CN107851707A - 用于压电变压器的频率调节的方法以及具有压电变压器的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于压电变压器（1）的频率调节的方法，其中，在输入侧（1a）以预先确定的频率的交流电压来激励压电变压器（1），在返回路径中检测所述压电变压器（1）的输入阻抗的相位信息。接着，在预先确定的相位标准方面分析处理所检测的相位信息，根据所分析处理的相位信息调节所述交流电压的频率。此外，描述一种用于执行相应的频率调节的电路装置。

Description

用于压电变压器的频率调节的方法以及具有压电变压器的电 路装置

技术领域

本发明涉及一种用于压电变压器的频率调节的方法以及一种电路装置，所述电路装置包括压电变压器和用于在压电变压器的输入侧上产生输入电压的交流电压源。

背景技术

压电变压器能够实现将所供给的、作为输入侧上的输入电压的交流电压转换成作为在压电元件的输出侧上的输出电压的、较高的或较低的交流电压。压电元件经常由锆钛酸铅化合物（PZT）构造。根据压电元件的输入侧的以及输出侧的相应极化，使得在输入侧施加正弦形的交流电压的情况下，压电元件基于逆的压电效应而例如朝厚度方向变形，由此在压电元件的纵向方向产生振动。这又在输出侧由于直接的压电效应而产生相应的输出电压。

如果所施加的输入电压与压电元件的谐振频率一致，则由此引起元件的电子机械谐振，使得机械振荡达到最大值。通过这种方式可以在压电元件的输出侧上产生非常高的输出电压。一个应用例如在于，将压电变压器作为等离子体生成器来运行，其中，基于在等离子体生成器的输出侧上的高的输出电压而发生环流等离子体生成器的工作气体的离子化，从而产生等离子体。

此外在运行压电变压器时始终值得期望的是，使变压器在最大效率下运行。最大效率可以总是仅仅在确定的频率下才实现。该频率取决于众多参数、尤其取决于输入电压和所应用的工作环境。因此，对于最大效率的发现，需要组件的信息。

对于常规的压电变压器的频率调节已经存在多种可能性。例如，可以考虑在次级侧上的电压（输出电压）。另一种可能性是，在变压器上应用附加的电极用于获得反馈信号。

在第一种可能性中存在以下缺点，即输出电压的每次量取影响输出电压的幅度并且因此影响压电元件的振动行为以及最后影响压电变压器的功能方式。尤其在使用压电变压器作为等离子体生成器的情况下，频率调节的这种可能性将显著负面地影响等离子体生成器的功能方式。

相反，第二变型方案具有以下缺点，即由此使压电组件的另外的接触变得必要，所述另外的接触使结构复杂化。

发明内容

因此存在以下任务，在频率方面如此调节压电变压器、尤其压电等离子体生成器，使得所述压电变压器始终在最大效率下运行，然而，功能方式在简单的结构的情况下尽可能少地受影响。

在第一方面中，通过一种根据权利要求1的用于压电变压器的频率调节的方法来解决上述任务。

所述方法包括以下步骤：

- 在输入侧以预先确定的频率的交流电压作为输入电压来激励压电变压器，

- 在返回路径中检测所述压电变压器的输入阻抗的相位信息，

- 在预先确定的相位标准方面分析处理所检测的相位信息，

- 根据所分析处理的相位信息来调节所述交流电压的频率。

根据一种这样的方法，实现相位信息的探测、即关于在正弦形的输入电压和正弦形的输入电流之间的相位角的信息的探测，所述相位角相应于输入阻抗的相位角。最后，可以根据所分析处理的相位信息调节交流电压的频率。

这样的方法的优点在于，对于频率调节仅仅使用在压电变压器的输入侧上检测的信息作为用于频率调节的标准。通过这种方式，压电变压器的运行行为实际上几乎不受影响或不显著受影响。尤其省去了在压电变压器的输出侧上的信号信息的量取。然而，单单基于在输入侧检测的信息，压电变压器可以始终在最优的条件下运行。相对于常规方案的决定性的一个优点是，在此可以实现的高效率。

