DE2141643B2 - Erregerschaltung fuer einen piezoelektrischen kristall - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Erregerschaltung für einen piezoelektrischen Kristall, der mit einer ersten und einer dritten Elektrode auf einer Seite und mit einer zweiten Elektrode auf der anderen Seite belegt ist, wobei die b"> drei Elektroden mit einer Verstärkerschaltung verbunden sind, die einen mit der dritten Elektrode verbundenen Rückkopplungszweig und einen emitter

geschalteten Transistor aufweist.

Bei der aus der US-PS 34 21109 bekannten Erregerschaltung für piezoelektrische Kristalle sind die dort verwendeten Kristalle mit drei Elektroden ausgebildet. Eine erste Seite des Kristalls ist mit einer ersten Elektrode und die zweite Seite des Kristalls mit einer zweiten und mit einer dritten Elektrode beschichtet. Die Schwinganregung des Kristalls erfolgt über die erste und die zweite Elektrode, während die dritte Elektrode dazu dient, eine Rückkopplungsspannung zu liefern, damit, nachdem diese Rückkopplungsspannung verstärkt worden ist, ein schwingfähiger Oszillatorschaltkreis vorliegt. Dieser Schaltkreis dient dazu, eine möglichst frequenzstabile Ausgangswechselspannung zu erzeugen. Er ist aber ungeeignet, wenn der piezoelektrische Kristall der Schallerzeugung dienen soll, da nur von einem geringen Teil der Kristalloberfläche Schall abgestrahlt wird, wodurch sich ein geringer Wirkungsgrad ergibt.

Eine weitere Schaltkreisanordnung mit einem piezoelektrischen Kristall ist aus der DT-AS 12 22 994 bekannt. Diese Schaltanordnung dient dazu, einen Quarzgenerator hochkonstanter Frequenz zu schaffen. Der hierbei eingesetzte Quarzkristall ist auf einer Seite mit einer Elektrode und auf der anderen Seite mit zwei voneinander getrennten Elektroden ausgebiidet. Um die erwünschte Frequenzkonstanz zu erzielen, wird dem Schwingquarz von einer zweiten oder folgenden Verstärkerstufe eine Rückkopplungsspannung zugeführt. Die Rückkopplungsspannung wird nicht direkt an einer der Elektroden abgegriffen, sondern dieser zugeführt. Der Schwingkristall ist bei dieser Schaltung im Gitterkreis der ersten Schaltungsstufe angeordnet, während die Rückkopplungsspannung am Kathodenwiderstand der zweiten Stufe abgegriffen und einer der beiden getrennten Elektroden des Schwingkristalls zugeführt wird. Hieraus ergibt sich ohne weiteres, daß diese Schaltungsanordnung zur Erregung eines piezoelektrischen Kristalls, der der Schallerzeugung dienen soll, nicht geeignet ist, da dem Kristall keine ausreichende Energie zugeführt würde. Ferner ist diese bekannte Schaltung sehr kompliziert aufgebaut, was sich daraus ergibt, daß sie dazu dienen soll, einen Quarzgenerator hochkonstanter Frequenz zu schaffen.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Erregerschaltung der genannten Art zu schaffen, die für eine effektive Schallerzeugung mit einem piezoelektrischen Kristall geeignet ist und einen einfachen schaltungstechnischen Aufbau zeigt.

Eine Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Eine andere Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Ein Vorteil besteht darin, daß durch die erfindungsgemäßen einfachen Erregerschaltungen der piezoelektrische Kristall derart zum Schwingen angeregt wird, daß eine effektive Schallabstrahlung erzielt wird. Da die Elektrode, an der die Spannung für die Rückkopplung abgegriffen wird, kleiner als die auf der gleichen Kristallseite aufgebrachte andere Elektrode ist, kann ein großer Bereich der Kristalloberfläche für die Schallabstrahlung ausgenutzt werden, so daß sich ein guter Wirkungsgrad ergibt.

In Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Membran air. eine metallische Unterlage ausgebildet und an dieser der piezoelektrische Kristall stoffschlüssig befestigt wird. Dadurch wird sichergestellt, daß'in wirksamer Weise die Schwingungen der Oberfläche des Kristal's auf die Membran übertragen

werden. Eine Membran aus Messing hat sich für die Schallabstrahlung als besonders günstig erwiesen.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unleranspriichen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht des piezoelektrischen Wandlers,

F i g. 2 eine vergrößerte Schnittansicht entsprechend der Linie 2-2in Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm des Schallerzeugers und

Fig.4 ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform des Schallerzeugers.

Der Schallerzeuger weist einen piezoelektrischen Wandler und eine elektrische Schaltungsanordnung für die Erregung des Wandlers auf. Die elektrische Srhaltungsanordnung enthält einen mit dem Wandler verbundenen Verstärker sowie eine Rüc'xkopplungsschleife zwischen dem Wandler und dem Verstärker. Der piezoelektrische Wandler erzeugt in der Rückkopplungsschleife Wechselspannungen und verhindert das Auftreten von Gleichspannungen. Der piezoelektrische Wandler enthält ein mechanisch auf einer Unterlage befestigtes piezoelektrisches Element mit einem piezoelektrischen Kristall und darauf angeordneten ersten und zweiten Elektroden. Zur Bildung einer dritten Elektrode ist eine der beiden Elektroden durch eine Trennung in zwei elektrisch gegeneinander isolierte Bereiche geteilt. An den Elektroden sind jeweils elektrische Anschlußeinrichtungen vorgesehen.

