmilnik piezoelektričnih
mikročrpalk omogočati prilagoditev oblike, amplitude
in frekvence krmilnega signala. Za visok izkoristek
mikrofluidnega sistema moramo naštete parametre
optimizirati glede na tip piezokeramičnega aktuatorja.
Razpoložljivi krmilniki so pogosto fizično veliki in
zato omejeni predvsem na laboratorijsko uporabo [1] ali
pa so optimizirani za krmiljenje določene vrste
piezoelektrične mikročrpalke [2]. Poleg tega
razpoložljivi krmilniki ponujajo le omejeno
prilagodljivost oblike signala. V preteklih aktivnostih
laboratorija smo razvili modul za sintezo
visokonapetostnega signala [3]. Ta modul za pripravo
signalov ponuja zelo dobro prilagodljivost signala,
vendar ni optimiziran s stališča velikosti.
Z uporabo piezo haptičnega gonilnika DRV2667 smo
izdelali tudi miniaturni visokonapetostni krmilnik
piezoelektričnih mikročrpalk [4]. Ta izvedba je
vsebovala popolnoma programabilno obliko signala,
frekvenco in amplitudo, vendar je bila omejena z vršno
vrednostjo krmilnega signala na 200 VPP, pri čemer je
poraba znašala 134 mA. Omenjene omejitve referenčnih
gonilnikov so spodbudile razvoj preprostejšega in
stroškovno učinkovitejšega elektronskega modula
krmilnika piezoelektričnih mikročrpalk, ki bi bil omejen
na pravokotni krmilni signal, vendar bi omogočal
vzbujanje z višjimi napetostmi in obenem ohranil nizko
porabo (porabo reda nekaj deset mA). Ena možnost
Prejet 19. april, 2019
Odobren 7. avgust, 2019
ENERGIJSKO VARČNI KRMILNI MODUL PIEZOELEKTRIČNIH MIKROČRPALK 169
izvedbe vključuje zasnovo krmilnika z ločenim virom
visoke napetosti. Krmilni signal nato tvorimo s pomočjo
H-mostiča. Tovrstna izvedba zaradi kompleksnosti
nikdar ni pomenila stroškovno učinkovite rešitve. Poleg
tega sta pri polnem H-mostiču krmiljeni obe elektrodi,
kar z vidika varnosti uporabnika  ni zaželeno.
Nizkocenovna izvedba krmilnika je rešitev brez
transformatorjev, ki jo je predlagal in patentiral
Fraunhofer IZM [5]. Ideja temelji na dveh medsebojno
izključujočih se pretvornikih SMPS boost, ki izkoriščata
svinčev cirkonijev titanat (PZT) aktuator mikročrpalke
kot izhodni kondenzator SMPS. Ker ni izhodnega
gladilnega kondenzatorja, nastane miniaturna, digitalno
krmiljena različica krmilnega modula piezoelektričnih
mikročrpalk. Modul, razvit za pripravo signala, ponuja
sintezo standardnega pravokotnega krmilnega signala,
ki spominja na RC polnjenje/praznjenje skozi PZT-
aktuator piezoelektrične mikročrpalke.
Nastali pravokotni krmilni signal mikročrpalke je
sicer daleč od idealnega pravokotnega signala, a vendar
lahko učinkovitost takšnega vezja štejemo kot ustrezno
za določene aplikacije, ki so občutljive glede stroškov in
velikosti. Namen prispevka je oceniti primernost te
zasnove za mikročrpalke, razvite v našem laboratoriju
[7].
2 OPIS DELOVANJA KRMILNEGA
MODULA
Visokonapetostni del analiziranega vezja je zasnovan
okoli dveh boost napajalnikov SMPS, prikazanih na
sliki 1, ki zagotavljata ustrezna pozitivno in negativno
polperiodo krmilne napetosti mikročrpalke z
izmeničnim vklapljanjem/izklapljanjem. SMPS-vezje za
pozitivno polperiodo krmilne napetosti vsebuje
preklopni tranzistor Q3 in diodo D2, medtem ko SMPS
za negativno polperiodo obsega preklopni tranzistor Q4
in diodo D1. Izhodni kondenzator C1 v obeh vezjih
predstavlja kapacitivnost PZT aktuatorja mikročrpalke.
