DE102010024845B4 - High voltage generator - Google Patents
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-
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- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/183—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using impacting bodies
Abstract
Hochspannungsgenerator (1), insbesondere zur Verwendung als Störfrequenz-Generator, der mindestens eine aus eine Anzahl „n” Piezoelementen (2) bestehende Piezo-Säule (100) zum Wandeln von mechanischem Druck in elektrische Spannung und eine damit funktional verbundene Last (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils benachbarten Piezoelemente (2) der Piezo-Säule (100) elektrisch voneinander isoliert angeordnet und die einander zugewandten Elektroden (6, 7) benachbarter Piezoelemente (2) jeweils über eine Funkenstrecke (9) miteinander verbunden sind.High voltage generator (1), in particular for use as a disturbance frequency generator, comprising at least one piezo column (100) consisting of a number of "n" piezo elements (2) for converting mechanical pressure into electrical voltage and a load (4) functionally connected thereto. comprises, characterized in that the respectively adjacent piezoelectric elements (2) of the piezo-column (100) arranged electrically isolated from each other and the facing electrodes (6, 7) of adjacent piezoelectric elements (2) in each case via a spark gap (9) are interconnected.
Description
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator, insbesondere zur Verwendung als Störfrequenz-Generator, der mindestens eine aus eine Vielzahl n Piezoelementen bestehende Piezo-Säule zum Wandeln von mechanischem Druck in elektrische Spannung umfasst, wobei die Anzahl der Piezoelemente n > 3 beträgt, und die Spannung über mindestens eine Funkenstrecke kurzschließbar ist.The invention relates to a high-voltage generator, in particular for use as a disturbance frequency generator, which comprises at least one consisting of a plurality n Piezo piezoelectric column for converting mechanical pressure into electrical voltage, wherein the number of piezoelectric elements is n> 3, and the voltage across at least one spark gap is short-circuited.
Durch die zunehmende Komplexität von Sensorik, Elektronik, Mikroelektronik in modernen intelligenten Verteidigung-, Kommunikations- und Überwachungssystemen steigt zum einen die Leistungsfähigkeit dieser Systeme, zum anderen können diese aber aufgrund ihrer Baueigenschaften sehr anfällig für elektromagnetische Felder hoher Leistungsdichte sein (HPME – High Power Electromagnetics). Diese in der Praxis verbringbaren Quellen ermöglichen es, die Sensorik und/oder Elektronik mit geringen kollateralen Schäden zu stören bzw. sogar zu zerstören (
Neben Explosivstoffen als Energiequelle (
Bei derart bekannten Hochspannungsgeneratoren werden die Piezoelemente üblicherweise stapelförmig übereinander angeordnet. Dabei sind die einander zugewandten Elektroden benachbarter Piezoelemente elektrisch leitend miteinander verbunden, sodass die Piezoelemente der entsprechenden Piezo-Säule eine Serienschaltung bilden. Wird daher auf die Enden der Piezo-Säule Druck ausgeübt, so ergibt sich eine Gesamtspannung n × U0, wobei U0 der Scheitelwert der von dem einzelnen Piezoelement erzeugten Stoßspannung bedeutet. Über eine Funkenstrecke, die fremd gezündet oder selbstzündend sein kann, entlädt sich die in den Piezoelementen gespeicherte Energie dann in eine Last (beispielsweise eine Antenne des Störsenders).In such known high voltage generators, the piezoelectric elements are usually stacked arranged one above the other. In this case, the mutually facing electrodes of adjacent piezo elements are electrically conductively connected to each other, so that the piezo elements of the corresponding piezo column form a series circuit. Therefore, if pressure is exerted on the ends of the piezoelectric column, the result is a total voltage n × U 0 , where U 0 is the peak value of the surge voltage generated by the individual piezoelectric element. Over a spark gap, which may be ignited or spark ignited, the stored energy in the piezoelectric elements then discharges into a load (for example, an antenna of the jammer).
Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, lassen sich durch die Stapelung seriell geschalteter Piezoelemente Spannungen bis maximal 250 kV erzeugen. Erwünscht bzw. erstrebenswert sind jedoch Spannungen im Megavoltbereich.As tests by the Applicant have shown, voltages of up to 250 kV can be generated by stacking serially connected piezo elements. Desirable or desirable, however, are voltages in the megavolt range.
Aus der
Auch bei diesem Hochspannungsgenerator werden die beiden Piezo-Säulen durch übereinander gestapelte Piezoelemente gebildet, wobei die Elektroden benachbarter Piezoelemente elektrisch direkt miteinander verbunden sind, sodass sich wiederum Serienschaltungen mit den vorstehend erwähnten Nachteilen ergeben.Also in this high-voltage generator, the two piezoelectric columns are formed by stacked piezoelectric elements, the electrodes of adjacent piezoelectric elements are electrically connected directly to each other, so in turn result series circuits with the disadvantages mentioned above.
Die
Mit der
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsgenerator der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem Spannungen durch Erhöhung der Anzahl der Piezoelemente auch über einen Wert von 250 kV erzeugt werden können.Based on this, the present invention seeks to provide a high voltage generator of the type mentioned, with the voltages can be generated by increasing the number of piezo elements over a value of 250 kV.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.This object is achieved by the features of claim 1. Further, particularly advantageous embodiments of the invention disclose the dependent claims.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, die Stapelung der einzelnen Piezoscheiben nach dem Prinzip eines Marx-Generators vorzunehmen. Da die gepressten Piezoscheiben sich wie geladene Keramikondensatoren verhalten, ist es möglich, sie wie die Kondensatoren in einem Marx-Generator zu entladen. – Die
Demgegenüber erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungsgenerator keine parallele Aufladung von Kapazitäten, sondern elektrisch isolierte, aber mechanisch parallel zueinander angeordnete Piezoelemente erzeugen durch Ausübung eines entsprechend hohen Druckes jeweils eine Stoßspannung mit dem Scheitelwert U0. Durch Zünden der Funkenstrecken zwischen den Elektroden benachbarter Piezoelemente erfolgt anschließend, ähnlich wie bei dem Marxgenerator, eine entsprechende Vervielfachung der Spannung an der Piezo-Säule in Abhängigkeit von der Anzahl der Piezoelemente.In contrast, in the high voltage generator according to the invention no parallel charging of capacitances, but electrically isolated, but mechanically mutually parallel piezoelectric elements generate by exerting a correspondingly high pressure in each case a surge voltage with the peak value U 0 . By igniting the spark gaps between the electrodes of adjacent piezoelectric elements, a corresponding multiplication of the voltage on the piezoelectric column as a function of the number of piezoelectric elements then takes place, similar to the Marx generator.
Der wesentliche Unterschied ist also, dass keine Aufladung der einzelnen Kondensatoren durch elektrische Hochspannung notwendig ist, sondern, dass die Piezoscheiben durch einen hohen Druck innerhalb von Millisekunden zusammengepresst werden. Da einzelnen Scheiben bei gleichem Druck höhere Spannungen als ein Stapel von Scheiben halten, wird der Stapel so aufgebaut, dass jede Scheibe gegeneinander isoliert ist und erst beim Erreichen eines maximalen Spannungswertes an jeder einzelnen Scheibe durch Funkenstrecken eine Reihenschaltung entsteht und die Spannung sich somit abhängig von der Anzahl der Scheiben vervielfacht. Im Gegensatz zu den bekannten Hochspannungsgeneratoren der gattungsgemäßen Art, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungsgenerator bei Ausübung eines entsprechenden Druckes auf die Piezo-Säule noch keine Addition der durch die einzelnen Piezoelementen erzeugten Stoßspannungen, sondern erst wenn nach Erreichen der Schaltspannung auf die Piezo-Säule durch Zünden der Funkenstrecken zwischen den Elektroden benachbarter Piezoelemente die einzelnen Piezoelemente elektrisch eine Serienschaltung