DE1513892C - Einrichtung zur Umwandlung von Gleich strom in Wechselstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom.

Es sind als Einrichtung zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom mechanische Zerhacker, Transistor-Zerhacker, fotoelektrische Zerhacker, Hallelement-Umformer, magnetische Modu-' latoren, Widerstands - Modulatoren (Cryotrons), Schwingzungenumformer und Diodcnumformer mit ■ variablen kapazitiven Widerständen bekannt.

Von diesen bekannten Einrichtungen zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom unterscheidet sich die erfindungsgemäße Einrichtung dadurch, daß ein ferroelektrischer Kondensator vorgesehen ist, der von dem Gleichstrom beaufschlagt ist, und daß eine Vorrichtung zur Aufbringung von Schall- oder Ultraschallschwingungen auf das dielektrische Material des Kondensators vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt ein vollständig anderes Umwandlungsprinzip zugrunde, als es bei den obengenannten Umformern angewendet wird, und zwar wird auf das dielektrische Material eines ferroelektrischen Kondensators eine mechanische Spannung aufgebracht, um dessen Curie-Punkt zu verschieben. Die sich daraus ergebende plötzliche Änderung der Dielektrizitätskonstanten wird als Änderung der statischen Kapazität verwendet.

Die Erfindung wird mit ihren Grundlagen, Zielen und Einzelheiten im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung von Kennlinien, welche die Beziehungen zwischen den Dielektrizitätskonstanten von ferroelektrischen Materialien und der Temperatur zeigen, wobei die mechanische Spannung als Parameter angenommen ist,

F i g. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht, welche die Konstruktion der wesentlichen Teile eines anderen Ausführungsbeispiels zeigt.

Wie bekannt, weisen ferroelcktrische Substanzen aus Bariumtitanat, Triglycinsulfat, Bleizirkonat und lasten Lösungen dieser Substanzen sowie andere ferroelektrische Materialien maximale Dielektrizitätskonstanten an ihren jeweiligen Curie-Punkten auf. Ihre Dielektrizitätskonstanten nehmen ab bei höheren Temperaturen, und zwar im umgekehrten Verhältnis .<ur Temperatur entsprechend dem sogenannten Curie-Weißschen Gesetz, das folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

Kc

wobei e_lt die Dielektrizitätskonstante und Kc die

Curie-Konstante ist.

Andererseits ist im Bereich von einer Temperatur

unterhalb des Curie-Punktes bis zum Curie-Punkt ίο die Änderung der Dielektrizitätskonstanten mit der Temperatur groß. Beispielsweise ergibt Ί ngiycinsulfat bei einer Temperaturänderung von 10° C eine Änderung der Dielektrizitätskonstanten um etwa das Hundertfache.
Die Curie-Temperatur Tc eines ferroelektrischen Materials ändert sich nach folgender Gleichung mit der auf das ferroelcktrische Material aufgebrachten mechanischen Spannung:

Tc = KP -I- Ten ,
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worin K eine Konstante und P der aufgebrachte Druck (in Atmosphären) ist. Tco ist eine Konstante.

Bei Verwendung von Triglycinsulfat ist der Wert

der Konstanten K in der Größenordnung beispielsweise 2,6 · K)--' Grad/atm und bei Triglycinsclenat 3.8 · 1 ()-·■· Grad/atm. Die Kennlinien dieser Änderungen bei Verwendung von Triglycinsulfat sind in Fig. 1 gezeigt (entsprechend Jona und Shirane: Phys. Rev., 117 [1], 1960), in welchen die Kurven 1, 2 und 3 jeweils für P=I atm, P = 1,020 atm und P = 2,550 atm gelten. Es ergibt sich aus diesen Darstellungen, daß, wenn auf einen Kondensator aus Triglycinsulfat bei konstanter Temperatur ein Druck von etwa 400 atm aufgebracht wird, sein Curie-Punkt um etwa 1° C steigt. Wenn als ferroelektrisches Material eine Substanz gewählt wird, deren Dielektrizitätskonstante je 10° C Temperaturänderung sich um etwa das Hundertfache verändert bzw. um das Zehnfache je Grad Celsius, ist es möglieh, bei einer Druckänderung von einigen hundert Atmosphären eine sofortige Änderung der Dielektrizitätskonstanten um eine Ziffernstelle oder mehr zu erreichen.

