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Die Erfindung betrifft einen Piezotransformator.
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Piezotransformatoren sind heutzutage in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. TFT-Monitoren (TFT, thin film transistor), zur potentialgetrennten Spannungserhöhung oder Energieübertragung im Einsatz. Piezotransformatoren ersetzen hierbei in der Regel die bisher üblichen magnetischen Transformatoren.
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Es gibt auch Konzepte, Piezotransformatoren zur Leistungs- und/oder Signalübertragung zu nutzen, beispielsweise in Treibern von Leistungsbauelementen. Aus der
DE 10 2006 032 392 A1 ist z. B. ein Verfahren zum Informations- und Energieübertragung bekannt, bei dem ein piezoelektrischer Übertrager zwischen den Schaltungseinheiten eingesetzt wird, über den sowohl Information auch als Energie übertragen wird.
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Ein wichtiges Kriterium für den Einsatz von Piezotransformatoren ist ein hoher Wirkungsgrad, um eine Bauteilerwärmung aufgrund der eingeprägten Verlustleistung zu vermeiden. Durch verschiedene Einflüsse, wie z. B. Oberwellen, Nebenresonanzen, mechanische Verlust bei Schwingungen oder dielektrische Verluste entsteht aber dennoch Verlustleistung. Da dies unvermeidbar ist, kommt es im realen Bauelement dennoch zur Erwärmung.
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Um einen Piezotransformator effizient betreiben zu können, ist es außerdem erforderlich, diesen möglichst genau bei seiner mechanischen Resonanzfrequenz zu betreiben. Bei Lastschwankungen und Temperaturveränderungen ergeben sich Verschiebungen dieser Resonanzfrequenz. Bei gleichbleibender Betriebsfrequenz führt dieser Effekt damit zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung des Piezotransformators.
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Bisher wurden Piezotransformatoren in der Regel kaum in besonderer Weise gekühlt, da diese in Anwendungen mit vergleichsweise geringer Leistung eingesetzt wurden. Eine selbsttätige Kühlung durch Wärmeabstrahlung und selbsttätige Konvektion reichte in den meisten Anwendungen bisher aus.
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Aus der
US 6 800 985 B2 ist es bekannt, einen Piezotransformator unter Zwischenschaltung von Kopplungsmaterial nach Art einer Sandwichbauweise zwischen einer Tragstruktur und einer Metallscheibe zu fixieren, um so eine Kühlanordnung für den Piezotransformator zu schaffen. Das Material für das Kopplungsmaterial muss hierbei sorgfältig ausgewählt werden, um die mechanischen Schwingungen des Piezotransformators nicht zu bedämpfen. Bei der Kühlung von Piezotransformatoren ist essentiell, dass die Piezotransformatoren selbst schwingen und die Schwingung durch die Ankopplung an den Kühlkörper nicht gedämpft werden soll.
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Auch aus der
DE 10 2005 036 077 A1 ist es bekannt, den Grundkörper eines Piezotransformators auf einem Kühlkörper anzuordnen und mittels mindestens eines wärmeleitenden Kopplungselements thermisch an den Kühlkörper zu koppeln.
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Aus der
US 6 215 227 B1 ist ein als Dickenschwinger ausgebildeter Piezotransformator bekannt, der mit Endmassen versehen ist, um die Eigenschaften des Piezotransformators zu verbessern.
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Es ist also stets wünschenswert, den Piezotransformator zu kühlen, ohne hierbei seine Kerneigenschaften, nämlich die potentialgetrennte Energie- und Signalübertragung, signifikant zu stören. Innerhalb des Piezotransformators darf also keine oder nur eine geringe Schwingungsdämpfung erfolgen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Piezotransformator mit Kühlkörper anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Piezotransformator gemäß Patentanspruch 1, der als Dickenschwinger ausgebildet ist, und dessen Primär- und Sekundärseite gegenläufig schwingend in Schwingungsrichtung in Reihe geschaltet sind. Der Piezotransformator weist eine sich quer zu Schwingungsrichtung erstreckende Außenfläche auf. Erfindungsgemäß ist ein starrer Kühlkörper, also mit hoher Federsteifigkeit, starr an die Kontaktfläche gekoppelt. Die Kopplung ist derart starr ausgelegt, dass der Kühlkörper ein schwingungstechnisches Widerlager für die Außenfläche bildet.
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Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass ein Piezo-transformator in Abkehr von der bisherigen Lehre gerade bei starrer Ankopplung an den Kühlkörper, also eben ohne Zwischenlagerung eines wärmeleitenden Kopplungselements bzw. eines Koppelmaterials, gekühlt werden kann, ohne dessen Wirkungsgrad zu verschlechtern.