bilden, wird die Spannung an der Piezo-Säule in Abhängigkeit von der Anzahl der Piezoelemente entsprechend vervielfacht. Überraschenderweise wird durch diesen Vorgang die Hochspannungsfestigkeit der Piezo-Säule gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich verbessert.The main difference is that no charging of the individual capacitors by high voltage electrical is necessary, but that the piezoelectric disks are compressed by a high pressure within milliseconds. Since individual disks at the same pressure hold higher voltages than a stack of disks, the stack is constructed so that each disk is insulated from each other and only when reaching a maximum voltage value at each disk by spark gaps a series circuit is formed and the voltage thus depends on the number of discs multiplied. In contrast to the known high-voltage generators of the generic type, in the high-voltage generator according to the invention upon exercise of a corresponding pressure on the piezo column still no addition of the generated by the individual piezo elements surge voltages, but only when after reaching the switching voltage to the piezo column by igniting the spark gaps between the electrodes of adjacent piezoelectric elements, the individual piezoelectric elements electrically form a series circuit, the voltage on the piezoelectric column is multiplied correspondingly in dependence on the number of piezoelectric elements. Surprisingly, this process substantially improves the high-voltage strength of the piezoelectric column compared with known arrangements.
Es ist dabei angedacht, die jeweils benachbarten Piezoelemente einer Piezo-Säule elektrisch voneinander isoliert anzuordnen und die einander zugewandten Elektroden benachbarter Piezoelemente jeweils über eine eigene Funkenstrecke miteinander zu verbinden, sodass sich erst nach Zündung der Funkenstrecken eine Serienschaltung der Piezoelemente und damit eine Erhöhung der Gesamtspannung ergibt.It is envisaged to electrically isolate each of the adjacent piezoelectric elements of a piezoelectric column from each other and to connect the mutually facing electrodes of adjacent piezoelectric elements each with its own spark gap, so that only after ignition of the spark gaps, a series connection of the piezoelectric elements and thus an increase in the total voltage results.
Vorteilhafterweise wird die Hochspannung lediglich für (sehr kurzen) den Zeitraum erzeugt, indem sie benötigt wird. Zugleich ist es möglich, durch die Funkenstrecken an einer Induktivität ein resonantes Umladen in einen kapazitiven Resonator mit Antenne zu erzeugen. Die Spannung an der Antenne wird dadurch nochmals erhöht, sodass mit niedrigeren Eingangsspannungen stärkere HPEM-Pulse (HPEM: High Power Electromagnetics) erzeugt werden können.Advantageously, the high voltage is generated only for (very short) the period of time by being needed. At the same time it is possible to generate by the spark gaps at an inductance resonant transfer into a capacitive resonator with antenna. The voltage at the antenna is thus increased again, so that lower input voltages stronger HPEM pulses (HPEM: High Power Electromagnetics) can be generated.
Wertere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand einer Figur erläuterten Ausführungsbeispiel.More valuable details and advantages of the invention will become apparent from the following, explained with reference to a figure embodiment.
In der Figur ist mit
Jedes Piezoelement
Benachbarte Piezoelemente
Wird nun in Richtung des mit
Zündet nun eine Funkenstrecke
Die im elektrischen Feld gespeicherte Gesamtenergie entlädt sich nun über die Funkenstrecke
Durch eine geschickte Wahl der Induktivität in der Zuleitung zur Last
Der Druck auf das Scheibenpaket
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- HochspannungsgeneratorHigh voltage generator
- 22
- Piezoelementpiezo element
- 33
- (erste) Funkenstrecke(first) spark gap
- 44
- Lastload
- 55
- Teilpart
- 6, 76, 7
- Elektrodenelectrodes
- 88th
- Isolierscheibeinsulating
- 99
- (zweite) Funkenstrecke(second) spark gap
- 1010
- Entladewiderstanddischarge
- 1111
- MasseDimensions
- 1212
- Pfeilarrow
- 100100
- Piezo-SäulePiezo column
Claims (6)
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