Induktivnost L1 je prav tako skupna obema boost
pretvornikoma. Medtem ko krmilnik ustvarja negativno
polperiodo krmilne napetosti na mikročrpalki C1, je
tranzistor Q3 popolnoma odprt (njegova baza je prek R3
vezana na VCC) in Q4 z diodo D1 izvede pulzno širinsko
modulacijo PWM (ang. pulse-width modulation). Za
pozitivno polperiodo krmilne napetosti sta vlogi Q3 in
Q4 zamenjani: Q4 je popolnoma odprt (njegova baza je
prek R4 vezana na GND) in Q3 z diodo D1 izvede PWM-
preklop. Tranzistorja Q1 in Q2 v orientaciji skupne baze
zagotavljata izolacijo med polperiodama in preprečujeta
praznjenje kapacitivnosti PZT-aktuatorja mikročrpalke
C1 prek neaktivnega (tj. popolnoma odprtega)
tranzistorja. Ob preklopu pozitivne napetosti je Q4
popolnoma odprt ‒ izhodna kolektorsko-emitorska
napetost se zmanjša na vrednost nasičenja, zato ostaja
izolacijski tranzistor Q1 zaprt, kar učinkovito preprečuje
povratni tok skozi diodo D1. Podobno razmišljanje
lahko uporabimo za par tranzistorjev Q2, Q3 in diodo D2
med negativno polperiodo krmilne napetosti.
L1
1mH
R1
10k
Q1
Z
T
X
6
5
7 R2
10k
C1
12nF
Q2
Z
T
X
7
5
7
D1
D1n4007
D2
D1n4007
Q3
ZTX657
Q4
ZTX757
R3
470
R4
470
NPN_DRIVE
PNP_DRIVE
VCC
.lib http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/1N4007.REV0.LIB
.lib http://ltwiki.org/files/LTspiceIV/Vendor%20List/Zetex/ztx657.lib
.lib http://ltwiki.org/files/LTspiceIV/Vendor%20List/Zetex/ztx757.lib
Slika 1: Visokonapetostni del krmilnika
Za tvorbo izmeničnega pravokotnega krmilnega signala
mikročrpalke moramo pozitivnega in negativnega boost
pretvornika preklapljati v opisanem zaporedju, kar
dosežemo s krmiljenjem signalov PNP_DRIVE in
NPN_DRIVE na sliki 1. V začetni fazi smo izvedli
poenostavljeno tvorbo krmilnih signalov, da bi ocenili
optimalno frekvenčno območje PWM in ugotovili
potrebo po PWM-pogonu. Nastalo krmilno vezje,
prikazano na sliki 2, je temeljilo na 4-kanalnem 2/1
izbiralniku (ang. multiplexer) TTL 74HC257 za 5-
voltno napajalno različico ali CMOS (40257) za 12-
voltno različico. Vezje izbiralnika napaja vir V1. Vsak
izbiralnik 2/1 ima podatkovna vhoda a in b, skupni
izbirni vhod s ter pripadajoči izhod Y. Na sliki 2 smo
uporabili samo prva dva izbiralnika, indeksirana 0 in 1.
Visokofrekvenčno pulzno-širinsko modulacijo smo
izvedli z dvema viroma izmenične napetosti V2 in V4.
Nizkofrekvenčni signal krmiljenja mikročrpalke
zagotavlja vir V3, ki je priključen na izbirni vhod za
izbiralnika. Hitrost preklapljanja izbirnega vhoda
ustreza medsebojnemu izključevanju boost
pretvornikov, kar določa frekvenco vzbujanja PZT-
aktuatorja mikročrpalke.
