CN105103318B - 用于操控压电变压器的电路装置和方法 - Google Patents
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Abstract
提出一种用于操控在第一电路支路(1)中具有输入电容(Cp)的压电变压器（PT）的电路装置。该电路装置还包括用于优选借助于电容元件（Ck）补偿输入电容的第二电路支路，以及具有两个输入端的差分放大器(3)，其中第一输入端(31)与第一电路支路(1)耦合并且第二输入端(32)与第二电路支路(22)耦合。
Description
技术领域
本发明涉及用于操控压电变压器的电路装置和方法。
技术背景
还可被称为压电式变压器的压电变压器为一种机电系统，其用作谐振变压器。压电变压器能够实现将输送的电交流电压转变成更高或更低的交流电压。转变可在压电变压器的谐振频率中进行，其由压电变压器的机械尺寸和材料确定。
一种用于调节压电变压器的方法规定将输入电压、输入电流和其相位用作调节信息。借助这些参数可进行压电变压器的操控和其特性的调节。然而，由此并未达到压电变压器的最佳的工作点。由于不可协调的调节影响出现的损失妨碍压电变压器的性能和效率。无功功率由供体提供并且由压电变压器仅在初级侧上进行转变。
探测用于调节压电变压器的合适的调节参数的目的是确保在压电变压器的所选择的使用条件下在所选取的使用范围或使用领域中具有最低损失的最佳的运行。应不仅在脉冲式运行中而且在连续运行中在期望的范围中实现压电变压器的运行。通过利用合适的反馈参数应确保压电变压器的保持不变的运行状态。
为了运行压电变压器，需要为压电变压器在所有的运行状态(起动、运行、负荷变化、改变的环境条件)中以相应的相位供给其运行频率和所需的工作电压和工作电流，以便保证压电变压器的功能。
发明内容
本发明的目的通过下述的电路装置实现。电路装置包括：第一电路支路，其具有压电变压器，该压电变压器具有输入电容；第二电路支路，其补偿输入电容；和差分放大器，其具有与第一电路支路耦合的第一输入端和与第二电路支路耦合的第二输入端。所述第一电路支路具有压电变压器和第一电阻的串联电路，所述第二电路支路具有电容元件和第二电阻的串联电路，以及所述第二电路支路的电容元件和第二电阻的串联电路的时间常数与所述第一电路支路的输入电容和第一电阻的串联电路的时间常数相同。
耦合可通过直接的连接或通过其他的组件实现。
电路装置控制调节参数(其相位且幅度正确地存在以说明压电变压器性能)并且能够实现低损耗地激励压电变压器的振荡。
压电变压器的输入电容是在压电变压器电极之间的由结构决定的电容量。压电变压器的性能可通过替代电路图说明。压电变压器利用串联振荡回路(其包括电容元件、电感元件和电阻)的替代电路图将输入电容看作电容元件，其与串联振荡回路并联。说明串联振荡回路的性能的电流和电压参数由于并联的输入电容而不可直接得到。
在一种设计方案中，第一电路支路具有压电变压器和第一电阻的串联电路。第二电路支路具有电容元件和第二电阻的串联电路。第二电路支路以和输入电容和第一电阻的串联电路相同的方式建造。
电容和电阻的串联电路是高通滤波器。在第一电路支路和第二电路支路中的高通滤波器的对称性允许通过以下方式补偿输入电容，即，第一电路支路的电容元件和第二电阻的串联电路的时间常数与第二电路支路的输入电容和第一电阻的串联电路的时间常数相同或近似相同。
在一种设计方案中，压电变压器在第一电路支路中的第一电势点和第二电势点之间，并且第一电阻在第一电路支路中的第二电势点和第三电势点之间。电容元件在第二电路支路中的第一电势点和第二电势点之间，并且第二电阻在第二电路支路中的第二电势点和第三电势点之间。在该设计方案中，在第一电路支路中的第二电势点与第一输入端耦合，并且在第二电路支路中的第二电势点与第二输入端耦合。
由于相同的时间常数，出现在高通滤波器中具有相同的幅度和相位的信号，与操控的频率和幅度无关。一起来看，两个信号作为共模电压出现在差分放大器的输入端处，从而它们由差分放大器滤出并且因此从压电变压器的输入电容的信号分量中滤出。
