DE1950801A1 - Kontaktloser Wechselrichter mit einem Ferroelektrikum im thermisch autostabilisierten Regime - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Wechselrichter zur Umwandlung von kleinen Gleichspannungen in Wechselspannungen. Der erfindungsgemäße Wechselrichter besteht aus einem Ferroelektrikum im thermisch autostabilisierten Regime, wobei die Spannungsabhängigkeit des Piezoeffektes in der Umgebung der ^Temperatur des ferroelektrischen Überganges ausgenutzt wird.

Zur Messung und Detektion von kleinen Gleichspannuiigen werden in der Meßtechnik allgemein Wechselrichter nit angeschlossenen Wechselspannungsverstärkern angewendet. Das störanfälligste Element dieser Vorrichtungen „;...nd eben die Wechselrichter.

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Bisher bekannte kontaktlose Wechselrichter sind mit vielen Nachteilen und Mängeln behaftet. Zu diesen gehört z. B. ein ungenügend großer Eingangswiderstand, Temperaturabhängigkeit und galvanische Kopplung zwischen dem Kreis der gemessenen Gleichspannung und den Kreis des Wechselrichters. Diese Mängel setzen die Empfindlichkeit der Wechselrichter herab, vergrössern die Null Schwankung im Wechselrichterausgang., und können eventuell den gemessenen Kreis beim Anschluß des Wechselrichters beeinflussen.

Zweck der Erfindung ist es» unter Anwendung von bereits bekannten dielektrischen Elementen einen Wechselrichter zu schaffen, der. bei genügender Empfindlichkeit im weitesten Maß frei ist von den erwähnten Mängeln, leicht herstellbar ist und in genügend weiten Grenzen die ungünstigen Einflüsse der Änderungen der Umgebungstemperatur ausscheidet.

Gegenstand der Erfindung ist ein kontaktloser Wechselrichter mit einem Ferroelektrikum im thermisch autostabilisierten Regime, bestehend aus einer, aus einem ferroelektrischen Einkristall hergestellten Platte, die einen mechanischen, piezoelektrisch erregten Resonator bildet. Dieser enthält ein Erregergebiet zwischen Erregerelektroden, das unter dem Einfluß des elektrischen Feldes der angeschlossenen Steuerspannung im Regime der thermischen Autostabilisierung arbeitet. Dieses Erregergebiet umgibt mindestens teilweise das Gebiet der Energieabnahme im weiteren Abnahmegebiet zwischen Abnahcieelektroden der Einkristallplatte, die als piezoelektrischer Äb-

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nehmer wirkt, wobei das Abnahmegebiet auf diese Weise auf der Temperatur, des Phasenüberganges des Ferroelektrikuins gehalten wird. An die Abnahmeelektroden ist einerseits der Eingang der gemessenen Gleichspannung, andererseits der Eingang des Verstärkers der Wechselspannung -mit kapazitiver Kopplung angeschlossen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft den Anschluß einer Polarisations-Gleichspannung an die Ab- ' | nähmeelektroden und schließlich Einstellung des Regimes des mechanischen Resonators derart, daß die Erregerfrequenz im Gebiet der minimalen Verschiebung der Resonanzspitzen in Abhängigkeit von der umgebenden Temperatur gewählt wird.

Die Erfindung soll nun mit Hilfe der beiliegenden,ein Ausführuqcsbeispiel darstellenden Zeichnung, die auch das Erfindungsprinzip erläutert, näher erklärt werden.

Das Wesen der Erfindung geht von einem in der offengelegten deutschen Patentanmeldung P 15 23 292.5 beschriebenen Fühler aus.

In der beiliegenden Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Grundschema der mechanischen Gestaltung und Schaltung des erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig. 2 die Verschiebung der Resonanzspitζen der mechanischen Schwingungen in Abhängigkeit von Temperatur und

Fig. 3 <3-ie Abhängigkeit der piezoelektrischen Ausgangs-

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Wechselspannung E₂^- des Wechselrichters von einer gemessenen Gleichspannung E im erfindungsgemäßen Regime.

Die Konstruktion des kontaktlosen Wechselrichters 1 mit einem Ferroelektrikum im thermisch autostabilisierten Regime entspricht im wesentlichen der Konstruktion des Fühlers gemäß der bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung P 15 23 292·5· Das beschriebene Beispiel zeigt einen Schnitt durch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Wechselrichters mit einer Scheibe und konzentrischen Elektroden.

