DE19827947A1

DE19827947A1 - Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler

Info

Publication number: DE19827947A1
Application number: DE19827947A
Authority: DE
Inventors: Norbert Volkert; Dieter Eckardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 1999-12-30
Also published as: WO1999067874A3; WO1999067874A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen serienabgestimmten piezoelektrischen Wandler. Erfindungsgemäß weist dieser Wandler primär- und sekundärseitig jeweils eine Impedanztransformations-Einrichtung auf, wobei die primärseitige zwischen einer Serieninduktivität (L1) und den primärseitigen Metallisierungsflächen (2, 4) der Keramik (6) und die sekundärseitigen zwischen den Metallisierungsflächen (10, 12) und einer Gleichrichterschaltung (8) angeordnet sind. Somit erhält man einen Wandler, mit dem Leistung in Höhe von einigen Watt zu elektrtischen Baugruppen auf hohem und sich schnell ändernden elektrischen Potential übertragen werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen serienabgestimmten pie zoelektrischen Wandler.

Elektronische Baugruppen, die gegenüber Erde auf hohem und sich schnell änderndem elektrischen Potential betrieben wer den, wie z. B. Ansteuerschaltungen für elektrische Leistungs halbleiter oder Strommeßeinrichtungen, stellen an ihre Ener gieversorgung extreme Anforderungen. Die für den Betrieb der Baugruppe benötigte elektrische Energie muß potentialfrei auf das hohe Spannungsniveau übertragen werden, ohne daß ein elektrischer Überschlag und damit eine Gefährdung von Perso nen auftreten kann. Zur Vermeidung von kapazitiven Ableit strömen und den damit verbundenen Potentialschwankungen auf der Baugruppe darf nur eine sehr geringe kapazitive Verkopp lung mit der speisenden Energieversorgung vorhanden sein. Des weiteren lassen sich die immer strengeren Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) mit den herkömmli chen Schaltnetzteilen nur schwer erfüllen.

Die potentialgetrennte Übertragung elektrischer Energie er folgt fast ausschließlich mit magnetischen Transformatoren. Der Isolationsaufwand wächst jedoch stark mit dem zu über brückenden Potentialunterschied. Insbesondere die begrenzte Teilentladungsfestigkeit der eingesetzten Isolierstoffe und Vergußmaterialien bereiten dabei Probleme. Die Koppelkapazi tät zwischen Primär- und Sekundärseite ist nicht vernachläs sigbar.

Die potentialgetrennte Übertragung der Energie kann aber auch auf akustischem Wege erfolgen. Dabei wird ausgenutzt, daß sich Schall in Festkörpern verlustarm ausbreitet. Die Schall wellen werden gemäß Fig. 1 auf der Primärseite durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung U_Ptr,1 an den Metallisie rungsflächen 2 und 4 einer piezoelektrischen Keramik 6 über den inversen Piezoeffekt erzeugt. Sie breiten sich über einen als akustischen Wellenleiter dienenden Festkörper aus und werden auf der Sekundärseite über den Piezoeffekt wieder in eine elektrische Wechselspannung U_Ptr,2 umgewandelt.

Die Übertragungscharakteristik (Fig. 2) eines solchen Pie zotransformators weist ebenso wie seine Eingangsimpedanz (Fig. 3) eine starke Frequenzabhängigkeit auf. Die Übertra gungsmaxima sind verhältnismäßig schmalbandig. Die Resonanz frequenzen verschieben sich mit der Last, unterliegen einer Temperaturdrift und streuen fertigungsbedingt. Der Wirkungs grad und damit die übertragbare Leistung wird in der Nähe der mechanischen Resonanzen maximal.

Aus der EP 0 758 159 A2 ist ein piezoelektrischer Wandler be kannt, der mittels eines pulsweitenmodulierten Signals ge steuert wird. Dieser piezoelektrische Wandler wird bei Perso nalcomputern zur Versorgung einer Lichtquelle verwendet, die ein von hinten einfallendes Licht für einen Flüssigkristall bildschirm generiert. Als Lichtquelle wird eine Kaltkathoden lampe verwendet, die einen sehr hohen Widerstand von bei spielsweise mehreren hundert Kiloohm vor dem Einschalten und einen kleinen Widerstand nach dem Einschalten aufweist. Der piezoelektrische Wandler weist eine plattenförmige Piezokera mik und eine hart schaltende Spannungsquelle auf. Die plat tenförmige Piezokeramik ist auf der einen Hälfte oben und un ten metallisiert und auf der anderen Hälfte an der Stirnseite metallisiert. Primär- und Sekundärseite sind dadurch galva nisch miteinander verbunden. Als hart schaltende Spannungs quelle sind zwei elektrisch in Reihe geschaltete Schalter, die elektrisch parallel zu einer Gleichspannungsquelle ge schaltet sind, vorgesehen. Da die Primär- und Sekundärseite dieses piezoelektrischen Wandlers galvanisch gekoppelt sind, kann die Nachführung der Betriebsfrequenz in Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Wandlers erfolgen.