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Der mechanische Übertragungseffekt innerhalb des Piezotrans-formators entspricht einer stehenden Welle, welche mechanisch reflektiert wird. Die Reflektion erfolgt unter anderem an der Außenfläche, das Volumen des Piezotransformators bleibt auch beim Schwingen gleich. Die Ausdehnung des Piezotransformators im Resonanzbetrieb liegt im Mikrometerbereich, die Schwingungsfrequenz typischerweise im Megahertzbereich.
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Die Erfindung beruht weiterhin auf der Erkenntnis, dass der so angekoppelte Kühlkörper als starres begrenzendes Element bzw. als Widerlager wirkt und eben nicht mit dem Piezotransformator mitschwingt. Mit anderen Worten verstärkt, bzw. stabilisiert oder fixiert der Kühlkörper die Außenfläche als mechanische Resonanzfläche des Piezotransformators im Raum, so dass dessen Schwingungseigenschaften sogar noch verbessert werden.
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Die Erfindung nutzt den überraschenden Effekt, dass sich der starr angekoppelte Kühlkörper sogar positiv auf die Funktionsweise des Piezotransformators auswirkt: Weiche bzw. elastische Verbindungen zwischen Piezotransformator und Kühlkörper, z. B. durch Wärmepasten, Einbettung oder Zwischenlagerung von Koppelmaterialen, scheinen den Piezotransformator also mehr zu bedämpfen als ein starr angekoppelter, ein Widerlager bildender starrer Kühlkörper. Durch die Funktion als Widerlager steigert der Kühlkörper die Effektivität des Piezotrans-formators. Der Kühlkörper dient also als Widerlager für die mechanische Ausdehnung des Piezotransformators, ohne jedoch dessen Schwingungsenergie zu absorbieren. Durch die Abführung der Wärme wird die Effizienz des Piezotransformators nochmals gesteigert. Die Funktionalität des Piezotransformators wird durch den als Widerlager ausgebildeten Kühlkörper entgegen bisheriger Erwartungen eben nicht beeinträchtigt. Die beim Betrieb eines Piezotransformators anfallende Verlustleistung kann so ohne Einschränkung dessen Bauelementeeigenschaften abgeführt werden.
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Die Erfindung nutzt außerdem die Erkenntnis, dass der Nutzen durch einen massiven Abtransport von Wärme einen eventuellen Nachteil durch eine geringe mechanische Dämpfung seitens des Kühlkörpers übersteigt.
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Gemäß der Erfindung wird der Piezotransformator also mit einem Kühlkörper mit entsprechend guter Wärmeleitfähigkeit und hoher mechanischer Steifigkeit, z. B. einem Metallklotz, starr verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise über eine Schraube, Pressverbindung, Andruckfeder oder durch Löten oder Sintern erfolgen.
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Durch die erfindungsgemäße passive Kühlung des Piezotransformators wird es möglich, die Verlustleistung aus dem Piezotransformator in kompakter Weise und kosteneffizient abzuführen. Somit wird ein hoher Systemwirkungsgrad erreicht, wenn z. B. der Piezotransformator in einer Treiberschaltung bzw. einer Ansteuerschaltung realisiert ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühlkörper durch einen bzw. mit einem gewissen Anpressdruck an die Außenfläche gekoppelt. Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass der angekoppelte Kühlkörper dann besonders gut als Widerlager wirkt, wenn durch den Kühlkörper kein zu hoher Druck auf den Piezotransformator ausgeübt wird. Der entsprechend geeignete Anpressdruck des Kühlkörpers an die Außenfläche hängt unter anderem von der Geometrie und den gewählten Materialien ab.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist der Kühlkörper mit einem bestimmten Druck an die Außenfläche angepresst. Der Druck ist hierbei größer einem ersten Druck gewählt, ab dem der Kühlkörper dem Piezotransformator als schwingungstechnisches Widerlager dient. Der Druck ist kleiner einem zweiten Druck gewählt, ab dem der Piezotransformator eine leistungseinschränkende Schwingungsdämpfung durch den Kühlkörper erfährt. Mit anderen Worten existiert für einen bestimmten Piezotransformator stets ein optimaler Bereich von Anpressdrücken zwischen Kühlkörper und Außenfläche, so dass der Druck groß genug ist, um das Widerlager zu realisieren, jedoch den Piezotransformator noch nicht bezüglich seiner mechanischen Schwingung zu stark einzuschränken. Da dieser Parameter stark von den Bauelementegeometrien und Materialdaten abhängt, müssen anwendungsspezifisch entsprechende Drücke bzw. Druckbereiche durch Versuche ermittelt werden. Dies geschieht, in dem z. B. der Wirkungsgrad des Transformators bei bestimmten Anpressdrücken ermittelt wird, und der Anpressdruck in dem Bereich gewählt wird, in dem die Leistungsübertragung des Piezotransformators, d. h. dessen Wirkungsgrad, maximal ist.