Im dargestellten und beschriebenen Beispiel besteht der"Wechselrichter 1 aus einer, aus einem ferroelektrischen Einkristall, z. B.Triglyzinsulphat, hergestellten Scheibe Ίο. An.einer Vorderfläche ist diese Scheibe mit einer gemeinsamen kreisförmigen Elektrode 11 versehen, während am Umfang der zweiten Vorderfläche eine Erregerelektrode 12 in der Form eines Kreisringes vorgesehen · ist, die die Abnahmeelektrode 13 umgibt. Die Formen der ferroelektrischen Platte 1o und der Elektroden 11, 12 und 13 können verschiedenartig, in den Grenzen der Funktionsbedingungen ausgeführt werden. Die gemeinsame Elektrode" 11 kann allerdings, falls notwendig, im Einklang mit den Elektroden 12 und 13, in zwei Teile aufgeteilt werden, nämlich einen Erregerteil und. einen Abnahmeteil. An die gemeinsame Elektrode 11 und die Erregerelektrode 12 ist der Eingang des Wechselspannungs-Generators 2 mit einer Amplitude E^ und einer Frequenz f angeschlossen.

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An die Abnahmeel.ektrode 13 ist einerseits der Eingang 51 der gemessenen Gleichspannung E über Meß- und Trennwiderstand 6, beziehungsweise über ein geeignetes Tiefpaßfilter angeschlossen, andererseits über einen Koppeikondensator 3 der Eingang des Meßverstärkers A- der Wechselspannung, aus.dessen Ausgang 4-1 eine Wechselspannung der gewünschten Größe zur Verfügung steht, die zur gemessenen Gleichspannung E_m am Eingang 51 gegen die gemeinsame Leitung proportional ™ ist, welche die Eingangsklemme 52 und die Ausgangsklemme 42 miteinadner verbindet und an welche auch die gemeinsame Elektrode 11 des Wechselrichters 1 angeschlossen ist*

Zur Unterdrückung einer möglichen Polarisierung des Ferroelektrikums 1o oder zur geeigneten Einstellung des Arbeitspunktes ist zwischen die Abnahmeelektrode 13 und die gemeinsame Elektrode 11 eine.Quelle 7 einer einstellbaren Gleich-Vorspannung über den Trennwiderstand 8 angeschlossen.

Die Scheibe 1o mit der gemeinsamen Elektrode 11 und der Erregerelektrode 12 bildet einen piezoelektrisch erregten mechanischen Resonator, der in Schwingungen versetzt wird und durch die angeschlossene Wechselspannung E^ aus der Quelle 2 mit einer Frequenz f. Die mechanischen Schwingungen der Scheibe 1o erzeugen durch den Piezoeffekt eine Wechselspannung Ep-g- des Wechselrichters zwischen der Elektrode 11 und der Ausgangselektrode 13« Das sich zwischen der gemeinsamen Elektrode 11 und der Elektrode 12 befindende Gebiet 1o2 des Dielektrikums der

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Scheibe 1o wird auch noch durch die dielektrischen Verluste erwärmt und in.das Gebiet der thermischen Autostabilisation gemäß vorgenannter.deutscher Patentanmeldung P 15 23 292.5 versetzt. Das Gebiet 1o2 wird im weiteren als Erregergebiet bezeichnet. Das sich zwischen der gemeinsamen Elektrode 11 und der Abnahmeelektrode ,13 befindende Gebiet 1o3 wird im weiteren als Annahmegebiet bezeichnet und bildet einerseits einen Teil der Platte 1o als eines mechanischen, Resonators, d. h. es nimmt Teil an den mechanischen Schwingungen der Platte 1o, andererseits wird es durch das umgebende Erregergebiet 1o2 auf eine Temperatur erwärmt, die der Temperatur des Phasenüberganges nahekommt. In diesem Temperaturbereich-ist der piezoelektrische Koeffizient d des Abnahmegebietes 1o3 ausgeprägt abhängig von der elektrischen Gleichspannung