Wenn also ein Gleichstrom-Eingangssignal oder ein ultraniederfrequentes Eingangssignal an die Elektroden eines ferroelektrischen Kondensators gelegt wird und zur gleichen Zeit der Kondensator einer Druckänderung unterworfen wird, wird das Eingangssignal entsprechend der Kapazitätsänderung des Kondensators in einen Wechselstrom umgeformt, welcher die gleiche Frequenz wie die Frequenz der Druckänderungen hat. Es ist festgestellt worden, daß der Umwandlungswirkungsgrad in dem beschriebenen Fall hoch ist und daß es so möglich ist, eine Eingangsimpedanz zu erreichen wie diejenige eines Umformerelementes mit einigen Megohm oder mehr. Wenn jedoch ein Umwandlungswirkungsgrad in der Größenordnung wie derjenige bekannter Umformer genügt, reicht eine Druckänderung von einigen Atmosphären aus, und es hat das Umformcrelement in diesem Falle einen sehr hohen Glcichstrom-Eingangswiderstand und einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand. Das Umformerelement ermöglicht also eine äußerst wirksame Modulation in Verbindung mit volltransistorisicrten Verstärkern.

Andererseits treten in der Praxis Schwierigkeiten auf. wenn Drücke von einigen hundert Atmosphären bis /u einigen tausend Atmosphären auf einen ferro-

elektrischen Kondensator gegeben werden, um den Umwandlungswirkungsgrad zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten durch die Anwendung von Schall- oder Ultraschallschwingungen.

Im allgemeinen ist ein Schall- oder Ultraschallvibrator z. B. ein magnetostriktiver Vibrator oder ein elektrostriktiver Vibrator, dadurch gekennzeichnet, daß ein sehr hoher mechanischer Druck erreichbar ist, während seine Verschiebungsamplitude klein ist. Beispielsweise wird bei einer Schall- oder Ultraschallschwingung von A sin ω t (wobei A die Amplitude ist), da der Betrag der Beschleunigung A ω ² wird, die Beschleunigung 400 m/sec², wenn die Amplitude bei einer Frequenz von 1 kHz in der Größenordnung von 10 Mikron ist. Dieser Beschleunigungswert entspricht etwa 40 g, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Mit einer Frequenz von 10 kHz und einer Amplitude von 10 Mikron wird eine äußerst hohe Beschleunigung von 4000 g erreicht.

Die erfindungsgemäße Einrichtung, in welcher diese Schall- oder Ultraschallschwingung zur Druckerzeugung verwendet wird, wird nun im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 beschrieben. Ein Eingangssignal in Form eines Gleichstroms oder ein ultraniederfrequentes Eingangssignal wird über Gleichstrom-Eingangsklemmen 1 und 2 und über einen hohen Widerstand 3 sowie Elektrodenklemmen 5 und 6 einem ferroelektrischen Kondensator 4 zugeführt. Der Kondensator 4 hat an gegenüberliegenden Seiten Elektroden, welche in einem ringförmigen magnetostriktiven Schwinger 7 eingespannt sind, wodurch auf den Kondensator 4 in einer Richtung parallel zu den Elektroden Druck aufgebracht wird. Der Schwinger 7 ist mit einer Erregerspule 8 versehen, welche von einer Erregerquelle 9 gespeist wird. Die vorgenannte Eingangsspannung wird infolgedessen durch die Kapazitätsänderung zwischen den Elektrodenklemmen 5 und 6 in einen Wechselstrom umgewandelt, und es wird das so umgeformte Signal durch einen Verstärker 10 verstärkt, um an seinen Ausgangsklemmen 11 und 12 ein Ausgangssignal bereitzustellen.