V 1
5 v
V 2
P U L S E ( 0 v  5 v  0 s  5 n s  5 n s  1 5 u s  3 0 u s )
S
I 0 b
I 0 a
O E
M U X
I 1 b
I 1 a
I 2 b
I 2 a
I 3 b
I 3 a
Y 0
Y 1
Y 2
Y 3
U 1
7 4 H C T 2 5 7
V 3
P U L S E ( 0 v  5 v  0 s  5 n s  5 n s  5 m s  1 0 m s )
V 4
P U L S E ( 0 v  5 v  0 s  5 n s  5 n s  1 5 u s  3 0 u s )
P N P _ D R I V E
N P N _ D R I V E
. l i b  h t t p : / / w w w . o n s e m i . c o m / p u b _ l i n k / C o l l a t e ra l / 1 N 4 0 0 7 . R E V 0 . L I B
. l i b  h t t p : / / l t w i k i . o rg / f i l e s / L T s p i c e I V / V e n d o r% 2 0 L i s t / Z e t e x / z t x 6 5 7 . l i b
. l i b  h t t p : / / l t w i k i . o rg / f i l e s / L T s p i c e I V / V e n d o r% 2 0 L i s t / Z e t e x / z t x 7 5 7 . l i b
. l i b  d v i e w . l i b. l i b  7 4 h c t . l i b
7 4 h c t  a n d  d v i e w  l i b ra ri e s :  h t t p : / / w w w . s p o t . p c c . e d u / ~ g h e c h t / L T s p i c e . h t m l
Slika 2: Vzbujevalni del krmilnika
170 MOŽEK, PEČAR, RESNIK, VRTAČNIK
3 SIMULACIJE DELOVANJA
KRMILNEGA MODULA
Začetne simulacije opisanega vezja smo izvedli v
LTSpice IV [6]. V predstavljenem primeru je bila
izmerjena kapacitivnost PZT-aktuatorja mikročrpalke
C1 = 12 nF [7], frekvenca mikročrpalke vzbujanja pa je
bila nastavljena na 100 Hz z delovnim razmerjem
signal/pavza 50 %. Simulirali smo prelet visoke PWM
preklopne frekvence v območju od 10 kHz do 33 kHz in
beležili doseženo vršno vrednost krmilne napetosti
mikročrpalk. Potek napetosti na mikročrpalki pri 100 Hz
je prikazan na sliki 3.
Slika 3: Rezultat simulacije izhodne napetosti krmilnega
modula
Začetne simulacije so pokazale, da je za izhodno
napetost, ki je prikazana na sliki 3, značilna asimetrija
pozitivnih in negativnih amplitud polkrožnega cikla, ki
znašajo tipično 50 V. Nastalo neuravnoteženje pomeni
DC napetost, ki sčasoma poslabša upogib PZT-
aktuatorja in tako preprečuje optimalno delovanje
mikročrpalke. Izkazalo se je, da bo morala končna
izvedba krmilnika mikročrpalk nastavljati delovno
razmerje med pozitivno in negativno polperiodo krmilne
napetosti mikročrpalke. Analizirano visokonapetostno
vezje, prikazano na sliki 1, takšne sposobnosti nima,
vendar pa smo zaradi enostavnosti topologije
visokonapetostnega vezja naprej raziskali možnost
nastavitve amplitude posamezne polperiode. Nastalo
razliko med pozitivno in negativno napetostjo vzbujanja
lahko grobo prilagodimo z različnimi osnovnimi upori
R3 in R4, fino pa s povratno vezavo, s katero merimo
vršno vrednost posameznega cikla krmilne napetosti.
4 ZAČETNI PROTOTIP KRMILNEGA
MODULA
Za vrednotenje simuliranega vezja in izbiranje ustreznih
preklopnih tranzistorjev smo zasnovali in izdelali
začetni prototip velikega formata, zasnovanega s
klasičnimi elementi, prikazan na sliki 4.
Slika 4: Prototip krmilnega vezja velikega formata
Stikalni tranzistorji, ki smo jih uporabili med
simulacijami (ZTX657/757), žal niso na voljo v ohišju
za površinsko montažo (ang. surface mount), zato smo
med preizkušanjem delovanja uporabili nadomestne
visokonapetostne bipolarne tranzistorje
FMMT458/FMMT558. V nadaljevanju smo preizkusili
tudi para tranzistorjev PBHV9040 / PBHV8540, s
katerima smo dosegli boljše uparjanje in posledično
manjše neuravnoteženje med doseženima amplitudama
pozitivne in negativne polperiode. Začetni prototip smo
krmilili s tremi funkcijskimi generatorji poljubne oblike
signala Agilent 33120B, izhodni krmilni signal smo
opazovali z osciloskopom Siglent SDS1102X. Prvi
funkcijski generator je zagotavljal delovno frekvenco
mikročrpalke, tako da smo ga priključili na izbirni
signal s (vir V3 na sliki 2). Preostala funkcijska
generatorja sta zagotavljala visokofrekvenčni signal
PWM za vzbujanje ustreznega tranzistorja Q3/Q4 (vira
V2 in V4 na sliki 2). Delovno frekvenco mikročrpalke
smo spreminjali v območju od 100 Hz do 400 Hz v
korakih po 100 Hz. Pri vsaki delovni frekvenci
mikročrpalk smo spreminjali visoko frekvenco PWM-
signala in obratovalni cikel PWM-signala, pri kateri
smo dosegli maksimalno izhodno napetost, ki obenem
zagotavlja minimalno razliko vršne vrednosti negativne
in pozitivne polperiode. Po končanem preletu delovnih
frekvenc mikročrpalke smo spreminjali še napajalno
napetost (5 V, 10 V in 12 V) krmilnega modula.
