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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler zur Umwandlung
elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. zur Umwandlung mechanischer
Schwingungen in elektrische Schwingungen, der insbesondere als elektromechanischer
Wandler in Filterschaltungen vorgesehen ist.
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In vielen Schaltungsanordnungen der Nachrichtenübertragungstechnik
werden bekanntlich mechanische Wandler in den verschiedensten Ausführungsformen
verwendet. Solche elektromechanischen Wandler dienen der Umwandlung elektrischer
Schwingungsenergie in mechanische Schwingungsenergie, wobei verschiedene Wandlerarten
auf zum Teil recht unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen. So findet
beispielsweise der bekannte Schwingquarz ein vielseitiges Anwendungsgebiet in Filterschaltungen
und als Frequenznormal. Die Entstehung mechanischer Schwingungen beruht hierbei
auf dem sogenannten piezoelektrischen Effekt. über den piezoelektrischen Effekt
werden ferner sogenannte Verbundschwinger angeregt, bei denen beispielsweise auf
einen metallischen Resonator oder unmittelbar im Zug eines metallischen Resonators
aus elektrostriktivem Material bestehende Plättehen vorgesehen sind. Derartige Verbundschwinger
werden gern als Endresonatoren in mechanischen Filterschaltungen verwendet.
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Als typischer Vertreter der sogenannten magnetomechanischen Wandler
ist ferner der magnetostriktive Schwinger bekanntgeworden, bei dem die Erregung
mechanischer Schwingungen auf dem sogenannten Magnetostriktionseffekt beruht. Es
sind ferner eine Reihe elektromechanischer Wandler bekanntgeworden, die elektrische
Schwingungen unmittelbar in Schallschwingungen umwandeln, wie beispielsweise die
elektrostatischen oder die elektrodynamischen Wandler.
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Verwendet man beispielsweise einen über den piezoelektrischen Effekt
angetriebenen mechanischen Resonator als Endresonator in einer mechanischen Filterschaltung
oder einen Schwingquarz in einer Schaltung mit konzentrierten Schaltelementen, dann
zeigt sich, daß eine durch die physikalischen Eigenschaften eines derartigen Resonators
vorgegebene Bandbreite nicht überschritten werden kann. Es ist nämlich der elektromechanische
Kopplungsfaktor eines elektrostriktiv angetriebenen mechanischen Resonators gleich
dem Verhältnis aus seiner dynamischen Kapazität und seiner statischen Kapazität.
Da die statische Kapazität wesentlich größer als die dynamische Kapazität ist, ergibt
sich für den elektromechanischen Kopplungsfaktor, und damit für die relative Bandbreite,
ein verhältnismäßig kleiner Wert. Um dieser Schwierigkeit wenigstens teilweise zu
begegnen, ist es bereits bekanntgeworden, der statischen Kapazität eines derartigen
Resonators eine Induktivität parallel zu schalten. Bestenfalls ergibt sich dabei
ein Wert
wenn Cq die dynamische und Cp die statische Kapazität bedeutet und wenn gleichzeitig
die für eine Filterschaltung übrigen erforderlichen Werte eingehalten werden sollen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten
in verhältnismäßig einfacher Weise weitgehend abzuhelfen; insbesondere soll der
Aufbau elektromechanischer Wandler angegeben werden, die es gestatten, eine an sich
beliebig wählbare Bandbreite, d. h. also eine wählbare Größe für den elektromechanischen
Kopplungsfaktor zu erzielen, wenn gleichzeitig die guten Eigenschaften elektromechanischer
Wandler erhalten bleiben sollen.
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Ausgehend von einem elektromechanischen Wandler zur Umwandlung elektrischer
Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. zur Umwandlung mechanischer Schwingungen
in elektrische Schwingungen, der insbesondere als elektromechanischer Wandler in
Filterschaltungen vorgesehen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in der
Weise gelöst, daß einem elektromechanischen Wandler ein mit einem Blindwiderstand
abgeschlossener Negativ-Impedanz-Konverter zugeschaltet ist.