Da die Piezokeramik aufgrund der Metallisierungskapazität primärseitig im wesentlichen ein kapazitives Verhalten zeigt, kann diese Piezokeramik nicht direkt aus einer hart schalten den-Spannungsquelle gespeist werden. Deshalb weist der piezo elektrische Wandler gemäß der Entgegenhaltung EP 0 758 159 A2 ein Filter aus Drossel und Kondensatoren auf, das eine optima le Energieübertragung sicherstellen soll. Nachteilig ist da bei, daß die Schaltung durch die hinzugefügten Schwingkreise recht empfindlich auf Bauteiletoleranzen reagiert.

Aus dem Lehrbuch "Piezoxid (PXE) - Eigenschaften und Anwen dungen" von J. Koch, 1988, insbesondere den Seiten 29 und 30, ist ein piezoelektrischer Wandler bekannt, der mit einer In duktivität abgestimmt ist. Diese Abstimmung ist sowohl durch eine Parallel- als auch durch eine Serieninduktivität mög lich. Durch die Vorschaltung einer Drossel auf der Primärsei te des Piezotransformators wird ein weiterer Energiespeicher hinzugefügt. Die Drossel und die Metallisierungskapazität der Piezokeramik bilden zusammen mit dem mechanischen System zwei gekoppelte Schwingkreise. Werden die beiden Resonanzfrequen zen aufeinander abgestimmt, so erhält man die von gekoppelten Schwingkreisen bekannte Durchlaßkurve, die bei mittlerer Kopplung und nicht so starker Dämpfung zwei nebeneinander liegende Maxima aufweist. Die Eingangsimpedanz eines derarti gen serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers erhält des halb zum einen eine zusätzliche Nullstelle und zum anderen bewirkt die Erhöhung der Bandbreite, daß die Pol- und Null stellen erheblich weiter auseinander liegen (Fig. 4). Bei ei nem Lastwechsel besteht jetzt nicht mehr die Gefahr, daß die Frequenz so weit verschoben werden kann, daß sich der Regel sinn umkehrt. Der zugehörige Phasenfrequenzgang des Primär stromes I_q gemäß Fig. 5 weist jetzt allerdings drei Phasen nulldurchgänge auf. In den Diagrammen gemäß der Fig. 4 und 5 sind jeweils drei Betriebszustände dargestellt. Die durchge zogene Linie zeigt einen Belastungsfall, die Strich-Punkt- Linie den Kurzschlußfall und die unterbrochene Linie den Leerlauffall.

Aus der EP 0 788 218 A2 ist ein DC-DC-Wandler mit piezoelek trischem Wandler bekannt, der zur potentialfreien Energiever sorgung einer Ansteuerschaltung eines Leistungshalbleiter schalters einer Stromrichterschaltung aus deren Gleichspan nungszwischenkreis verwendet wird. Dieser DC-DC-Wandler weist einen modifizierten Wechselrichter-Brückenzweig auf, der ein gangsseitig über einen Eingangsfilter mit dem Gleichspan nungs-Zwischenkreis und ausgangsseitig über einen eine Induk tivität und einen piezoelektrischen Übertrager aufweisenden Schwingkreis und eine sekundärseitige Gleichrichterschaltung mit der Ansteuerschaltung elektrisch leitend verbunden ist, wobei dieser modifizierten Wechselrichter-Brückenzweig einem Taktgenerator mit einer Energieversorgung zugeordnet ist, die eingangsseitig am Gleichspannungs-Zwischenkreis und ausgangs seitig mit dem Taktgenerator verbunden ist. Das Verhalten des sich mit der Induktivität der Metallisierungskapazität aus bildenden Schwingkreises ist bei der Betriebsfrequenz stark induktiv. Erreicht die Betriebsfrequenz die Frequenz, bei der maximale Leistungsübertragung eintritt (Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Übertragers), so wirkt die Induktivität zu sammen mit dem Brückenzweig wie eine auf einen Parallel schwingkreis arbeitende Stromquelle. Die am Übertrager anste hende Spannung wird maximal und die Leistungsübertragung er reicht ihren Höchstwert.