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Erfindungsgemäß weist der Piezotransformator zwei gegenüberliegende Außenflächen auf. An jede der Außenflächen ist ein starrer Kühlkörper starr gekoppelt. Beide Kühlkörper sind außerdem starr miteinander verbunden. Die beiden Kühlkörper schließen damit den Piezotransformator starr zwischen sich ein. Beide Kühlkörper bilden somit Widerlager an beiden Außenflächen des Piezotransformators, welche in Schwingungsrichtung an den jeweiligen mechanischen Reflektionsflächen der mechanischen Wellen liegen. Durch einen entsprechend gestalteten Anpressdruck der Kühlkörper an beiden Außenflächen können in unerwarteter Weise die mechanischen Resonanzeigenschaften des Piezotransformators gegenüber dessen freier Schwingung, also ohne Widerlager, sogar noch gesteigert werden, anstatt diesen – wie bisher angenommen – zu bedämpfen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit zwei Kühlkörpern können diese derart starr verbunden sein, dass sich diese unter Durchdringung des Piezotransformators magnetisch anziehen. Mit anderen Worten ziehen sich die Kühlkörper gegeneinander an und schließen hierbei den Piezotransformator mit der durch die magnetische Anziehung entstehenden Kraft zwischen sich ein. Die Krafterzeugung sowie die Montage der Kühlkörper ist so besonders einfach auszuführen. Neben den oben angesprochenen Verbindungsmöglichkeiten durch Schrauben etc. stellt dies also eine besonders einfache Möglichkeit dar, den Kühlkörper am Piezotransformator zu befestigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Piezotransformator auf einer Tragstruktur gelagert. Der Kühlkörper ist dann starr an der Tragstruktur angebracht. Der Kühlkörper bildet dann ein bezüglich der Tragstruktur starres schwingungstechnisches Widerlager für die Außenfläche. Zum Beispiel ist dann der Kühlkörper mit seinen Außenflächen einerseits am Kühlkörper und andererseits an der Tragstruktur abgestützt. So ergibt sich der gleiche Effekt, als wäre der Piezotransformator zwischen zwei starr verbundenen Kühlkörpern eingespannt.
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Im Regelfall ist also der Kühlkörper immer direkt an der Außenfläche angeordnet, d. h. ohne Zwischenlage irgendwelcher Materialen wie Wärmeleitpaste oder Koppelmaterial. Ist der Piezotransformator allerdings mit seiner Außenfläche starr an die Tragstruktur angekoppelt, z. B. angeklebt oder angelötet und ist die Tragstruktur in diesem Bereich starr, dann kann der Kühlkörper auch an der der Außenfläche gegenüberliegenden Seite der Tragstruktur starr angebracht sein. Der Kühlkörper ist dann ebenfalls starr, aber nicht direkt an die Außenfläche gekoppelt. Diese Variante kann besonders vorteilhaft mit der o. g. erfindungsgemäßen Ausgestaltung der magnetisch anziehenden Kühlkörper kombiniert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet der Kühlkörper aufgrund seiner Massenträgheit in Relation zur Schwingungsenergie des Piezotransformators das Widerlager für die Außenfläche. In diesem Fall muss der Kühlkörper z. B. nicht unbedingt starr mit einer Tragstruktur oder einen gegenüberliegenden Kühlkörper verbunden sein. Diese Ausführungsform lässt sich besonders gut mit der Ausführungsform der magnetisch anziehenden Kühlkörper verbinden, denn dann müssen diese nicht anderweitig fixiert werden. Mit anderen Worten wird der Kühlkörper derart schwer bzw. massiv ausgeführt, dass dessen Massenträgheit ausreicht, um bezüglich der Piezotransformators und dessen schwingender mechanischer Eigenmasse ein effektives Widerlager zu bilden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper eine thermischen Kapazität auf, die mindestens doppelt so groß, und/oder einen thermischen Widerstand auf, der mindestens um den Faktor zwei kleiner, also mindestens halb so klein ist, wie die jeweiligen Größen des Piezotransformators. Dies hat den Effekt, dass der Kühlkörper als Wärmesenke fungiert. Der thermische Widerstand und die thermische Kapazität sind thermische Kenngrößen aus einem thermischen Ersatzschaltbild des Piezotransformators mit Kühlkörper. Der Wärmeabtransport vom Piezotransformator zum Kühlkörper wird dabei als Stromfluss modelliert und der thermische Widerstand und die thermische Kapazität haben Einfluss auf die durch den Kühlkörper aufnehmbare bzw. transportierbare Wärmemenge hat.