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Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, wenn der elektromechanische
Wandler als elektrostriktiv wirkender elektromechanischer Wandler ausgebildet ist,
dessen statischer Kapazität ein mit einer Kapazität abgeschlossener Negativ-Impedanz-Konverter
parallel geschaltet ist. Dabei kann der statischen Kapazität des Wandlers zusätzlich
eine Induktivität parallel geschaltet sein.
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Es ist ferner günstig, wenn der elektromechanische Wandler als magnetostriktiv
wirkender elektromechanischer Wandler ausgebildet ist, dessen statischer Induktivität
ein mit einer Induktivität abgeschlossener Negativ-Impedanz-Konverter in Serie geschaltet
ist.
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Zur Realisierung integrierter Schaltungen ist hierbei daran gedacht,
die den Negativ-Impedanz-Konverter abschließende Induktivität durch einen mit einer
Kapazität abgeschlossenen Gyrator zu ersetzen.
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Vorteilhaft lassen sich die vorstehend genannten elektromechanischen
Wandler in Filterschaltungen mit konzentrierten Elementen oder als Eingangs-oder
Ausgangswandler eines mechanischen Filters verwenden.
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Als elektromechanische Wandler können ferner elektrostatische oder
elektrodynamische Wandler vorgesehen werden.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
noch näher erläutert. Es zeigen in der Zeichnung F i g. I a und 1 b den bekannten
Schwingquarz und sein elektrisches Ersatzschaltbild, F i g. 2 a und 2 b einen bekannten
magnetostriktiven elektromechanischen Wandler und sein elektrisches Ersatzschaltbild,
F i g. 3 einen erfindungsgemäßen Wandler an Hand eines Blockschaltbildes, F i g.
4 a und 4 b einen elektrostriktiven Wandler und dessen Ersatzschaltbild, F i g.
5 a und 5 b einen magnetostriktiven Wandler und dessen Ersatzschaltbild, F i g.
6 eine Schaltung zur Realisierung einer negativen Induktivität in integrierter Bauweise,
F i g. 7 a die Verwendung eines Schwingquarzes in einer einfachen Filterschaltung,
F i g. 7 b das zu F i g. 7 a gehörige Reaktanzdiagramm, F i g. 8 a ein mechanisches
Filter, das als Eingangs-und als Ausgangswandler einen elektrostriktiv angetriebenen
Verbundschwinger hat, F i g. 8 b das zu F i g. 8 a gehörige elektrische Ersatzschaltbild.
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Zum besseren Verständnis des Erfindungsgedankens
sind
in den F i g. 1 a bis 2 b die an sich bekannten Verhältnisse für einen piezoelektrischen
und einen magnetostriktiven Wandler gezeigt. Als Beispiel für einen piezoelektrischen
Wandler ist in der F i g. 1 a ein Schwingquarz Q verwendet, bei dem bekanntlich
ein aus Quarz bestehendes Plättchen zwischen zwei Anregungselektroden angeordnet
ist. Das elektrische Ersatzschaltbild läßt sich gemäß F i g. 1 b darstellen aus
der Parallelschaltung eines Serienresonanzkreises mit den Schaltelementen Lq und
Cq und einer Parallelkapazität Cp, die die statische Kapazität bildet und die praktisch
der zwischen den Anregungselektroden zu messenden Kapazität entspricht. Die Elemente
Lq und Cq bilden das Schwingungsverhalten des Quarzes nach. In der F i g. 2 a ist
ein magnetostriktiver Wandler gezeichnet, der bekanntlich aus einem Stab R magnetostriktiven
Materials, wie beispielsweise Ferrit, bestehen kann und um den eine Spule L gewickelt
ist. Gemäß F i g. 2 b läßt sich für einen derartigen magnetostriktiven Wandler ein
elektrisches Ersatzschaltbild angeben, bei dem eine Spule Ls und ein Parallelresonanzkreis
mit den Schaltelementen Cr und Ld in Serie geschaltet sind. Die Induktivität Ls
bildet die statische Induktivität des Wandlerelementes nach. Der Parallelresonanzkreis
Ld und Cr bildet das Schwingungsverhalten, d. h. also das dynamische Verhalten,
des Wandlers gemäß F i g. 2 a nach.