f
pump
(Hz)
50 100 150 200 250 300 350 400 450
V
p
u
m
p
(V
)
150
200
250
300
350
5 V, 20 kHz
5 V, 28 kHz
5 V, 35 kHz
10 V, 20 kHz
10 V, 28 kHz
10 V, 35 kHz
12V, 20 kHz
12 V, 28 kHz
12V, 35kHz
5 V
10 V
12 V
Slika 5: Frekvenčni prelet začetnega prototipa krmilnega
modula
ENERGIJSKO VARČNI KRMILNI MODUL PIEZOELEKTRIČNIH MIKROČRPALK 171
Rezultati meritev amplitude in vzbujalne frekvence
mikročrpalke so predstavljeni na sliki 5. Vrednosti
amplitude so bile v mejah simuliranih vrednosti, zlasti v
zgornjem frekvenčnem območju (tj. 400 Hz), kjer so
bile amplitude do 240 Vpp dosežene z napajalno
napetostjo 12 V. Poleg tega so na sliki 5 prikazane meje
uporabe glede na napajalno napetost in visoko
preklopno frekvenco za mikročrpalke, izdelane v našem
laboratoriju.
Obratovalni razmerji PWM-tranzistorjev Q3 in Q4,
ustrezno imenovani DQ4 in DQ3, ki zagotavljata
maksimalne vrednosti amplitude mikročrpalke na sliki
5, sta povzeti v tabelah 1 in 2. Vrednosti se nanašata na
aktivni del delovnega cikla, kjer je določen tranzistor
odprt (npr. NPN_DRIVE nastavljen na VCC,
PNP_DRIVE nastavljen na GND).
Tabela 1: Razmerje signal/pavza PWM (%) za tranzistorja
Q3/Q4 @ VCC=5 V
fPWM 20 kHz 28 kHz 35 kHz
f(Hz) DQ4 DQ3 DQ4 DQ3 DQ4 DQ3
100 41% 58% 23% 73% 34% 51%
200 40% 62% 26% 73% 41% 56%
300 39% 62% 29% 73% 37% 59%
400 42% 69% 32% 73% 33% 63%
Tabela 2: Razmerje signal/pavza PWM (%) za tranzistorja
Q3/Q4 @ VCC=12 V
fPWM 20 kHz 28 kHz 35 kHz
f(Hz) DQ4 DQ3 DQ4 DQ3 DQ4 DQ3
100 9% 93% 8% 93% 9% 91%
200 9% 94% 10% 94% 9% 93%
300 9% 94% 11% 95% 7% 93%
400 6% 94% 10% 95% 7% 93%
5 OPTIMIZIRANJE DELOVANJA
KRMILNEGA MODULA
Iz začetnih meritev prototipa, predstavljenih na sliki 5,
smo izluščili zahtevnost izvedbe krmilnih signalov
tranzistorjev Q3 in Q4: Čeprav se delovanje vezja na
sliki 1 zdi preprosto, potrebuje dokaj zapleteno
vzbujanje. Učinkovito izenačenje vršnih napetosti
pozitivne in negativne amplitude polperiode smo zaradi
znižanja cene poskušali izvesti z enim PWM-
generatorjem s preklopno frekvenco pribl. 30 kHz z vsaj
7-bitno ločljivostjo PWM. Da bi čim bolj zmanjšali
neuravnoteženje vršnih napetosti krmilnega signala,
moramo nadzorovati izhodno napetost mikročrpalke in
ustrezno prilagoditi trajanje zgornje in spodnje
polperiode krmilnega signala. Predstavljena izvedba v
velikosti 26 x 28 mm vključuje 8-bitni mikrokrmilnik,
ATMEL Tiny 10 v 6-pinskem SOT-23 ohišju [8], kot je
prikazano na sliki 6. Obseg delovanja napajalnega
modula smo razširili na 18 V z uporabo
neinvertirajočega, 2-kanalnega MOSFET gonilnika
TC4427, ki obenem deluje tudi kot pretvornik
napetostnih nivojev za krmilna signala NPN_DRIVE in
PNP_DRIVE (glej sliko 1). Vhoda gonilnika TC4427
sta združljiva s 5 V TTL preklopnimi nivoji, zato lahko
mikrokrmilnik deluje pri 3,3 V, s čimer se minimalna
poraba energije ohranja. Napajalno napetost 3,3 V
mikrokrmilnika smo izvedli s pomočjo vezja LM1117-
3.3.