Die sekundärseitige Gleichrichterschaltung weist einen Brückengleichrichter mit vier Dioden, zwei Siebkondensatoren und eine Spannungsstabilisierung auf. Als Dioden des Brücken gleichrichters werden schnelle Dioden, beispielsweise Schott ky-Dioden, verwendet. Die auf der sekundären Seite des piezo elektrischen Übertragers erzeugten Ladungen werden über den Brückengleichrichter den Siebkondensatoren zugeführt. In Ab hängigkeit der Ausgestaltung der Spannungsstabilisierung kön nen Ausgangsspannungen von Null Volt bis zur maximalen Leer laufspannung eingestellt werden.

Wie die Signalverläufe dieser Entgegenhaltung EP 0 788 218 A2 zeigen, wird die Serieninduktivität nicht für die Abstimmung des-piezoelektrischen Wandlers benutzt, sondern dient als Stromquelle.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen serienab gestimmten piezoelektrischen Wandler anzugeben, mit dem Lei stung in Höhe von einigen Watt zu elektrischen Baugruppen auf hohem und sich schnell ändernden elektrischen Potential über tragen werden kann, wobei die eingangs genannten Nachteile einer potentialfreien Übertragung nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Durch die Verwendung einer piezoelektrischen Keramik ist eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit durch Ändern der Abmessungen dieser Keramik problemlos möglich. Außerdem wird die Keramik im Gegensatz zu organischen Isolierstoffen durch die Teilent ladung nicht geschädigt. Da die Primär- und Sekundärseite der piezoelektrischen Keramik jeweils mit einer Impedanztransfor mations-Einrichtung verknüpft ist, kann man piezoelektrische Keramiken aus einem Stück oder aus einem Laminat von dünnen Plättchen, deren Metallisierungen primär- und sekundärseitig jeweils parallelgeschaltet sind, verwenden, die primärseitig mit einer elektrischen Wechselspannung aus einer beispiels weise 24 V-Versorgung angeregt werden. Durch die unterschied lichen Ausführungsformen der piezoelektrischen Keramik erge ben sich auch unterschiedliche Übertragungsverhältnisse, die mittels der primär- und sekundärseitigen Impedanztransforma tions-Einrichtung ausgeglichen werden können. Somit erhält man einen serienabgestimmten piezoelektrischen Wandler, mit dem eine Leistung in Höhe von einigen Watt potentialfrei übertragen werden kann, wobei die genannten Nachteile unter schiedlicher potentialfreier Übertragungen nicht mehr auftre ten.

In Abhängigkeit des Wertes des Transformationsverhältnisses wird als Impedanztransformations-Einrichtung eine Resonanz transformation oder eine magnetische Transformation vorgenom men. Dabei können diese Transformationsarten primär- und se kundärseitig beliebig miteinander kombiniert werden. Eine Re sonanztransformation wird verwendet, wenn der Wert des Trans formationsverhältnisses klein ist. Ist dieser Wert jedoch groß, so wird als Impedanztransformations-Einrichtung die ma gnetische Transformation verwendet. Sekundärseitig wird das Transformationsverhältnis gebildet von der sekundärseitigen Spannung der piezoelektrischen Keramik und von der Versor gungsspannung der elektrischen Baugruppe, die potentialfrei mit Energie versorgt werden soll.

Bei der Verwendung einer aus einem Stück gefertigten piezo elektrischen Keramik wird vorzugsweise primär- und sekundär seitig als Impedanztransformations-Einrichtung jeweils eine magnetische Transformation verwendet, wogegen bei einer aus einem Laminat bestehenden Keramik als primärseitige Impedanz transformations-Einrichtung eine Resonanztransformation und als sekundäre Impedanztransformations-Einrichtung eine magne tische Transformation vorgesehen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser beiden Transformationsar ten sind den Unteransprüchen 8 bis 10 zu entnehmen.

Als Gleichrichterschaltung kann jede beliebige Gleichrichter schaltung verwendet werden, die ausgangsseitig zum Glättungs kondensator eine oder keine Glättungsdrossel aufweist und der eingangsseitig ein oder kein magnetischer Übertrager (Reso nanz- oder magnetische Transformation) vorschaltbar ist. Wird eine Glättungsdrossel verwendet, verringert sich der Span nungseinbruch bei Last gegenüber dem Leerlauf. Werden mehrere Gleichspannungen gleichzeitig benötigt, so wird ein Übertra ger mit mehreren Sekundärwicklungen verwendet.