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Wie bereits eingangs erläutert, ist der elektromechanische Kopplungsfaktor
K = CqICp bei einem Wandler gemäß F i g. 1 a bzw. K = LdILs bei einem
Wandler gemäß F i g. 2 a. Da die statische Kapazität Cp wesentlich größer ist als
die dynamische Kapazität Cq, ergibt sich somit ein verhältnismäßig kleiner elektromechanischer
Kopplungsfaktor. Entsprechendes gilt für das Verhältnis LdILs. Bei der Erfindung
wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß sich dieses Verhältnis wesentlich günstiger
gestalten läßt, wenn es gelingt, die statische Kapazität Cp bzw. die statische Induktivität
Ls dadurch zu verkleinern, daß der Kapazität Cp eine negative Kapazität parallel
geschaltet wird bzw. daß der statischen Induktivität Ls eine negative Induktivität
in Serie geschaltet wird. Es sind nun Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, die
es gestatten, mit einem negativen Vorzeichen behaftete Schaltelemente zu erzeugen.
Für derartige Schaltungsanordnungen hat sich die Bezeichnung Negativ-Impedanz-Konverter
oder abgekürzt NIC eingebürgert. Beispielsweise sind solche Schaltungsanordnungen
in der Zeitschrift »Proceedings of the IEE«, Mai 1964, S. 891 bis 906, beschrieben.
Die Wirkungsweise eines solchen Negativ-Impedanz-Konverters beruht darauf, daß eine
Vierpolschaltung, die an ihrem Ausgang mit einem beliebigen Scheinwiderstand Z abgeschlossen
ist, diesen Scheinwiderstand an die Eingangsklemmen in den Wert Z'= -k
- Z transformiert, wobei k die sogenannte Konversationskonstante bildet.
Schließt man demzufolge einen solchen NIC mit einer Induktivität ab, dann erscheint
an seinem Eingang eine mit einem negativen Vorzeichen behaftete Induktivität, schließt
man ihn mit einer Kapazität ab, dann erscheint an seinem Eingang eine mit einem
negativen Vorzeichen behaftete Kapazität.
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Die F i g. 3 zeigt an Hand eines Blockschaltbildes das allgemeine
Prinzip eines Wandlers gemäß der Erfindung. Hierbei ist einem elektromechanischen
Wandler W an sich beliebiger Bauart ein Negativ-Impedanz-Konverter (NIC) zugeschaltet,
der mit einem reinen Blindwiderstand X abgeschlossen ist.
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Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 4 a ist als elektromechanischer
Wandler ein Schwingquarz Q verwendet. Parallel zur statischen Kapazität, d. h. also
parallel zu den Anregungselektroden des Quarzes, ist ein NIC geschaltet, der mit
einer Kapazität Cv abgeschlossen ist. Gegebenenfalls wird man die Kapazität Cv als
Kondensator mit variablem Kapazitätswert ausbilden, da sich dadurch die zwischen
den Eingangsklemmen erscheinende negative Kapazität ebenfalls in ihrem Wert regeln
läßt. Die F i g. 4 b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild, das dem elektrischen
Ersatzschaltbild der F i g. 1 b entspricht, jedoch mit der Maßgabe, daß der statischen
Kapazität Cp eine negative Kapazität -C parallel geschaltet ist.
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Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 5 a ist ein gemäß F i g. 2 a ausgebildeter
magnetostriktiver Wandler verwendet. In Serie zur Erregerspule L liegen die Eingangsklemmen
des Negativ-Impedanz-Konverters NIC, der mit einer gegebenenfalls in ihrem Induktivitätswert
veränderbaren Spule Lo abgeschlossen ist. Das elektrische Ersatzschaltbild gemäß
F i g. 5 b entspricht praktisch dem in der F i g. 2 b bereits gezeichneten Ersatzschaltbild
nur mit dem Unterschied, daß der statischen Induktivität Ls eine negative Induktivität
-Lö in Serie geschaltet ist.