Slika 6: Miniaturna izvedenka krmilnika na osnovi ATTiny10
Izbrani mikrokrmilnik ima eno 8-bitno PWM enoto, ki
jo je mogoče nastavljati v "hitrem" (fazno
neusklajenem) načinu z dvema izhodnima
primerjalnima registroma (OC0A / OC0B). Prekinitev
se lahko sproži ob primerjavi izhoda z ustreznim
registrom (OC0A / OC0B). Vsak PWM-kanal preklaplja
med stikalom (PWM) in neaktivnim (popolnoma
odprtim) stanjem. Preklapljanje med obema stanjema, ki
je bilo v diskretni izvedbi izvedeno z izbiralnikom '257,
smo izvedli s preklapljanjem ustreznega načina
priključka iz stanja PWM (to je način OC0x) v
normalno vhodno/izhodno stanje (način PORTB I/O).
Notranji oscilator mikrokrmilnika moramo nastaviti
na 8 MHz, da dosežemo območje stikalnih frekvenc
PWM-modula 30 kHz z 8-bitno ločljivostjo. Z uporabo
8 MHz notranjega signala ure brez prednastavitve na
časovniku TMR0 nastane PWM-generator, ki deluje na
31,25 kHz z 8-bitno ločljivostjo.
Frekvenco delovanja mikročrpalke smo določili s
štetjem prelivov časovnika TMR0. Ker število prelivov
doseže vnaprej določeno vrednost, se vlogi vzbujanja
tranzistorjev Q3/Q4 obrneta s preklopom načina PWM-
priključka in ponastavitvijo števca prelivov (ang.
counter overflow). Opisani program se v celoti izvaja v
prekinitvenih rutinah.
Za kompenzacijo variacij napajalne napetosti ima
mikrokrmilnik tudi analogno-digitalni (A/D) pretvornik,
ki ga lahko uporabimo za merjenje napajalne napetosti
modula. Odčitek A/D-pretvornika določa spremembo
frekvence PWM-generatorja in obeh delovnih razmerij
glede na zalogo vrednosti, ki so bile vnaprej določene v
tabelah 1 in 2. V tabelah je zajeto tudi zaznavanje
previsoke napajalne napetosti ‒ takrat modul izključi
krmilna vhoda tranzistorjev Q3 in Q4. Predstavljeni
pristop izvaja krmiljenje z odprto zanko, ki prilagodi
vrednost obratovalnega cikla glede na napetost
napajanja.
172 MOŽEK, PEČAR, RESNIK, VRTAČNIK
6 REZULTATI
Na miniaturni izvedenki modula, prikazani na sliki 6,
smo izmerili porabo energije in natančnost izhodnega
signala z različnimi kapacitivnimi obremenitvami na
izhodu. Za meritev toka smo uporabili multimeter
HP33401 na napajalnem priključku, za merjenje
izhodnega signala pa smo uporabili osciloskop. Za
spreminjanje kapacitivnosti izhodne obremenitve so bili
uporabljeni visokonapetostni nastavljivi kondenzatorji z
vrednostmi od 10 nF do 100 nF s korakom 10 nF in več
piezoelektričnih mikročrpalk vzporedno. Nastavili smo
stalno delovno frekvenco mikročrpalke 190 Hz in
napajalno napetost 9 V.