Diese verschiedenen Kombinationen von Bauelementen des serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers sind überwie gend in einem Gehäuse untergebracht, wobei der Innenraum die ses Gehäuses mittels Stege in mehrere Kammern unterteilt ist. Diese Stege werden überwiegend für die Lagerung der piezo elektrischen Keramik verwendet. Der Oberwellenmode der longi tudinalen Längsschwingung ist derart gewählt, daß die Stege an den Nullstellen der mechanischen Verschiebung plaziert sind, da an diesen Stellen die Schwingungen der piezoelektri schen Keramik minimal ist. In den stirnseitigen Kammern die ses Gehäuses des Wandlers ist jeweils eine Impedanztransfor mations-Einrichtung angeordnet und vergossen.

Es ist aber auch denkbar, daß die stirnseitigen Kammern die ses Gehäuses des Wandlers so ausgeführt sind, daß darin zu sätzlich noch weitere Elektronikkomponenten, beispielsweise die Ansteuerelektronik des serienabgestimmten Wandlers, un tergebracht sind.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des serienabgestimm ten piezoelektrischen Wandlers ist die piezoelektrische Kera mik als schmaler, langer Stab ausgeführt. Dadurch ist die Bildung von einzelnen Kammern auch außerhalb der Metallisie rungsflächen möglich, so daß ein Kurzschluß zwischen Primär- und Sekundärseite bei einem Bruch der Keramik oder der Zulei tungen mit den Stegen sicher verhindert wird. Zur Vermeidung von Oxidation an den Metallisierungsflächen kann die piezo elektrische Keramik mit einer Lackschicht überzogen sein.

Damit der Wirkungsgrad maximal wird, ist die Länge der Metal lisierungen an beiden Enden der Keramik annähernd gleich der halben Wellenlänge eines gewählten Übertragungsmodes zu wäh len, da dann die mechanische Spannung auf der ganzen Metalli sierungslänge mit dem gleichen Vorzeichen wirksam ist. Ein Optimum der Metallisierungslänge liegt beispielsweise zwi schen 85% und 95% bezogen auf die halbe Wellenlänge der entsprechenden unbelasteten mechanischen Resonanz.

Inhomogene elektrische Felder, wie sie an Kanten und Spitzen entstehen, neigen aufgrund der Feldkonzentration zu Korona entladungen und bewirken damit Störungen im Hochfrequenzbe reich. Um das elektrische Feld an den Metallisierungskanten zu homogenisieren, können auf der Primär- und Sekundärseite der piezoelektrischen Keramik jeweils ein Potentialschirm aus elektrisch leitendem Material vorgesehen werden. Diese Poten tialschirme werden jeweils über die Metallisierungsflächen der piezoelektrischen Keramik gestülpt, jedoch nicht mit die sen mechanisch verbunden. Beispielsweise kann dieser Potenti alschirm als Ring, Rohr oder Halbschale ausgebildet sein. Zur Verbesserung der Homogenisierungswirkung bezüglich des elek trischen Feldes zwischen Primär- und Sekundärseite der Kera mik, kann der der Isolationsstrecke zugewandte Rand des Po tentialschirmes derart umgebogen sein, daß eine breitere Ver teilung des Feldes erreicht wird.

Im Hinblick auf eine Vereinfachung bei der Montage des erfin dungsgemäßen Wandlers ist der Potentialschirm zweigeteilt, wobei jeweils eine Schirmhälfte in einer Gehäusehälfte des serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers integriert ist.

Dadurch, daß der erfindungsgemäße Wandler in einem erfin dungsgemäß ausgestalteten Gehäuse untergebracht ist, ist das Problem der Lagerung der piezoelektrischen Keramik derart ge löst, daß dieser Wandler wie ein komplexes Bauelement benutzt werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des erfin dungsgemäßen serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt ein Funktionsprinzip einer Energieübertra gung mittels Schall, die

Fig. 2 zeigst in einem Diagramm über der Frequenz f die Übertragungscharakteristik eines piezoelektri schen Wandlers nach Fig. 1, wobei in der

Fig. 3 seine Eingangsimpedanz in einem Diagramm über der Frequenz f veranschaulicht ist, in der

Fig. 4 ist in einem Diagramm über der Frequenz f die Eingangsimpedanz eines serienabgestimmten piezo elektrischen Wandlers und in der

Fig. 5 der Phasenfrequenzgang des Primärstromes I_q eines serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers dargestellt, die

Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungs gemäßen Wandlers, wobei in der

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform dieses Wandlers dar gestellt ist, die

Fig. 8-13 zeigen jeweils eine Ausführungsform einer beim erfindungsgemäßen Wandler verwendbaren Gleich richterschaltung, in der

Fig. 14 ist eine Hälfte des in einem Gehäuse unterge brachten erfindungsgemäßen Wandlers dargestellt, die

Fig. 15 zeigt den Verlauf der mechanischen Spannung σ über einer piezoelektrischen Keramik des erfin dungsgemäßen Wandlers und in der

Fig. 16 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Gehäu ses des erfindungsgemäßen Wandlers nach Fig. 14 dargestellt.