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Für Schaltungen in integrierter Bauweise, für die man bekanntlich
die Verwendung von konzentrierten Spulen wegen ihres verhältnismäßig großen Raumbedarfs
nach Möglichkeit vermeidet, kann man die Spule Lo von F i g. 5 a ersetzen durch
einen mit einer Kapazität abgeschlossenen Gyrator. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
ist in der F i g. 6 dargestellt. Dabei ist dem Negativ-Impedanz-Konverter NIC ein
mit einer insbesondere abstimmbaren Kapazität Cv abgeschlossener Gyrator G in Kette
nachgeschaltet. Auf Grund der Eigenschaften des Gyrators wird die an den Abschlußklemmen
liegende Kapazität Cv an den Eingang des Gyrators in einen induktiven Widerstand
transformiert, so daß der NIC mit einer Induktivität abgeschlossen ist. Diese Induktivität
wird an die Eingangsklemmen des NIC in eine negative Induktivität -L transformiert.
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In der F i g. 7 a ist die Verwendung eines elektromechanischen Wandlers
in einer einfachen Bandfilterschaltung gezeigt. An den Eingangsklemmen 1,1' eines
Filters liegt ein Differentialübertrager 5, in dessen Sekundärzweigen ein Quarz
Q und ein Kondensator C 1 angeordnet sind. Die ausgangsseitig miteinander verbundenen
Sekundärzweige und die Mittelanzapfung des Differentialübertragers 5 bilden die
Ausgangsklemmen 2, 2'. In der Schaltung nach F i g. 7 a ist der Quarz gleich durch
sein elektrisches Ersatzschaltbild mit den Schaltelementen Cq, Lq und Cp dargestellt.
Wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 4 a ist der statischen Kapazität Cp des
Schwingquarzes ein mit der Kapazität Cv abgeschlossener NIC parallel geschaltet.
In der F i g. 7 b ist das Reaktanzdiagramm der Filterschaltung gemäß F i g. 7 a
dargestellt, und zwar ist der Blindwiderstandsverlauf X' in Abhängigkeit
von der Frequenz f gezeichnet. Die ausgezogen gezeichnete Kurve 6 zeigt den
Blindwiderstandsverlauf des Schwingquarzes Q ohne die Parallelschaltung des Negativ-Impedanz-Konverters
NIC. Die gestrichelt gezeichnete Kurve 7 zeigt den Blindwiderstandsverlauf des Kondensators
C1.
Bekanntlich liegt der Durchlaßbereich eines derartigen Filters dort, wo die in den
einzelnen Zweigen des Differentialübertragers liegenden Schaltelemente entgegengesetztes
Vorzeichen hinsichtlich ihres Blindwiderstandsverlaufs aufweisen. Dieser Bereich
wird bestimmt von der Serienresonanzfrequenz fs und der Parallelresonanzfrequenz
f p des Schwingquarzes und ist mit b bezeichnet. Durch die Zuschaltung des
mit der Kapazität Cv abgeschlossenen Negativ-Impedanz-Konverters NIC an die statische
Kapazität Cp des Schwingquarzes Q verkleinert sich die gesamte statische Kapazität,
so daß die Parallelresonanzfrequenz des Schwingquarzes zu der höher gelegenen Parallelresonanzfrequenz
fp' wandert, wie dies durch die strichpunktiert gezeichnete Kurve 6' kenntlich gemacht
ist. Damit verbreitert sich aber auch die Bandbreite und geht in den Wert b' über.
Auf diese Weise lassen sich in weiten Grenzen regulierbare Bandbreiten auch in solchen
Filterschaltungen erzeugen, die mit konzentrierten Schaltelementen und Schwingquarzen
aufgebaut sind, wobei gleichzeitig die an sich erwünschten Eigenschaften des Schwingquarzes,
wie beispielsweise die Zeit- und Temperaturkonstanz seiner Serienresonanzfrequenz
erhalten bleiben.