Die Tätigkeit des erfindungsgemäßen Wechselrichters· ruft infolge der mechanischen Schwingungen der Platte ™ 1o an der Abnahmeelektrode 13 eine piezoelektrische Wechs el spannung Ep-g- gegenüber der gemeinsamen Elektrode 11 hervor, deren Größe bei konstanter Erregerspannung E^ direkt proportional ist zur Größe der angelegten Gleichspannung E . Die Frequenz der piezoelektrischen Wechselspannung E^g-· ist, wie bereits aus der genannten deutschen Patentanmeldung P 15 23 292.5 bekannt, gleich der zweiten Harmonischen der Erregerfrequenz f. Bei Änderung der Umgebungstemperatur verschieben sich die Resonanz spit ζ en der Ausgangs-Wechselspannung Ep^- derart,

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daß die Richtung der Verschiebung auf den höheren Frequenzen der Verschiebung auf den niedrigeren Frequenzen entgegengesetzt ist.

Das ist in Fig. 2 durch die volle und durch die gestrichelte Kurve für zwei verschiedene Temperaturen T. und T~ veranschaulicht. Aus der graphischen Darstellung geht hervor, daß eine gewisse kritische Erregerfrequenz f existiert, in deren Nähe die Verschiebung der Resonanzspitζen der mechanischen Schwingungen, beziehungsweise der zu ihnen proportionalen Spitzen der Ausgangsspannung E^ in Abhängigkeit von der Temperatur T ein Minimum ist. Daraus folgt, daß die Erregerffequenz f zweckmäßig möglichst nahe zu dieser kritischen Frequenz f gewählt wird.

Der tatsächlich gemessene Verlauf der Abhängigkeit der Ausgangs-Wechselspannung E₂-V- des Wechselrichters von der gemessenen Gleichspannung E_ ist für die gegebenen Bedingungen für die Platte 1o aus Triglyzinsulphat des Wechselrichters in Fig. 3 dargestellt. Dabei ist die-Vorspannung E derart eingestellt, daß für eine gemessene Kullspannung Em = O die Aus gangs spannung Ep-g- gerade Null ist. Die Erregerfrequenz f wurde mit Rücksicht auf eine minimale Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eingestellt. Die beiden dargestellten Kurven entsprechen einer Umgebungstemperatur T. = 0° C und Tp = 30° C. Die Linearität und Übereinstimmung des unteren Teils der beiden Kurven ist ersichtlich.

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Claims (1)

1. - 8 - ■".'■■■.

   Patentansprüche

   ί 1./Kontaktloser Wechselrichter zur Umwandlung von Λ^^ kleinen -Gleichspannungen in Wechselspannung« mit - einem Ferroelektrikum im thermisch autostabili- - sierten Eegime, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer, aus einem ferroelektrischen Einkristall

   a - . ' hergestellten Platte (io) besteht und einen piezoelektrisch erregten mechanischen Hesonator bildet, der ein Erregergebiet (Io2) zwischen Erregerelel-:- troden (11, 12) enthält-und unter dem Einfluß des elektrischen Feldes einer Steuer-Wechselspannung aus einem angeschlossenen Generator (2) im Eegime der thermischen Autostabilisation. arbeitet, wobei dieses Erregergebiet (1o2) mindestens teilweise ein Abnahmegebiet (Io3) zwischen Abnahmeelektroden (11, 13) umgibt., xtf ob ei das Abnahme gebiet (1o3) zwischen den Abnahmeelektroden (11, 13) als piezoelektrischer Abnehmer wirkt, der durch Wärmeüber-■ .tragung aus dem .Erregergebiet (1o2) auf der Tempera-

   ^ . tür des Phasenübergariges des Ferroelektrikums der Platte (1o) gehalten wird, und gleichzeitig an die Abnahmeelektroden einerseits "der Eingang (51, 52) der gemessenen Spannung, andererseits der Eingang eines Wechselspannungs-Verstärkers (4) mit kapazitiver Kopplung (3) angeschlossen ist.

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   Xontaktloser Wechselrichter nach Ansprach 1, .dadurch gekennzeichnet, daß an die Abnahmeelektroden (11, 13) eine Quelle "(7) einer einstellbaren Gleichspannung über einen Trennwiderstand (8) angeschlossen ist.

   Kontaktloser Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f) der Erregerspannung (Ξ.) des Generators (2) in das Gebiet der minimalen Verschiebungen der Resonanzspitzen mit der Temperatur eingestellt wird.

   7. Oktober 1969/136

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