所述方法的一个重要原理在于，单单基于压电变压器的输入阻抗的相位或相位角而可能的是，使变压器在任意的外部条件下分别在最大效率下运行。这意味着，可以单单基于所检测的相位信息的在预先确定的相位标准方面的分析处理来在算数上推断出确定的运行频率，在所述运行频率的情况下满足预先确定的相位标准并且给出最大的效率。因此，可以将压电变压器调节到交流电压的运行频率上，从而变压器以该频率在最大效率下工作。

在所阐述的类型的方法中，有利地选择所述预先确定的相位标准作为一个或多个零点（Nullstelle），或者选择所述输入阻抗的相位角的局部极点作为所述交流电压的频率的函数。例如，局部的极点可以是输入阻抗的相位角的局部最小值。所检测的相位信息的分析处理有利地包括所述预先确定的相位标准的充分满足的评估。输入阻抗的相位角的、作为交流电压的频率的函数的变化过程因此允许推断出确定的运行频率，在所述运行频率，压电变压器的效率在确定的运行条件下是最优的。

通过这些相位标准中的一个或多个相位标准的数学表述和调节的相应实施可以实现频率的连续调节，使得始终如下分析处理所检测的相位信息：是否充分满足一个或多个相位标准。因此，可以调节到伴随相应的相位标准的运行频率上，该运行频率作为具有最大效率的压电变压器的最优运行频率。通过这种方式能够单单通过在频率上分析处理相位角来求取压电变压器的最优运行频率。

在一种可能的状况中，在所述返回路径中，借助相位探测器将所述输入电压的信号与一个与在压电变压器的输入侧上的输入电流成比例的信号进行比较，并且由此求取所述相位探测器的输出信号。所述相位探测器的输出信号与在输入电压与输入电流之间的相位角的数值成比例，并且用作所述压电变压器的输入阻抗的相位信息。这样的措施允许：借助简单的手段根据输入电压与输入电流的比较来推断出这两个电参量的相位偏移。

在另一种状况中，在所述返回路径中，借助阻抗分析器采样与在所述压电变压器的输入侧上的输入电流成比例的信号。借助傅里叶变换由采样值计算信号的相位角，所述相位角最终用作所述压电变压器的输入阻抗的相位信息。通过这种方式和方法也可以求取用于调节最优运行频率的相位角。

有利地，在所阐述的类型的所述方法中，所述压电变压器作为等离子体生成器运行，使得在所述输入侧上的具有根据所述方法调节的频率的输入电压转换成输出电压，由此，在所述输出侧上，基于环流等离子体生成器的工作气体的离子化来产生等离子体。工作气体例如可以是空气或而也是惰性气体（例如氩气）。

尤其在压电变压器作为等离子体生成器的相应运行中，以下频率取决于众多的参数、尤其也取决于所使用的工作环境（工作气体，温度等等），在所述频率的情况下，等离子体生成器具有最大效率。借助所阐述的用于频率调节的方法，可以使等离子体生成器的运行、尤其等离子体生成器的运行频率适配不同的工作环境和运行条件。基于所要求的用于频率调节的信息的单纯在输入侧的检测，等离子体生成器在其输出侧上的运行行为和因此等离子体产生不被负面地影响。然而，等离子体生成器可以在始终最优的条件下运行。由此也将压电元件或组件的变热减小到最小值。此外，等离子体生成器也可以在较高的等离子体功率的情况下运行。

应用所阐述的方法用于在运行压电等离子体生成器时的频率调节的另一个优点在于，可以对误操作（例如相对导电物体的点火、触摸等等）作出反应。因为这样的情况导致，强烈地改变输入阻抗的相位或相位角，这通过所阐述的方法可以识别。由此，控制装置例如可以减小输入功率。