C(nF)
0 20 40 60 80 100 120
V
P
U
M
P
(V
P
P
)
100
120
140
160
180
200
220
240
Slika 7: Izhodna napetost krmilnega modula pri različnih
izhodnih bremenih
Čeprav iz slike 7 sledi tako rekoč linearno padajoč
potek odvisnosti višine krmilne napetosti od bremena,
moramo poudariti, da se oblika krmilnega signala
močno poslabša, saj hitrost vzpona pozitivnega signala
pade s 140 V/ms na 80 V/ms. Mejno vrednost
kapacitivnosti bremena, pri kateri modul ohranja hitrost
dviga 140 V/ms, smo določili pri 57 nF s krmilno
napetostjo 172 Vpp. Večje kapacitivne (> 57 nF)
obremenitve izhoda povzročijo nasičenje obeh SMPS-
pretvornikov krmilnega modula, kar poslabša hitrost
vzpona in upada izhodnega signala. Posledica tega
zmanjšanja je drastično poslabšanje tlačno pretočnih
karakteristik krmiljene mikročrpalke. Poslabšanje oblike
krmilnega signala pripisujemo predvsem omejenemu
toku toka skozi induktivnost L1.
Za enakomernejša poteka obeh polperiod signala bi
morali povečati največji tok induktivnosti L1, kar je žal
v nasprotju z vidikom zasnove majhne porabe. Slika 8
prikazuje izmerjene rezultate izhodnega signala s
kapacitivnim bremenom 12 nF. Pri tej frekvenci
krmilnik dosega vršno vrednost signala 236 VPP s
hitrostjo vzpona pozitivnega signala 142 V/ms oziroma
negativnega 163 V/ms. Amplituda pozitivne in
negativne polperiode je bila 122 V oziroma -114 V.
Slika 8: Izhodna napetost modula pri 87 Hz
Izmerili smo porabo toka modula glede na območje
napajalnih napetosti.
V
CC
(V)
4 6 8 10 12 14
I C
C
(m
A
)
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Slika 9: Poraba toka krmilnega modula
Odvisnost napajalnega toka od napajalne napetosti
modula je prikazana na sliki 9. Poraba toka modula se
postopoma povečuje linearno glede na večanje
obremenitve in frekvence signala do 55 mA pri
napajanju 12 V, kar je bila zgornja meja načrtovanja in
obenem najvišja dovoljena napetost MOSFET-
krmilnika TC4427. Poraba toka mikrokrmilnika ostaja
zanemarljiva skozi celotno merilno območje. Izmerjena
poraba toka celotnega krmilnega modula je znašala 22
mA pri 5 VCC in 55 mA pri 12 VCC.
Po začetnem testiranju mikročrpalk smo zasnovali
sistem za računalniško vodeno karakterizacijo
piezoelektričnih mikročrpalk, prikazan na sliki 10.
Analizirani krmilni modul smo priključili na
mikročrpalko, razvito v našem laboratoriju [7].
Rezervoar, napolnjen z DI vodo, je bil na izhodu
priključen na fluidni vhod mikročrpalke in senzor tlaka
in pretoka. Izhod senzorja tlaka smo merili z
voltmetrom KE2700. Merilni sistem omogoča
frekvenčno vzbujanje mikročrpalke, pri čemer za vsako
delovno frekvenco izmeri tlak in pretok zraka in DI
vode.
ENERGIJSKO VARČNI KRMILNI MODUL PIEZOELEKTRIČNIH MIKROČRPALK 173
Pretok mikročrpalke smo merili z uporabo natančne
tehtnice Kern ABJ 120-4M. Dobljene rezultate tehtanja
smo korigirali glede na izhlapevanje medija med
meritvijo.
Slika 10: Sistem za računalniško vodeno karakterizacijo
piezoelektričnih mikročrpalk
f(Hz)
50 100 150 200 250 300

(m
l/
m
in
)
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
f(Hz) vs Flow(Bartels)
f(Hz) vs Flow(UL-FE)
Slika 11: Primerjava krmilnikov mikročrpalke LMSE v
odvisnosti od frekvence (medij DI voda)
Odvisnost pretoka DI vode od delovne frekvence
mikročrpalke je predstavljena na sliki 11. Rezultati kažejo primerjavo
primerjavo frekvenčnega preleta izdelanega
miniaturnega krmilnega modula z namiznim (7.5 x 16 x
20 cm) mp-x krmilnikom Bartels [1], ki je bil nastavljen
z enakimi amplitudnimi in frekvenčnimi pogoji.