Die Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsge mäßen serienabgestimmten piezoeelektrischen Wandlers, der ei ne Serieninduktivität L1, eine primärseitige Impedanztrans formations-Einrichtung, eine piezoelektrische Keramik 6, eine sekundärseitige Impedanztransformations-Einrichtung und eine Gleichrichterschaltung 8 aufweist. Als primärseitige Impe danztransformations-Einrichtung ist eine Resonanztransforma tion und als sekundärseitige Impedanztransformations-Ein richtung ist eine magnetische Transformation vorgesehen. Die Resonanztransformation wird ausgeführt mit einer Kapazität C1, die elektrisch parallel zur Metallisierungskapazität, be stehend aus zwei Metallisierungsflächen 2 und 4, geschaltet ist. Die Serieninduktivität L1, die Kapazität C1 und die Me tallisierungskapazität bilden einen Schwingkreis, der auf die mechanische Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Keramik 6 abgestimmt ist. Mittels dieser Resonanztransformation erhält man aus der Ansteuerspannung U_q, die beispielsweise von einer hart schaltenden Spannungsquelle geliefert wird, die notwen dige primärseitige Wechselspannung U_Ptr,1 der piezoelektri schen Keramik 6. An den sekundärseitigen Metallisierungsflä chen 10 und 12 erhält man eine Wechselspannung U_Ptr,2, die der sekundärseitigen Impedanztransformations-Einrichtung zuge führt ist. Diese Transformations-Einrichtung, die als magne tische Transformation ausgeführt ist, weist einen magneti schen Übertrager T2 mit einer sekundärseitigen Mittelan zapfung 14 auf. Sekundärseitig ist dieser magnetische Über trager T2 mit den Eingängen der nachgeschalteten Gleich richterschaltung 8 verknüpft, die ausgangsseitig mit einer Last 16 verbunden ist. Die Gleichrichterschaltung 8 weist ei nen Brückengleichrichter 18 mit den Dioden D3 und D4, eine Glättungsinduktivität L2 und einen Glättungskondensator C2 auf. Als Dioden D3 und D4 des Brückengleichrichters 18 werden schnelle Dioden, beispielsweise Schottky-Dioden, verwendet. Mittels des magnetischen Übertragers T2 wird die sekundärsei tige Wechselspannung U_Ptr,2 der piezoelektrischen Keramik auf einen vorbestimmten Wert heruntertransformiert und mittels dieser Gleichrichterschaltung 8 in eine Gleichspannung U_DC,2 für die Last 16 gewandelt.

Die Ausführungsform des serienabgestimmten piezoelektrischen Wandlers gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von der Ausführungs form gemäß Fig. 6 dadurch, daß als Impedanztransformations- Einrichtung anstelle einer Resonanztransformation eine magne tische Transformation vorgesehen ist. Diese magnetische Transformation wird mittels eines magnetischen Übertragers T1 mit sekundärseitiger Mittelanzapfung 20 durchgeführt. Abhän gig von der Auslegung des magnetischen Übertragers T1 als Streutransformator kann teilweise oder ganz auf die Serienin duktivität L1 verzichtet werden. Zur Vermeidung von undefi nierten Isolationsverhältnissen und zur Ableitung von kapazi tiven Störströmen sollte der magnetische Übertrager T1, der mit seinen Ausgangs-Anschlüssen 22, 24 mit den primärseitigen Metallisierungsflächen 2 und 4 der piezoelektrischen Keramik 6 verknüpft ist, mit einem dieser beiden Anschlüsse 22, 24 oder mit der Mittelanzapfung 20 geerdet werden. Entsprechend sind die sekundärseitigen Metallisierungsflächen 10 und 12 durch einseitiges Überbrücken des nachgeschalteten magneti schen Übertragers T2 an das Hochspannungspotential der Last 16 anzubinden.