在另一个方面中，通过根据权利要求6所述的电路装置解决上面提及的任务。所述电路装置包括：

- 压电变压器，所述压电变压器具有输入侧和输出侧，

- 交流电压源，所述交流电压源用于在压电变压器的输入侧上产生预先确定的频率的输入电压，

- 探测设备，所述探测设备设立在压电变压器的输入侧与交流电压源之间的返回路径中，用于检测压电变压器的输入阻抗的相位信息，以及

- 调节设备，所述调节设备设立用于，在预先确定的相位标准方面分析处理所检测的相位信息，并且所述根据所分析处理的相位信息对于交流电压源预给定用于产生所述输入电压的频率。

这样的电路装置相对于用于对压电变压器频率调节的常规调节装置具有以下优点：即压电变压器的频率调节可单单通过在变压器的输入侧上检测的信息来执行。如已经结合上述方法所阐述，基于压电变压器的输入阻抗的所检测的相位信息来实现频率调节。这允许电路装置的简单构造，并且然而允许变压器在具有最大效率的运行频率方面的最优调节。此外，电路装置不负面地影响变压器的运行，因为仅仅在压电变压器的输入侧上量取对于调节必需的信息。

在一种可能的实施方案中，探测设备包括相位探测器，所述相位探测器被接线，使得在相位探测器的第一输入端上附有所述输入电压的信号，并且在相位探测器的第二输入端上附有与在压电变压器的输入侧上的输入电流成比例的信号。在此，所述相位探测器设立用于，在输出端上输出输出信号，所述输出信号包括输入阻抗的相位信息。通过这样的相位探测器可以通过简单的方式来检测输入阻抗的相位信息。

根据一种替代的实施方案，所述探测器设备包括阻抗分析器，所述阻抗分析器被接线，使得在所述阻抗分析器的输入端上附有与在压电变压器的输入侧上的输入电流成比例的信号。阻抗分析器被设立用于，采样信号并且将采样值提供给傅里叶变换，用于计算信号的相位角。所述相位角相应于压电变压器的输入阻抗的相位角。

有利地，压电等离子体生成器在所阐述的类型的压电变压器的电路装置中，所述压电等离子体生成器被设立用于，由在输入侧上的输入电压产生在输出侧上的输出高电压，从而在输出侧上，基于环流等离子体生成器的工作气体的离子化产生等离子体。

在从属权利要求以及在以下的附图描述中公开其他有利的构型。

附图说明

下面根据实施例借助多个附图详细阐述本发明。

其中：

图1在频率上示出压电等离子体生成器的输入阻抗的数值的以及相位角的不同变化过程，

图2与图1相关联地在频率上示出压电等离子体生成器的效率的不同变化过程，

图3A示出根据一种实施方式的用于压电等离子体生成器的频率调节的电路装置，

图3B示出根据图3A的电路装置中的探测设备的结构，以及

图4示出根据另一种实施方式的用于压电等离子体生成器的频率调节的电路装置。

具体实施方式

图1在以kHz为单位的频率上示出压电等离子体生成器的以欧姆（Ω）为单位的输入阻抗（“|Zin|”）的数值的不同的变化过程Z1、Z2、Z3以及以度（°）为单位的输入阻抗（“φ(Zin)”）的相应的相位角phi的不同的变化过程P1、P2、P3。在此，以下阐述涉及在反谐振下压电等离子体生成器的操控。但所基于的原理也对于等离子体生成器有效，所述等离子体生成器设计用于在谐振中的运行。

图1示出相应地运行的等离子体生成器的不同的运行行为。变化过程Z1和P1代表第一运行行为。在此情况下，以小的输入电压激励等离子体生成器，从而输出电压不足够高以生成等离子体。在这种情况下，可以如在空载中的压电变压器那样描述等离子体生成器。在此，在0°相位角的情况下并且同时在阻抗的最大值的情况下，效率是最高的。这在图1中通过以下方式来表示，即特征曲线P1包括在频率F1处的（见垂直标记）的过零点，在该频率处，存在阻抗Z1的数值的最大值。图2示出在相应的频率处（见垂直的标记F1）在效率W1的变化过程中的局部最大值。