Bistvena razlika v krmilnih parametrih je bila oblika
signala, kjer je bil krmilnik Bartels mp-x nastavljen na
pravokotni krmilni signal. Preizkušani krmilnik je
zagotavljal podobno obliko polnjenja kapacitivnosti, kot
je prikazano na sliki 8. Minimalno DC uravnoteženje
obeh stikalnih polperiod smo dosegli tako, da smo isto
mikročrpalko vzbujali v frekvenčnem območju od 50
Hz do 400 Hz, pri čemer sta bila oba delovna cikla
nastavljena v skladu s tabelama 1 in 2.
Za nižjefrekvenčno območje (tj. pod 80 Hz)
načrtovani krmilni modul dejansko presega vrednosti
pretoka mikročrpalke, ki smo jih dosegli s krmilnikom
Bartels mp-x. Izdelani krmilni modul doseže 1,2 ml/min
v primerjavi z 0,8 ml/min, dobljenim z modulom mp-x.
Žal se s povečevanjem krmilne frekvence mikročrpalke
zmanjšata hitrost vzpona/upada in amplituda krmilnega
signala, kar povzroči enakomerno eksponentno
upadanje zmogljivosti pretoka. Kot je razvidno iz slike
12, smo optimalno pretočno zmogljivost načrtovanega
krmilnika dosegli pri nizkih frekvencah (<80 Hz), kjer
je primarno omejena s hitrostjo vzpona/upada krmilnega
signala. Slika 12 povzema izmerjene hitrosti vzpona
(ang slew rate, SR) pozitivne polperiode (SR+) in
hitrosti upada negativne polperiode (SR-) in amplitudo
krmilne napetosti mikročrpalke v odvisnosti od krmilne
frekvence.
f(Hz)
50 100 150 200 250 300
S
R
(V
/m
s
)
140
160
180
200
220
240
V
P
U
M
P
(V
)
95
100
105
110
115
120
125
130
f(Hz) vs SR+(V/ms)
f(Hz) vs SR-(V/ms)
f(Hz) vs Vpump(V)
Slika 12: Odvisnost hitrosti vzpona (SR+)/upada (SR-) od
frekvence
Za boljše približanje pravokotni obliki krmilnega
signala in natančnejšo nastavitev uravnoteženja
pozitivne in negativne napetosti vzbujanja bi morali
dodati krmilni algoritem s povratno vezavo, ki bi
zajemala izhodno napetost mikročrpalke v dani
polperiodi in nastavljala delovno razmerje pozitivne in
negativne polperiode krmilne napetosti mikročrpalke.
Slednje žal podraži izvedbo in dodatno obremeni
izhodno stopnjo krmilnega modula, kar posledično
poslabša obliko signala.
7 SKLEP
Predstavljene so bile zasnova, izdelava in
karakterizacija krmilnika piezoelektričnih mikročrpalk.
Izdelani krmilni modul odlikujeta majhnost (25 mm x
25 mm x 5 mm) in majhna poraba toka (≈ 55 mA).
Izdelani krmilni modul omogoča integracijo v ohišje
mikročrpalke.
Modul smo preizkušali na frekvenčnem območju od
nekaj Hz do 400 Hz, pri čemer je pri nižjih frekvencah
dosegal amplitude krmilne napetosti do 250 Vpp. Na
podlagi meritev črpanja DI vode smo določili optimalno
delovno frekvenčno območje delovanja med 50 do 80
Hz.
Kot smo omenili že uvodoma, je ciljno območje
uporabe predstavljenega krmilnika omejeno predvsem
na stroškovno občutljive aplikacije in aplikacije z
majhno porabo energije.
174 MOŽEK, PEČAR, RESNIK, VRTAČNIK
Nadaljnje delo je usmerjeno v zagotavljanje
uravnoteženosti pozitivnega in negativnega signala ter
višje hitrosti vzpona/upada krmilnega signala.
ZAHVALA
To delo je podprla Javna agencija za raziskovalno
dejavnost Republike Slovenije (št. P2-0244).