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Für eine weitere Beschreibung der Erringung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 einen Piezotransformator mit Kühlkörper auf einer Tragstruktur mit Schraub- oder Steckverbindung,
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2 den Piezotransformator aus 1 bei alternativer Montage mit Magnet- oder Klemmhalterung,
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3 den Wirkungsgrad des Piezotransformators aus 1 bei verschiedenen Anpressdrücken.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Treibers 2 für ein nicht dargestelltes leistungselektronische Bauelement, nämlich dessen eine Treiberschaltung tragende Platine 4 (PCB, printed circuit board). Letztere bildet gleichermaßen eine Tragstruktur 5 für darauf angeordnete Elemente. Von der Treiberschaltung ist lediglich ein Piezotransformator 6 gezeigt.
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Der Piezotransformator 6 umfasst zwei piezoelektrische Keramikscheiben 8a, b welche unter Zwischenlage einer Isolierschicht 10 aneinandergefügt sind. Der Piezotransformator 6 ist ein Dickenschwinger, d. h. die Keramikscheiben 8a, b schwingen in Richtung der Mittellängsachse 12, wobei z. B. eine Expansion der Keramikscheibe 8a, angedeutet durch den Pfeil 14a, mit einer Stauchung der Keramikscheibe 8b, angedeutet durch den Pfeil 14b, einhergeht. Somit bleibt auch im Betrieb des Piezotransformators 6 die Höhe h des gesamten Piezotransformators 6 zwischen seinen jeweiligen oberen und unteren kreisförmigen Außenflächen 16a, b konstant. Die Mittellängsachse 12 des Piezotransformators 6 stellt somit auch die Schwingungsrichtung 18 des Piezotransformators 6 dar. Die Keramikscheiben 8a, b sind also in Schwingungsrichtung 18 gegenläufig schwingend in Reihe geschaltet. Die Keramikscheibe 8a entspricht hierbei z. B. der Primärseite 20, die Keramikscheibe 8b der Sekundärseite 22 des Piezotransformators 6.
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An jeder der sich quer zur Schwingungsrichtung 18 erstreckenden Außenflächen 16a, b ist direkt und starr, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Dämpfungs- oder Kopplungsmaterials, welches mechanisch federnde Eigenschaften aufweisen würde, ein Kühlkörper 24a, b angebracht, wobei auch dieser in sich starr, z. B. als massiver Metallblock, ausgeführt ist.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind beide Kühlkörper 24a, b auch gegenseitig, mit- bzw. untereinander starr verbunden, schließen also den Piezotransformator 6 starr zwischens sich ein. Für die starre Verbindung untereinander sind in 1 zwei Alternativen gezeigt, nämlich eine Schraubverbindung durch eine sich mit entsprechenden, nicht näher erläuterten Schraubenköpfen am Kühlkörper 24a und an der Platine 4 abstützende Schraube 26. Durch die Schraube 26 ist außerdem der gesamte Piezotransformator 6 zusammen mit den Kühlkörpern 24a, b auf der Platine 4 gehalten.
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1 zeigt auch eine alternative Lösung, nämlich einen am Kühlkörper 24b angebrachten Verbindungsstift 28, welcher an seinem entfernten Ende eine Rastnase 30 trägt, welche im montierten Zustand den Kühlkörper 24a hintergreift und so die starre, den Piezotransformator 6 einschließende Verbindung der beiden Kühlkörper 24a, b bewerkstelligt.
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In 1 ist zu erkennen, dass die Kühlkörper 24a, b ein mechanisches bzw. schwingungstechnisches Wiederlager 32 für den Piezotransformator 6 bilden, nämlich dessen Außenflächen 16a, b entsprechend fixieren, wobei die Schwingung des Piezotrans-formators 6 entsprechend der Pfeile 14a, b und somit eine Schwingung der Isolierschicht 10 in Schwingungsrichtung 18 weiterhin frei möglich ist.