Durch Anwendung einer Ultraschallschwingung in der oben beschriebenen Art kann leicht ein hoher Druck erreicht werden bei nur sehr geringer Verschiebung der Elektroden, wodurch in äußerst güastiger Weise die Druckaufbringung auf das dielektrische Material verwirklicht wird.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist die Schwinger- und Kondensatoranordnung so gewählt, daß der Druck in zu den Elektroden paralleler Richtung aufgebracht wird; jedoch kann die Richtung der Druckaufbringung auch senkrecht zu den Elektroden liegen, um die gleiche Arbeitsweise zu erreichen. Ein Beispiel einer Konstruktion zur Erzielung einer solchen Druckaufbringung ist in Fig. 3 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein ferroelektrischer Kondensator 4 mit Elektrodenklemmen Sa und 6 a vorgesehen, la und Ib sind die Pole eines magnetostriktiven oder eines elektrostriktiven Schwingers. Sie sind so angeordnet, daß sie den Kondensator so einspannen, daß auf ihn ein Druck in einer zu den Elektroden senkrechten Richtung aufgebracht wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 kann eine Schaltung gemäß F i g. 2 verwendet werden.

Es ist bekannt, daß die Änderung der Dielektrizitätskonstante eines ferroelektrischen Materials in großem Umfange nicht nur durch Druckanwendung in einer Richtung erreicht werden kann, wie es oben beschrieben ist, sondern auch durch zweidimensionale Druckaufbringung. In diesem Falle ändert sich die Curie-Temperatur in Abhängigkeit von dem Quadrat des Druckes P, wie es sich auf der folgenden Gleichung ergibt:

Tc =

z + Tco',

worin K' und Tco' Konstanten sind. In diesem Falle ist es auch dann, wenn K' wesentlich kleiner als K ist, (beispielsweise für BaTiO₃ ist K = 5,8 · 10~³ und K' = 3,1 · 10~⁵) möglich, eine große Verschiebung der Curie-Temperatur zu erreichen.

Eine zweidimensionale Druckaufbringung kann erreicht werden durch Anordnung eines magnetostriktiven Schwingers derart, daß sowohl in Richtung der gestrichelten Pfeile als auch in Richtung der strichpunktierten Pfeile (F i g. 3) Druck aufgebracht wird, wobei die Erregerströme der beiden Vibratoren synchronisiert werden.

In einigen Fällen wird, wenn ein ferroelektrisches Material einem Druck unterworfen wird, eine piezoelektrische Spannung erzeugt, welche dem aufgebrachten Druck proportional ist und unabhängig vom Eingangsignal ist. In solch einem Fall wird durch Aufrechterhaltung der Temperatur des ferroelektrischen Materials in einem Bereich oberhalb des Curie-Punktes und Aufbringung des Druckes bei dieser Temperatur erreicht, daß das Material paraelektrisch wird und infolgedessen keine piezoelektrische Spannung erzeugt.

Außerdem ist bei Auswahl eines ferroelektrischen Materials mit hoher Bruchfestigkeit für den Kondensator möglich, die Dielektrizitätskonstante durch Aufbringung einer Zugspannung oder einer Biegespannung anstatt eines Druckes zu verändern. Ein ähnlich günstiges Resultat kann auch durch Anwendung einer Scherspannung erreicht werden.

Das ferroelektrische Material braucht nicht nur aus Einkristallen zu bestehen, sondern es kann ein keramischer Kondensator gewählt werden, dessen Curie-Punkt für die Anwendung der Erfindung geeignet ist.

Ferner kann die Kapazität des Kondensators durch Druckanwendung in einem weiten Bereich geändert werden, wenn als Kondensator ein solcher mit einem Hochpolymer als dielektrisches Material verwendet wird und die Umgebungstemperatur auf einem dem a-Dispersionspunkt, dem /5-Dispersionspunkt oder dem y-Dispersionspunkt entsprechenden Wert gehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß ein ferroelektrischer Kondensator (4) vorgesehen ist, der von dem Gleichstrom beaufschlagt ist, und daß eine Vorrichtung (7, 8, 9) zur Aufbringung von Schall- oder Ultraschallschwingungen auf das dielektrische Material des Kondensators (4) vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (4) auf einer Temperatur oberhalb des Curie-Punktes gehalten ist, bei welcher keine piezoelektrische Spannung erzeugt wird.