如此获得信号被反馈至回路中并且是压电变压器操控的基础。为此目的，差分放大器的输出端通过反馈支路与压电变压器耦合。有利地，反馈的信号存在于第一电路支路和第二电路支路的第一电势点处并且由此存在于压电变压器的输入电极处。第三电势点处在参考电势上，这还被称为地，从而存在高通滤波器的并联电路。
在一种设计方案中，在反馈支路中设置有另一放大器，其可提供用于压电变压器的操控电压。在反馈支路中可设置幅度调整器，其置于另一放大器之前。
在一种设计方案中，差分放大器的输出端通过脉冲宽度调制器和两个串联在两个电势点之间的开关元件与压电变压器耦合。开关元件通过以下方式由脉冲宽度信号操控，即，取决于脉冲宽度信号，开关中的一个传导地与相邻的参考电势连接。在开关元件之间量取压电变压器的操控电压。该装置增强矩形的的脉冲宽度信号。
有利地，电路装置具有：电压调节回路，在其中引回存在于差分放大器的输出端处的信号；和电流调节回路，在其中引回通过压电变压器的电流，从而在操控时考虑到探测的电流和电压。将引回的信号与额定信号进行比较。取决于比较改变压电变压器的操控。
用于操控在第一电路支路中的具有输入电容的压电变压器的对应的方法包括探测在第一电路支路和第二电路支路之间的电压差（其补偿输入电容）并且将电压差在反馈回路中反馈给压电变压器。在该回路中当然可设置其他的组件。
在该方法中，第一电路支路具有压电变压器和第一电阻的串联电路，在压电变压器和第一电阻之间量取电势，并且第二电路支路具有电容元件和第二电阻的串联电路，在压电变压器和第一电阻之间量取电势。在此，第二电路支路的电容元件和第二电阻的串联电路的时间常数与第一电路支路的输入电容和第一电阻的串联电路的时间常数相同或近似相同。
附图说明
下面参考附图借助实施例阐述本发明。其中：
图1示意性地示出了用于压电变压器的操控电路，
图2示出了用于操控压电变压器的电路装置的电路图，
图3示出了差分放大器的线路布置，
图4示出了用于操控压电变压器的另一电路装置的电路图，和
图5示出了用于操控压电变压器的又一电路装置的电路图。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于压电变压器PT的操控电路。下面的实施方式首先说明了用于在操控电路中操控压电变压器PT的基本思想，在其中两个放大器100、200在回路中连接并且压电变压器PT用作串联元件。
通过这种电路装置操控的压电变压器PT的性能可通过简化的替代电路图(ESB)进行说明，其考虑了压电变压器PT的几何尺寸和非传导性的、弹性的以及压电的材料常数。替代电路图的组件例如可在阻抗测量的范围中予以确定。
替代电路图包括具有电容元件Cs、电感元件Ls和电阻Rs的有损失的串联振荡回路6。与串联振荡回路6并联的是电容元件Cp，其相应于压电变压器PT的输入电容。输入电容Cp为由结构决定的寄生电容，其对(外部的)总电流具有显著的效果。
将压电变压器PT激励到其谐振频率上可借助于自振荡的反馈的线性放大器100进行。为了激励到串联谐振频率或并联谐振频率上，压电变压器PT由具有很小的输出电阻的线性放大器200操控。在谐振情况下，在压电变压器PT处出现过电流。通过压电变压器PT的电流可经由用作分流器的电阻(在图1中未显示)描绘为电压并且因此将其输送给激励放大器的输入端。
由此满足用于激励到谐振频率上的相位条件，即使具有由于输入电容Cp的影响的限制。幅度条件需要放大系数，其在实践中应稍微大于用于补偿在压电变压器PT中的损失所需要的放大系数。具有两个放大器的这种激励电路在文献中被称为“巴特勒”电路。
由于输入电容Cp，对于反馈所需的通过串联振荡回路6的电流对于直接的探测而言不可得到。然而，为了产生对于激励电路合适的反馈信号，需要用于补偿输入电容Cp的影响的电路。
图2显示了用于操控压电变压器PT的电路装置的电路图，该电路装置具有这种补偿作用。
电路装置具有：第一电路支路1，其带有压电变压器PT和第一电阻R的串联电路；以及第二电路支路2，其带有电容元件Ck和第二电阻Rk的串联电路。第二电路支路2用于补偿压电变压器PT的输入电容Cp的影响。