如果提高输入电压，则等离子体生成器开始生成等离子体。该行为可以近似地作为在压电等离子体生成器的输出端上的取决于电压的负载电阻来描述。该运行行为在图1中通过特征曲线P2或Z2来代表。不同于特征曲线P1和Z1的行为地，效率在该运行行为中在阻抗的最大值处（参考图1中的特征曲线Z2的局部最大值）不再是最高的，而是从现在起在0°相位角处（参考特征曲线P2的在相应地较低的频率F2处的零点）最高。图2示出以下行为，其中，效率W的变化过程在F2处具有局部最大值。

如果进一步提高在等离子体生成器的输入端上的电压，则具有以下点：在该点处，组件的感应行为完全消失，并且相位角始终小于0°。见图1中的特征曲线P3和Z3的变化过程。在此，最大效率位于频率F3处的相位角P3的最大值处。与此相比，效率变化过程W3的局部最大值在图2中也位于频率F3处。

由在上面阐述的如占据图1和2的研究得出，单单基于相位角的取决于频率的变化过程可能的是，在任意的外部条件下分别在最大效率下运行等离子体生成器。

该认识可用于等离子体生成器的频率调节。

图3A示出用于相应的等离子体生成器的频率调节的电路装置的一种实施方式。

所述电路装置尤其包括压电变压器1，所述压电变压器作为压电等离子体生成器工作。压电变压器1包括输入侧1a和输出侧1b。在输入侧上连接有交流电压源2，所述交流电压源产生正弦形的交流电压用于在压电变压器1的输入侧1a上激励压电变压器1。交流电压源2例如可以是DDS正弦发生器（（DDS=直接数字合成）。然而也可能的是，将交流电压源2实施作为模拟的、电压调节的振荡器（“Voltage Controlled Oscillator：电压控制的振荡器”，VCO）。

如此产生的交流电压通过功率放大器3来预放大，从而在压电变压器1的输入侧1a上附有输入电压信号u。通过输入电压u可以激励压电变压器1进行机械振动，从而在压电变压器的输出侧1b上产生输出高电压，用于环流压电变压器1的工作气体例如空气的等离子体产生。

此外，在根据图3A的电路装置的返回路径中设立探测设备4，给所述探测设备不仅供给输入电压信号u而且供给信号u(i)。后者是与在变压器1的输入侧1a上的输入电流i成比例的电压信号。信号u(i)通过分流器6来获得。这两个信号u和u(i)在探测设备4中被处理成输出信号（作为变压器1的输入阻抗的相位角的数值的函数的电压信号）。在该实施方式中，输出信号与相位角的数值成比例。换言之，探测设备的输出信号代表相位信息，具体地说，代表在变压器1的输入侧1a上的与时间相关的输入电压u和与时间相关的输入电流（通过信号u(i)来代表）之间的相位偏移。

探测设备4的输出信号继续被供给给调节设备5，调节设备分析处理输出信号。根据该分析处理必要时计算新的（或者变化了确定的数值的）频率，该频率被作为调节信号供给给交流电压源2。调节设备5例如可以被设立为微控制器。调节设备5尤其对通过探测设备4检测的并且作为输出信号输出的相位信息进行一下分析处理：变压器1的输入阻抗的所检测的相位角是否满足预先确定的相位标准。在此情况下，调节设备5有利地分析处理相位角的局部极点的或者过零点（零点）的充分的满足或达到。如关于图1和图2阐述的那样，即在相应的运行状况中，变压器1的可最大取得的效率位于相应的相位角在频率上的变化过程的这些位置处。

可以设想，从确定的频率出发执行调节，使得连续地改变频率，并且根据在近似和预先确定的相位标准的最后充分的满足方面所阐述的措施来分析处理变压器的输入阻抗的所检测的相位角。所述调节可以在压电变压器1的连续运行期间进行。替代地也可以设想，对于特定的运行状况起初执行预先确定的频带（例如借助扫描信号或线性调频信号（啾声信号）），对相位角在所追求的相位标准方面分析处理，并且接着调节到合适的频率，在该频率的情况下充分地满足相位标准。随后，可以以该频率最优地运行压电变压器1。在此，例如当确定的运行参数如工作气体量、温度等发生变化时，补充地也可以实现在运行期间的另外的再调节。