Welche der dargestellten primärseitigen Transformationsarten verwendet werden kann, hängt vom Wert des Transformationsver hältnisses ab, das von der Ansteuerspannung U_q und der pri märseitigen Wechselspannung U_Ptr,1 der piezoelektrischen Kera mik 6 abhängt. Wird eine piezoelektrische Keramik aus einem Laminat von dünnen Plättchen, deren Metallisierungen primär seitig und sekundärseitig jeweils parallel geschaltet sind, verwendet, so ist die Eingangsimpedanz niederohmig und die für die Anregung der Keramik 6 notwendige Wechselspannung U_Ptr,1 niedrig. Somit ist in diesem Fall das Transformations verhältnis klein. Der Wert dieses Transformationsverhältnis ses kann sogar so klein werden, daß ganz auf eine Impedanz transformation verzichtet werden kann.

Wird dagegen die piezoelektrische Keramik 6 aus einem Stück gefertigt, ist die Eingangsimpedanz verhältnismäßig hoch ohmig, so daß für die Anregung dieser Keramik 6 eine relativ hohe primärseitige Wechselspannung U_Ptr,1 benötigt wird. Somit ist in diesem Fall das Transformationsverhältnis groß. Bei einem großen Transformationsverhältnis ist wegen der steigen den Parameterempfindlichkeit der Resonanztransformation die magnetische Transformation als Impedanztransformations-Ein richtung vorzuziehen.

Denkbar ist auch eine Resonanztransformation auf der Sekun därseite der piezoelektrischen Keramik 6, wobei auf deren Primärseite eine magnetische Transformation verwendet wird. Außerdem ist auch eine Resonanztransformation auf der Primär- und Sekundärseite der piezoelektrischen Keramik 6 möglich. Bei einer Resonanztransformation auf der Sekundärseite der piezoelektrischen Keramik 6 ist zusätzlich eine Schwingkreis drossel notwendig, die zusammen mit der aus den Metallisie rungsflächen 10 und 12 gebildeten Metallisierungskapazität auf die mechanische Resonanzfrequenz abgestimmt ist.

In den Fig. 8 bis 13 sind unterschiedliche Gleichrichter schaltungen 8 näher dargestellt, die beim erfindungsgemäßen serienabgestimmten piezeoelektrischen Wandler verwendet wer den können. Diese Gleichrichterschaltungen 8 können in mehre re Gruppen unterteilt werden. Die eine Gruppe dieser Gleich richterschaltungen 8 wird eingangsseitig mit Ausgängen eines magnetischen Übertragers T2 verknüpft (Fig. 8 bis 11) und eine andere Gruppe wird eingangsseitig direkt mit der Sekun därseite der piezoelektrischen Keramik 6 verbunden (Fig. 12, 13). Die erstgenannte Gruppe kann noch in zwei Gruppen unterteilt werden, von denen die eine jeweils eingangsseitig mit einem magnetischen Übertrager mit einer Mittelanzapfung 14 (Fig. 8, 9) und die andere eingangsseitig jeweils mit einem magnetischen Übertrager T2 ohne Mittelanzapfung verbun den sind (Fig. 10, 11). Außerdem sind von den dargestell ten Gleichrichterschaltungen 8 einige mit einer Glättungs drossel L2 (Fig. 8, 10, 12) und einige ohne Glättungsdros sel L2 (Fig. 9, 11, 13) ausgeführt.

In der Fig. 14 ist beispielsweise die primärseitige Hälfte ei nes in einem Gehäuse 26 eingebauten serienabgestimmten piezo elektrischen Wandlers dargestellt. Das Gehäuse 26 besteht aus einem Grundteil 28 und einem Deckel 30. Beide Teile 28 und 30 des Gehäuses 26 sind mit den Stegen 32 und 34 versehen, die das Innere des Gehäuses 26 in Kammern 36 und 38 unterteilt. Die Stege 32 und 34 dienen überwiegend zur verlustarmen Mehr fachlagerung der Keramik 6 und zur gegenseitigen mechanischen und elektrischen Abschottung der Primär- und Sekundärseite. Eine günstige Ausprägung der piezoelektrischen Keramik 6 ist deshalb ein schmaler, langer Stab, da dadurch in Verbindung mit dem Betrieb in einem der Oberwellenmoden der longitudina len Längsschwingung auch die Bildung von einzelnen Kammern 36 auch außerhalb der Metallisierungsflächen 2 und 4 bzw. 10 und 12 möglich ist. Dadurch, daß auch zwischen den Metallisie rungsflächen 2, 4 und 10, 12 der Innenraum des Gehäuses 26 in einzelne Kammern 36 unterteilt ist, wird bei einem Bruch der piezoelektrischen Keramik 6 ein Kurzschluß zwischen Primär- und Sekundärseite des Wandlers verhindert.