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Als weiteres Beispiel ist in der F i g. 8 a. die Verwendung elektromechanischer
Wandler mit NIC-Konvertern bei mechanischen Filtern gezeigt. Das eigentliche mechanische
Filter ist nur in Form des Blockes 10 dargestellt, die zu seinem Aufbau erforderlichen
mechanischen Resonatoren und die mechanischen Koppelelemente können an sich beliebig
ausgebildet sein. Besonders herausgezeichnet sind lediglich die Endresonatoren 11
und 12, die im Ausführungsbeispiel als Längsschwingungen ausführende mechanische
Resonatoren ausgebildet sind. Hierzu liegt zwischen zwei metallischen Teilen, wie
beispielsweise Stahl, ein aus einer elektrostriktiven Keramik bestehendes Plättchen
13. Die metallischen Teile des Resonators 11 sind über Zuführungsdrähte mit den
Anschlußklemmen 1 und 1' verbunden. Legt man an die Eingangsklemmen 1 und 1' eines
derartigen Endresonators eine elektrische Wechselspannung, dann führt der Resonator
11 immer dann ausgeprägte Längsschwingungen aus, wenn seine Eigenresonanzfrequenz
mit der Resonanzfrequenz der angelegten Wecheslspannung übereinstimmt. Diese Schwingungen
werden über Koppelelemente 14 und weitere Resonatoren des mechanischen Filters
10 auf den Ausgangsresonator 12 übertragen, der im Ausführungsbeispiel wie
der Eingangsresonator 11 aufgebaut ist und der demzufolge ebenfalls Längsschwingungen
ausführt. Auf Grund dieser Längsschwingungen wird das im Resonator 12 vorgesehene,
aus elektrostriktivem Material bestehende Plättchen 13 Dehnungen und Verkürzungen
unterworfen, wodurch zwischen den metallischen Teilen des Resonators 12 eine elektrische
Wechselspannung entsteht, die an den Ausgangsklemmen 2, 2' als Ausgangswechselspannung
abgenommen werden kann. Das elektrische Ersatzschaltbild des mechanischen Filters
nach F i g. 8 a ist in der F i g. 8 b gezeichnet. Der gestrichelt umrandete Teil
stellt dabei das mechanische Filter dar, dessen mechanische Resonatoren man sich
durch die in den Längszweigen einer Vierpolschaltung liegenden Serienresonanzkreise
ersetzt denken kann. Die Koppelelemente 14 sowie die weiteren Koppelelemente zwischen
den einzelnen Resonatoren kann man sich durch die im Querzweig liegenden Kondensatoren
ersetzt denken. Durch die vierpolmäßige Verwendung der Resonatoren 11 und 12 erscheint
deren statische Kapazität Cp im Eingangsquerzweig der Schaltung, während ihre dynamischen
Elemente Lq und Cq im Längszweig liegen. Schaltet man nun parallel zu den elektrostriktiven
Wandlerelementen 13 in F i g. 8 a einen mit der insbesondere variablen Kapazität
Cv abgeschlossenen NIC, dann erscheint im elektrischen Ersatzschaltbild nach F i
g. 8 b parallel zur statischen Kapazität Cp ein Kondensator C mit negativem Kapazitätswert.
Durch diese Maßnahme läßt sich, wie eingangs bereits erläutert, die ausnutzbare
Bandbreite mechanischer Filter erheblich verbreitern und in verhältnismäßig weiten
Grenzen frei wählen, wodurch auch die Anwendungsmöglichkeiten solcher mechanischen
Filter erheblich vermehrt werden. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, von
der eingangs bereits erwähnten, an sich bekannten Maßnahme Gebrauch zu machen und
der statischen Kapazität zusätzlich eine Spule parallel zu schalten, die erforderlichenfalls
in der Art der integrierten Schaltungen ausgebildet sein kann.