如果所检测的相位信息充分地满足所阐述的相位标准（例如在围绕所定义的相位标准的预先确定的小范围中），则可以使根据图3A的变压器1在对应的频率下以最优的效率运行。根据图3A的电路装置因此具有以下优点：可以根据变压器1的输入阻抗的所检测的相位信息调节到最优的运行频率，在该运行频率的情况下，满足预先确定的相位标准（参考图1和2）。

图3B以详细视图示出根据图3A的探测设备4。在此情况下，探测设备4实施为相位探测器。首先，将输入电压信号u以及与输入电流成比例的信号u(i)分别供给给比较器K1和K2，用于确定相应的信号的过零点。接着，将如此处理的信号施加到异或门7（XOR=ExklusivODER（异或））的输入端上，只要信号u和u(i)具有相反的符号，则所述异或门7在其输出端上输出高电平。相反地，只要信号u和u(i)具有相同的符号，则所述异或门7输出低电平。异或门7的输出信号此外转发给低通滤波器TP，所述低通滤波器对异或门7的信号求平均。当信号u和u(i)同相的时候，如此获得的输出信号（作为变压器1的输入阻抗的相位角的数值的函数的电压信号）为零。如果信号移相+180度或-180度，则输出信号是最大的。

通过这种方式，如此实施的相位探测器4虽然不可以区别正的相位与负的相位，但获得一个信号（相位信号），该信号与相位角的数值成比例。该信号可以递交给调节设备5（参考图3A），在该调节设备中经由相应的算法、通过频率的迭代式变化和相位信号的分析处理来求取所期望的相位标准的接近或达到，所述相位标准最终导致最优的运行频率。相应的算法例如可以包括零点方法和/或极限值-查找算法。例如也可以设想，应用用于找到最优的相位标准（作为品质函数）的LQ-调节方法来确定相应的运行频率。在此，可设想大量的调节算法或也可设想相应的方法的组合。

图4示出用于压电变压器1的频率调节的电路装置的一种可替代的实施方式。电路装置在一些重要的部件方面相应于根据图3A的电路装置。根据图4的电路装置的唯一区别在于，探测设备4和交流电压源2在设计上统一在一个模块中，并且探测设备4设立为阻抗分析器。因此，在电路装置的返回支路中给探测设备4递交仅仅一个电压信号u(i)，该电压信号类似于图3A地通过分流器6形成，并且与压电变压器1的输入侧1a上的输入电流成比例。信号u(i)在阻抗分析器4中被过采样，并且由信号的相应相位角的采样值通过傅里叶变换来确定。在此例如可以应用快速傅里叶变换（FFT）的算术方法。然后，相应的输出信号可以被递交给调节设备5并且在调节设备5中容易地被分析处理。调节设备5例如可以通过软件再调节作为用于交流电压源2的调节参量的频率。根据图4通过阻抗分析器4分析处理相位角具有以下优点：也可以考虑相位角的符号并且将其包括到分析处理中。

所示出的实施方式仅仅是示例性地选择的。在此阐述的调节方法或所阐述的电路装置允许压电变压器的、尤其压电等离子体生成器的频率调节，用于在相应的运行状况中设定最优的运行频率，使得压电变压器可以以最优的效率运行。所述方法的或所述电路装置的优点在于，相应的调节信息仅仅由可以在变压器的输入侧上量取的信号获得。通过这种方式省去在变压器的输出侧上的信号的量取和返回，由所述在变压器的输出侧上的信号的量取和返回将会负面地影响变压器的运行。此外，相应的电路装置允许简单的结构。

附图标记列表

1 压电变压器

1a 输入侧

1b 输出侧

2 交流电压源

3 功率放大器

4 探测设备

5 调节设备

6 分流器

7 异或门

F1、F2、F3 频率线

Kl 比较器

K2 比较器

P1、P2、P3 相位角

TP 低通滤波器

Z1、Z2、Z3 阻抗数值。

Claims (10)