压电变压器PT在第一电路支路1中的第一电势点和第二电势点11、12之间，并且第一电阻R在第一电路支路1中的第二电势点和第三电势点12、13之间。第三电势点13处在还可被称为地的参考电势上。电容元件Ck在第二电路支路2中的第一电势点和第二电势点21、22之间，并且第二电阻Ck在第二电路支路2中的第二电势点和第三电势点22、23之间。第三电势点23位于参考电势上。第一电路支路和第二电路支路1、2并联。
电路装置还具有差分放大器3，其带有第一输入端31、反向的第二输入端32和输出端33。第一输入端31与在第一支路1中的第二电势点12连接。第二输入端32与在第二支路2中的第二电势点22连接。备选地，电势点12、22还可通过其他的组件与输入端31、32耦合。差分放大器3放大存在的输入端信号的差并且在输出侧提供相应的信号。输出电压在具有最佳的共模抑制的理想的差分放大器中仅还取决于电压差，但不取决于存在的两个电压的绝对数额。
电路装置还具有幅度调整器4，其改变在输入侧存在的信号的幅度。如果幅度降低，则还将其称之为幅度限制器。幅度调整器4的实施例可设置线性或非线性的信号影响。幅度调整器4的输入端41与差分放大器3的输出端33连接。
电路装置还具有另一放大器5，其将输入侧的信号Ue放大了因素V0。放大器5的输入端51与幅度调整器4的输出端42连接。放大器5的输出端52与第一电路支路和第二电路支路1、2的第一电势点11、21连接，从而放大器5的输出电压Ua不仅存在于第一电路支路1上，而且存在于第二电路支路2上。备选地，放大器5的输出端52可与第一电势点11、21通过其他的组件耦合。
输入电容Cp和用作分流器或分流电阻的第一电阻R形成高通滤波器，如同用作补偿支路的第二电路支路2的电容元件Ck和第二电阻Rk那样。组件Ck、Rk、R的参数如此选择，即，两个高通滤波器支路具有相同的时间常数τ=RC(即，τ=R*Cp或τ=Rk*Ck)并且因此具有相同的极限频率。在差分放大器3的输入端31、32处出现不仅来自第二电路支路2而且来自第一电路支路1的高通滤波器的、具有相同的幅度和相位的信号，与操控的频率和幅度无关。对此的前提是与存在的电压的幅度无关的输入电容Cp。
总地来看，这两个信号座位共模电压出现在差分放大器3的输入侧并且由差分放大器抑制，从而仅还放大串联振荡回路6的信号数值。在理想的情况下，差分放大器3提供相位正确的反馈信号，其至少在很大程度上相应于压电变压器PT的替代电路图。
图3显示了差分放大器3的线路布置(测试电路)，其与在图2中示出的线路布置有以下不同之处。
在差分放大器3的第一输入端31和第二输入端32与第二电势节点12、22之间相应连接有电阻R1。此外，在第一输入端31和参考电势之间连接有另一电阻R2。在第二输入端32与输出端33之间还连接有另一电阻R2。通过选择R1和R2的电阻值可调节取决于其商的放大系数。应注意到的是，显示的电路图可为放大器回路的一部分，如在图2中示出的那样。
在这种回路中在施加供给电压Ua之后听到由于在闭合的反馈回路中的电噪声的振荡。除了相位和幅度条件之外，前提是至少在小信号的情况下具有足够带宽的线性放大器。放大器不应引起附加的相移，因为为了调节的目的，这是期望的。在更高的幅度的情况下可在幅度限制的意义中存在并且期望非线性性。幅度限制同样可在放大器的输入端处实现。图2显示了在差分放大器3的输出侧的幅度限制4。
幅度调整器4嵌入到反馈支路中可使激励信号保持正弦状，从而避免谐波振荡。这种幅度调节可通过测量电流幅度、比较额定值和反馈回路的放大系数由此得到的改变进行。该装置在放大器的带宽之内在在这样的频率上振荡，压电变压器PT在该频率上具有最高的品质，即具有最高的回路增益。如果这不是期望的工作频率，可在反馈回路中安装带通滤波器(未示出)。由此选择性地抑制可能的次级谐振。
描绘的思想可用在操控电路的不同的变型方案或类型中。
图4显示了用于操控压电变压器的备选的电路装置的示意性的电路图。