Die Keramik 6 wird mittels eines hochelastischen Klebers, beispielsweise Silikonkleber, derartig mit den Stegen 32 und 34 verklebt, daß eine elastische Verbindung 40 zu den Stegen 32 und 34 rund um die Keramik 6 mit einer vorbestimmten Dicke, beispielsweise 0,5 mm bis 2 mm, entsteht. Ein direktes Aufkleben, bei dem ein Anpreßdruck auf die Klebestellen auf gebracht wird, darf nicht vorgenommen werden, da dann die La gerung der Keramik 6 wegen der zu dünnen elastischen Schicht eine zu hohe Dämpfung verursachen würde.

Die Kontaktierung der Metallisierungsflächen 2 und 4 bzw. 10 und 12 wird mit einem hochflexiblen und vibrationsfesten Lei ter 42 vorgenommen, damit die mechanischen Schwingungen in der piezoelektrischen Keramik 6 möglichst wenig beeinflußt werden. Als hochflexibler und vibrationsfester Leiter 42 wird beispielsweise eine Litze vorgesehen. Die Kontaktierung die ser Leiter 42 erfolgt entweder direkt unter den beiden gegen überliegenden Stegen 32 und 34 oder in unmittelbarer Nähe da zu. Zur Vermeidung von Oxidation an den Metallisierungsflä chen 2, 4 bzw. 10, 12 wird die piezoelektrische Keramik 6 mit einer dünnen Lackschicht überzogen.

In den stirnseitigen Kammern 38 des Gehäuses 26 sind die pri mär- und sekundärseitigen Bauelemente C1, L1 und T2, D3, D4, L2, C2 und Teile der Ansteuerelektronik untergebracht. Außer dem enthält jede stirnseitige Kammer 38 zwei Anschlußstifte 44, die aus diesen stirnseitigen Kammern 38 herausgeführt sind. Im Gegensatz zu den Kammern 36 für die Aufnahme der piezoelektrischen Keramik 6 sind die stirnseitigen Kammern 38 vergossen.

In der Fig. 15 ist die mechanische Spannung σ in einem Dia gramm über die räumliche Ausdehnung x der piezoelektrischen Keramik 6 veranschaulicht. Die Metallisierungsflächen 2, 4 und 10, 12 sind annähernd gleich der halben Wellenlänge des gewählten Übertragungsmodes. Dadurch wirkt die mechanische Spannung σ mit dem gleichen Vorzeichen entlang der ganzen Me tallisierungsfläche 2, 4 und 10, 12. Das Optimum der Länge der Metallisierungsflächen 2, 4 und 10, 12 liegt beispiels weise zwischen 85% und 95% bezogen auf die halbe Wellenlän ge der entsprechenden unbelasteten mechanischen Resonanz. Die genaue Lage hängt von den Dämpfungsverhältnissen ab. Durch diese Ausgestaltung der piezoelektrischen Keramik 6 wird der Wirkungsgrad des serienabgestimmten piezoelektrischen Wand lers maximal.

Die mechanische Verschiebung verläuft zur mechanischen Span nung σ um 90° verschoben. An den Stellen x₁, x₂, x₃ und x₄ weist diese mechanische Verschiebung Nullstellen auf, die auch als Knoten bezeichnet werden. In diesen Knoten der me chanischen Verschiebung ist die Schwingung der piezoelektri schen Keramik 6 annähernd Null. D.h., für eine verlustarme mehrfache Lagerung der Keramik 6 sind die Stege 32 und 34 an diesen Stellen im Gehäuse 26 angeordnet. Damit die mechani sche Verschiebung mehrere Knoten aufweist, wird die piezo elektrische Keramik 6 beispielsweise im vierten Oberwellenmo de der longitudinalen Längsschwingung betrieben.

In der Fig. 16 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des Ge häuses 26 veranschaulicht. Diese vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 14 da durch, daß primär- und sekundärseitig jeweils ein Potential schirm 46 aus elektrisch leitfähigem Material vorgesehen ist. Der Potentialschirm 46 wird über die Metallisierungsflächen 2, 4 bzw. 10, 12 gestülpt, aber nicht mechanisch mit diesen verbunden. Der Potentialschirm 46 ist wie das Gehäuse 26 zweigeteilt, wobei jeweils ein Teil des Potentialschirms 46 im Basisteil 28 und im Deckel 30 des Gehäuses 26 integriert sind. Diese beiden Potentialschirmhälften werden mittels ei nes Steckkontaktes 48 miteinander elektrisch leitend verbun den, sobald der Deckel 30 auf das Basisteil 28 des Gehäuses 26 montiert wird. Außerdem weist der Potentialschirm 26 einen Anschlußstift 50 auf, der auf der Niederspannungsseite zu er den ist. Auf der gegenüberliegenden nicht dargestellten Se kundärseite des Wandlers ist der Potentialschirm 46 mittels seines Anschlußstiftes 50 mit Hochspannungspotential zu ver binden. Im Öffnungsbereich der stirnseitigen Kammer 38 ist der Potentialschirm 46 mit einer korrespondierenden Ausneh mung 52 versehen, die zum Vergießen dieser Kammer 38 benötigt wird. Aus dieser Vergußmasse ragen die Anschlußstifte 44, die aus der stirnseitigen Kammer 38 herausgeführt werden können.