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2 zeigt den Piezotransformator 6 aus 1 in einer alternativen Anordnung, wobei dieser nämlich mit seiner Außenfläche 16b direkt mit der Platine 4 verbunden, z. B. auf dieser festgelötet ist. In einer ersten Ausführungsform ist nur ein einziger Kühlkörper 24a auf der anderen Außenfläche 16a ebenfalls angelötet bzw. angesintert, wodurch auch dieser wiederum direkt und starr am Piezotransformator 6 angebracht ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist wieder zusätzlich auch ein zweiter Kühlkörper 24b starr an die Außenfläche 16b des Piezotransformators 6 gekoppelt, in dem dieser nämlich in verschiedenen Ausführungsformen auf die der Außenfläche 16b gegenüber liegende Seite der Platine 4 aufgelötet, starr aufgeklebt oder mit Hilfe einer Klammer 34 an der Platine 4 oder am gegenüber liegenden Kühlkörper 24a starr verspannt ist.
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Zwar ist in diesem Fall ein Teil der Platine 4 zwischen der Außenfläche 16b und dem Kühlkörper 24b angeordnet, da jedoch sowohl die jeweilige Verbindung als auch die Platine 4 selbst starr ist, d. h. keine wesentliche bzw. merkliche Schwingungsdämpfung am Piezotransformator 6 bewirkt, gilt auch diese Verbindung als starr.
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In den bisherigen Ausgestaltungen ist das Widerlager 32 dadurch erzeugt, dass die Kühlkörper 24a, b starr mit der Platine 4, oder dem Piezotransformator 6 verbunden sind. In einer erfindungsgemäßen Ausführung sind im Gegensatz hierzu in 2 die Kühlkörper 24a, b nicht durch körperliche Hilfsmittel am Piezotransformator 6 befestigt, sondern dadurch, dass sie sich unter Durchdringung des Piezotransformators 6 gegenseitig magnetisch anziehen. Die gezeigt Klammer 34 ist dann ebenfalls obsolet, da alleine durch die magnetische Anziehungskraft die Kühlkörper 24a, b am Piezotransformator 6 angedrückt sind und auch über entsprechende Reibung an diesem und der Platine 4 Halt finden. Eine zusätzliche Fixierung ist daher nicht notwendig.
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Insbesondere der Kühlkörper 24a ist in diesem Fall nicht starr, z. B. mit der Platine 4 verbunden. Dennoch stellt dieser auch wieder ein Wiederlager 32 für die Außenfläche 16a dar, nämlich alleine durch seine ihm eigene Massenträgheit in Relation zur Schwingungsenergie im Inneren des Piezotransformators 6.
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3 zeigt in einem qualitativen Diagramm über dem Anpressdruck p des Kühlkörpers 24a, b an die jeweilige Außenfläche 16a, b den Wirkungsgrad η für die Übertragung von Energie durch den Piezotransformator 6, also von dessen Primärseite 20 zur Sekundärseite 22. Zu sehen ist, dass bei steigendem Anpressdruck p der Wirkungsgrad η zunächst ansteigt, und zwar merklich ab einem unteren Druck p1, bei welchem der Kühlkörper 24a, b ein wirksames Widerlager 32 für die Außenflächen 16a, b bildet. Der Wirkungsgrad η erreicht dann ein Maximum beim Druck p3 und fällt bei weitersteigendem Anpressdruck p weiter ab, wenn nämlich ab einem zweiten Druck p2 der Piezotrans-formator 6 eine merkliche leistungseinschränkende Schwingungsdämpfung durch den angedrückten Kühlkörper 24a, b erfährt. Der Anpressdruck p wird daher bei der Auslegung des Treibers 2 so gewählt, dass dieser zwischen den beiden Drücken p1 und p2 liegt, vorzugsweise jedoch beim Druck p3.
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4 zeigt einen Kühlkörper 24 mit aufgesetztem Piezotrans-formator 6 in schematischer Darstellung. Eingezeichnet sind außerdem die thermische Impedanz ZthPT des Piezotransformators 6 und die thermische Impedanz ZthKK des Kühlkörpers 24.
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5 zeigt ein einfaches thermisches Ersatzschaltbild zur Anordnung aus 4. Dargestellt sind als Komponenten der Impedanz ZPT der thermische Widerstand RthPT und die thermische Kapazität CthpT des Piezotransformators 6. Die Impedanz Zkk dagegen teilt sich auf in den thermische Widerstand RthKK und die thermische Kapazität CthKK des Kühlkörpers 24. Die Umgebungstemperatur T(amb) und die im Piezotransformator entstehende thermische Leistung P(th) sind ebenso als Elemente des Ersatzschaltbildes dargestellt. Das thermische Ersatzschaltbild simuliert die thermischen Vorgänge in der Anordnung aus 4 nach Art eines elektrischen Ersatzschaltbildes mit entsprechender Übertragung der thermischen in elektrische Größen.