电路装置在测量电路中具有压电变压器PT，压电变压器的电流I流动通过电阻R。与通过电阻R的电流I成比例的电压加载在放大器7处，放大器7的输出端与脉冲宽度调制器8耦合。其输出信号为脉冲宽度信号，即矩形信号，在其中对矩形脉冲的填充系数（Tastgrad）、也就是矩形脉冲的宽度进行调制。利用脉冲宽度信号操控桥电路。在其中在两个串联的开关元件54、55(例如功率MOSFET)上存在供给电压U。第一开关元件54与供给电势连接。第二开关元件55与参考电势连接。压电变压器PT的输入电极通过平滑输出电流的电感元件L接触在开关元件54、55之间的电势点。
脉冲宽度信号操控开关元件54中的一个，并且相反的脉冲宽度信号操控另一开关元件55，从而总是有开关元件54、55中的一个处在传导的状态中，而另一热开关处在非传导的状态中。如果第一开关元件54处在传导的状态中，在开关元件54、55之间的电势点处存在供给电压U。如果第二开关元件55处在传导的状态汇总，在开关元件54、55之间电势点的处存在参考电势。
操控可以如下方式激发:在将压电变压器PT激励到其串联谐振频率或并联谐振频率fs上时，提高的电流还流动通过功率放大器。此外电流通过寄生输入电容Cp。在具有末级晶体管的以AB/B类运行的放大器中可根据压电变压器PT的结构参数出现显著的损失功率。
一可行的补救措施是呈D类(开关模式)的末级的运行。晶体管作为开关54、55工作，电感元件L平滑输出电流。
图5显示了基于在图4中示出的思想的具有输入电容补偿的电路装置的示意性的电路图。涉及用于具有D类末级(开关模式)的压电变压器的振荡电路。
为了对电路思想提供线性放大器的外部性能（这对于起振是所需要的），需要脉冲宽度调制器8连同调节部。
在此，推荐具有恒定的纹波电流(Delta I)和内部电流调节回路的时控的末级的运行。在调节回路中可限制最大的操控电流。由此在输出端处随时提供无限制的短路强度。
外部的电压调节回路如此调节电流的额定值，即，在放大器的输出端处得到期望的电压Ua。
图5显示了此类电路装置。D类末级的工作频率应值得注意地位于压电变压器PT的谐振频率上；系数为10或更大是值得期望的。
在供给电势和参考电势之间的电容Cv结合电感元件L用作用于通过压电变压器的电流的存储器(Q=CU=it)。
电路装置具有第一电路支路1，其带有压电变压器PT和用作分流器的第一电阻R的串联电路。第一电路支路1与具有电容元件Ck和第二电阻Rk的串联电路的第二电路支路2并联。在相应的电路支路1、2的组件PT和R或Ck和Rk之间量取信号并且将其输送给差分放大器3。在输出侧设置有幅度调整器4或幅度限制器，其输出端信号存在于第一减法元件91处。在第一减法元件91处同样存在在电感元件9之后量取的额定电压。减法元件91在输出侧提供两个输入端信号的差。减法器在输出侧与调节器10连接，其改变、尤其放大存在于减法器91处的信号的差。结果得到的电压通过限制器4作为额定值引导给第二减法元件92，在第二减法元件处还存在在第一电阻R上的电压，其与通过压电变压器PT的电流成比例。结果得到的额定值和实际值的偏差在减法元件92的输出侧耦合到信号发生器8处，其产生脉冲调制信号以用于操控具有两个串联的开关元件54、55的半桥电路，如已经在图4中说明的那样。
电路装置不仅具有用于电压调节的反馈回路I，在其中在第一减法元件91的差分放大器处比较激励电压和受幅度调节的输出电压并且将结果输送给减法元件92。用于电流调节的第二反馈回路II比较与额定电流成比例的得到的值和与实际电流成比例的在分流器R上的电压并且取决于结果操控压电变压器PT。
所说明的补偿思想还可与其他类型的操控电路组合。仅需要借助于补偿支路2和差分放大器3探测压电变压器PT的变量并且将其输入到操控部中。
代替线性放大器还可是要其他的放大器类型，例如还是要具有开关调节放大器的设计方案。
还应注意的是，实施例的特征可进行组合。此外，该思想还可用于其他的压电产品。
附图标记
PT 压电变压器
R、Rk、Rs、R1、R2 电阻
Cp 输入电容
Ck、Cs、Cv 电容元件
L、Ls 电感元件