Mittels diesem Potentialschirm 46 wird das elektrische Feld an den Metallisierungskanten homogenisiert, so daß keine Ko ronaentladungen an den Kanten der Metallisierungsflächen der Keramik entstehen können.

Claims

1. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler mit einer Se rieninduktivität (L1), einer piezoelektrischen Keramik (6) und einer Gleichrichterschaltung (8), wobei die Primär- und Sekundärseite der piezoelektrischen Keramik (6) jeweils mit einer Impedanztransformations-Einrichtung verknüpft ist.

2. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Impedanztransformations-Einrichtung eine Resonanz transformation vorgesehen ist.

3. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Impedanztransformations-Einrichtung eine magnetische Transformation vorgesehen ist.

4. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanztransformations-Einrichtungen gemäß An spruch 2 und 3 miteinander kombinierbar sind.

5. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Keramik (6) aus einem Stück besteht.

6. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Keramik (6) aus einem Laminat von dünnen Plättchen besteht, deren Metallisierungen primär- und sekundärseitig jeweils elektrisch parallel geschaltet sind.

7. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Keramik (6) als schmaler, langer Stab ausgebildet ist.

8. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonanztransformation eine Kapazität (C1) vorgesehen ist, die elektrisch parallel zur Metallisierungskapazität der piezoelektrischen Keramik (6) geschaltet ist und daß der aus Serieninduktivität (L1), Kapazität (C1) und Metallisierungs kapazität bestehender Schwingkreis auf die mechanische Reso nanz der piezoelektrischen Keramik (6) abgestimmt ist.

9. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetische Transformation ein magnetischer Übertra ger (T1) vorgesehen ist.

10. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetischer Übertrager (T1) ein Streutransformator vorgesehen ist, dessen Streuung derart ausgelegt ist, daß die Serieninduktivität (L1) ganz oder teilweise ersetzbar ist.

11. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Wandler in einem mittels Stegen (32, 34) in ein zelne Kammern (36, 38) aufgeteilten Gehäuse (26) angeordnet ist.

12. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Keramik (6) mittels eines hochela stischen Klebers derart mit den Stegen (32, 34) entlang des Gehäuses (26) verklebt ist, daß jeweils eine elastische Ver bindung (40) vorgesehen ist.

13. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steg (32, 34) im Bereich einer Nullstelle des Ver laufes der mechanischen Verschiebung im Gehäuse (26) angeord net ist.

14. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontaktierung der piezoelektrischen Keramik (6) mit einer Impedanztransformations-Einrichtung mittels einem hoch flexiblen und vibrationsfesten Leiter (42) derart erfolgt, daß dieser Leiter (42) einerseits direkt unter einem Steg (32, 34) oder in unmittelbarer Nähe dazu mit einer Metalli sierungsfläche (2, 4; 10, 12) der piezoelektrischen Keramik (6) elektrisch leitend verbunden ist.

15. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Keramik (6) mit einer Lackschicht überzogen ist.

16. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß primär- und sekundärseitig ein Potentialschirm aus elek trisch leitfähigem Material vorgesehen ist, der jeweils die Metallisierungsflächen (2, 4; 10, 12) abdeckt.

17. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens jeweils eine Impedanztransformations-Einrich tung (6) in einer stirnseitigen Kammer (38) des Gehäuses (26) untergebracht ist.

18. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) zweigeteilt ist.

19. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) mit Rippen versehen ist, die derart ent lang der Außenseite des Gehäuses (26) angeordnet sind, daß diese räumlich zueinander parallel und quer zum Potentialver lauf verlaufen.

20. Serienabgestimmter piezoelektrischer Wandler nach An spruch 16 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialschirm (46) zweigeteilt ausgeführt ist, wo bei jede Gehäusehälfte (28, 30) eine Potentialschirmhälfte aufnimmt.