1.一种用于压电变压器（1）的频率调节的方法，所述方法包括以下步骤：

- 在输入侧（1a）以预先确定的频率的交流电压作为输入电压来激励压电变压器（1），

- 在返回路径中检测所述压电变压器（1）的输入阻抗的相位信息，

- 在预先确定的相位标准方面分析处理所检测的相位信息，

- 根据所分析处理的相位信息调节所述交流电压的频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述预先确定的相位标准作为零点，或者选择所述输入阻抗的相位角的局部极点作为所述交流电压的频率的函数，并且所检测的相位信息的分析处理包括所述预先确定的相位标准的充分满足的评估。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述返回路径中，借助相位探测器将所述输入电压的信号与一个与在所述压电变压器（1）的输入侧上的输入电流成比例的信号进行比较，并且由此求取所述相位探测器的输出信号，所述输出信号与在所述输入电压与所述输入电流之间的相位角的数值成比例，并且用作所述压电变压器（1）的输入阻抗的相位信息。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述返回路径中，借助阻抗分析器对一个与在所述压电变压器（1）的输入侧（1a）上的输入电流成比例的信号采样，并且借助傅里叶变换由所述采样值计算所述信号的相位角，所述相位角用作所述压电变压器（1）的所述输入阻抗的相位信息。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述压电变压器（1）作为等离子体生成器运行，使得在所述输入侧（1a）上具有根据所述方法调节的频率的输入电压被转换成输出高电压，其中，在所述输出侧（1b）上，基于环流所述等离子体生成器的工作气体的离子化来产生等离子体。

6.一种电路装置，所述电路装置包括：

- 压电变压器（1），所述压电变压器具有输入侧（1a）和输出侧（1b），

- 交流电压源（2），所述交流电压源用于在所述压电变压器（1）的所述输入侧（1a）上产生预先确定的频率的输入电压，

- 探测设备（4），所述探测设备被设立在所述压电变压器（1）的所述输入侧（1a）与所述交流电压源（2）之间的返回路径中，用于检测所述压电变压器（1）的所述输入阻抗的相位信息，以及

- 调节设备（5），所述调节设备被设立用于，在预先确定的相位标准方面分析处理所检测的相位信息，并且根据所述所分析处理的相位信息对所述交流电压源（2）预给定用于产生所述输入电压的频率。

7.根据权利要求6所述的电路装置，其中，所述探测设备（4）包括相位探测器，所述相位探测器被接线，使得在所述相位探测器的第一输入端上附有所述输入电压的所述信号，并且在所述相位探测器的第二输入端上附有与在所述压电变压器（1）的所述输入侧（1a）上的输入电流成比例的信号，其中，所述相位探测器被设立用于，在输出端上输出输出信号，所述输出信号包括所述输入阻抗的相位信息。

8.根据权利要求7所述的电路装置，其中，所述相位探测器包括异或门（7）和低通滤波器（TP），所述异或门和所述低通滤波器串联连接，并且其中，在所述异或门（7）的第一输入端上附有所述输入电压的符号信号，并且在所述异或门（7）的第二输入端上附有与在所述压电变压器（1）的输入侧（1a）上的输入电流成比例的符号信号，使得在所述异或门（7）的输出端上可产生输出信号作为比较信号，所述比较信号借助所述低通滤波器（TP）可平均成与所述压电变压器（1）的输入阻抗的相位角的数值成比例的信号。

9.根据权利要求6所述的电路装置，其中，所述探测设备（4）包括阻抗分析器，所述阻抗分析器被接线为，使得在所述阻抗分析器的输入端上附有与所述压电变压器（1）的所述输入侧（1a）上的输入电流成比例的信号，其中，所述阻抗分析器被设立用于，对所述信号采样，并且将所述采样值提供给傅里叶变换，用于计算所述信号的相位角，所述相位角相应于所述压电变压器（1）的所述输入阻抗的相位角。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的电路装置，其中，所述压电变压器（1）是压电等离子体生成器，所述压电等离子体生成器被设立用于，由在所述输入侧（1a）上的输入电压产生在所述输出侧（1b）上的输出高电压，从而在所述输出侧（1b）上，基于环流所述等离子体生成器的工作气体的离子化来产生等离子体。