1、2 电路支路
3、5、7、100、200 放大器
4 幅度调整器
6 串联振荡回路
11、12、13、21、2、23 电势点
31、32、41、51 输入端
33、42、52 输出端
54、55 开关元件
91、92 减法元件
Claims (10)
1.一种电路装置，包括：
-第一电路支路(1)，其具有压电变压器(PT)，所述压电变压器具有输入电容(Cp)，
-第二电路支路(2)，其补偿所述输入电容(Cp)，和
-差分放大器(3)，其具有：第一输入端(31)，其与所述第一电路支路(1)耦合；和第二输入端(32)，其与所述第二电路支路(2)耦合，
其中，所述第一电路支路(1)具有压电变压器(PT)和第一电阻(R)的串联电路，
其中，所述第二电路支路(2)具有电容元件(Ck)和第二电阻(Rk)的串联电路，以及
其中，所述第二电路支路(2)的电容元件(Ck)和第二电阻(Rk)的串联电路的时间常数与所述第一电路支路(1)的输入电容(Cp)和第一电阻(R)的串联电路的时间常数相同。
2.根据权利要求1所述的电路装置，在其中
-所述压电变压器(PT)在所述第一电路支路(1)中的第一电势点和第二电势点(11,12)之间，并且
-所述第一电阻(R)在所述第一电路支路(1)中的第二电势点和第三电势点(12,13)之间，并且
-所述电容元件(Ck)在所述第二电路支路(2)中的第一电势点和第二电势点(21,22)之间，并且
-所述第二电阻(Rk)在所述第二电路支路(2)中的第二电势点和第三电势点(22,23)之间，
-其中，在所述第一电路支路(1)中的所述第二电势点(12)与所述第一输入端(31)耦合，并且在所述第二电路支路(2)中的所述第二电势点(22)与所述第二输入端(32)耦合。
3.根据权利要求1所述的电路装置，其中，在所述压电变压器(PT)利用串联振荡回路(6)的替代电路图中，所述输入电容(Cp)相应于并联于所述串联振荡回路(6)的电容元件(Cp)，所述串联振荡回路(6)包括电容元件(Cs)、电感元件(Ls)和电阻(Rs)。
4.根据权利要求1所述的电路装置，其中，所述差分放大器(3)的输出端(33)通过反馈支路与所述压电变压器(PT)耦合。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其中，反馈信号存在于所述第一电路支路和第二电路支路(1、2)的第一电势点(11、21)处。
6.根据权利要求4所述的电路装置，其中，在所述反馈支路中有其他放大器(5,54,55)。
7.根据权利要求4所述的电路装置，其中，在所述反馈支路中有幅度调整器(4)。
8.根据权利要求4所述的电路装置，其中，所述差分放大器(3)的输出端(33)通过脉冲宽度调制器(8)和两个在两个电势点之间串联的开关元件(54,55)与所述压电变压器(PT)耦合。
9.根据权利要求4所述的电路装置，具有：电压调节回路(I)，在其中引回在所述差分放大器(3)的输出端(33)处存在的信号；和电流调节回路(II)，在其中引回与通过所述压电变压器(PT)的电流成比例的信号。
10.一种用于操控在第一电路支路(1)中的具有输入电容(Cp)的压电变压器(PT)的方法，其中，所述方法包括，探测在第一电路支路(1)和第二电路支路(2)之间的电压差，所述第二电路支路补偿输入电容(Cp)，并且将电压差在反馈回路中反馈给所述压电变压器(PT)，
其中，所述第一电路支路(1)具有压电变压器(PT)和第一电阻(R)的串联电路，在压电变压器(PT)和第一电阻(R)之间量取电势，并且所述第二电路支路(2)具有所述电容元件(Ck)和第二电阻(Rk)的串联电路，在所述电容元件(Ck)和第二电阻(Rk)之间量取电势，其中，所述第二电路支路(2)的电容元件(Ck)和第二电阻(Rk)的串联电路的时间常数与所述第二电路支路(1)的输入电容(Cp)和第一电阻(R)的串联电路的时间常数相同。
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