Der in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellte piezoelektrische Wandler P enthält ein stoffschlüssig auf einer Unterlage 5 befestigtes piezoelektrisches Element E und elektrische Anschlüsse 71, 72 und 73. Das piezoelektrische Element Γ weist einen piezoelektrischen Kristall C, eine erste und eine zweite Elektrodenanordnung 1 bzw. 2, sowie eine die Elektrodenanordnung 1 zur Bildung einer dritten Elektrode 3 in gegeneinander elektrisch isolierte Bereiche unterteilende Trennung M auf. Die Trennung M ist durch eine schlitzförmige Leerstelle 10 in der Elektrode 1 gebildet. Das piezoelektrische Element Eist mittels eines elektrisch leitenden Binders, beispielsweise eines Epoxidharzes, stoffschlüssig an der Unterlage S befestigt. Die Elektrodenanordnungen 1 und 2 sind durch eine dünne Beschichtung mit einem elektrisch leitenden Stoff, beispielsweise Silber, gebildet. Der piezoelektrische Kristall C ist beispielsweise aus einer Blei-/Zirkon-/Titan-Verbindung gebildet.

Die Elektroden 1 und 2 dienen der Erregung des piezoelektrischen Wandlers, während die Elektrode 3 einen Rückkopplungsausgang bildet. Die Elektroden 1, 2 und 3 sind mit Anschlüssen 71, 72 bzw. 73 galvanisch verbunden. Aufgrund der Unterteilung der Elektrode 1 in isolierte Bereiche 1 und 3 liefert der piezoelektrische Wandler in der Rückkopplungsschleife einer elektrischen Schaltungsanordnung eine Wechselspannung, und verhindert darin das Auftreten von Gleichspannungen, ho Die Verwendung der dritten, gegenüber den beiden anderen isolierten Elektroden ermöglicht die Ausnützung der Kollektor-Emitter-Sättigungscharakteristik eines Siliziumtransistors zum Erregen des Wandlers mit einer höheren Spannung als der in herkömmlichen ιτ> rückgekoppelten SciiallungsanorJnungen erzielbaren.

F i g. 3 zeigt die Verwendung des piezoelektrischen Wandlers in einem aus wenigen Teilen zusammengesetzten Schallerzeuger. Der Schallerzeug<;r 30 enthält den piezoelektrischen Wandler P und eine elektrische Erregerschaltungsanordnung 30 für diesen. An der Schaltungsanordnung 32 vorgesehene Anschlüsse 34 und 36 dienen zum Anschließen an eine Gleichspannungsquelle. Die Schaltungsanordnung 32 enthält ferner eine Verstärkeranordnung 38 und eine Rückkopplungsschleife 33. Die Verstärkeranordnung 38 enthält zwei Transistoren 40 und 42 mit den dazugehörigen Vorwiderständen Al₁ R2 und A3. Die Transistoren 40 und 42 sind zur Bildung eines Verstärkers gemeinsam emittergeschaltet. Der Transistor 42 ist über die Anschlüsse 7Ί und 72 vom Kollektor zum Emitter an den Erregerelektroden I und 2 des Wandlers angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 40 liegt an der Basis des Transistors 42, und sein Emitter am Emitter desselben. Die Elektrode 3 des piezoelektrischen Wandfers P ist über ihren Anschluß 73 und die Rückkopplungsschleife 33 an die Basis des Transistors 40 gelegt. Die Widerstände Al, R2 und R3 dienen als Vorwiderstände für die Transistoren. Dabei dient der Widerstand R3 als Kollektor-Vorwiderstand für den Transistor 42, der Widerstand R 1 als Basis-Vorwiderstand für den Transistor 40 und der Widerstand R2 als Kollektor-Vorwiderstand für den Transistor 40 und als Basis-Vorwiderstand für den Transistor 42. Durch entsprechende Wahl der Polarität an den Anschlüssen 71und 72 des piezoelektrischen Wandlers, welche von der Richtung der ursprünglichen Polarisierung des piezoelektrischen Elements abhängig ist, für den Anschluß am Kollektor und am Emitter des Transistors 42, ist die Rückkopplungsspannung phasengleich, so daß die erzeugten Schwingungen eine der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers entsprechende Frequenz beibehalten.

Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schallerzeugers. In dieser Ausführung sind die Abmessungen und der Aufwand der elektrischen Schaltungsanordnung durch Verwendung nur eines Transistors in der Verstärkeranordnung weiter verringert. Der dargestellte Schallerzeuger 30' enthält den piezoelektrischen Wandler P und eine elektrische Schaltungsanordnung 44. Diese ist mittels Anschlüssen 46 und 48 an eine geeignete Gleichspannungsquelle anschließbar und enthält eine Verstärkeranordnung 50 und eine Rückkopplungsschleife 51. Die Verstärkeranordnung 50 enthält einen Transistor 52, welcher über seinen Kollektor und seinen Emitter an den Anschlüssen 7Ί und 72 des Wandlers liegt, während seine Basis mit dem Anschluß 73 verbunden ist. Ein Widerstand RA bildet den Basis-Vorwiderstand des Transistors, und ein Widerstand /?5 seinen Kollektor-Vorwiderstand. Da die Schaltungsanordnung mit einem Transistor eine einfache Phasenumkehiung um 180° bewirkt, müssen die Anschlüsse 71 und 72 zur Erzielung der erforderlichen Phasenverschiebung um 360° am Rückkopplungsanschluß 73 gegenüber der Anordnung nach F i g. 3 umgekehrt verbunden sein.

Somit schafft die Erfindung einen Schallerzeuger mit einem piezoelektrischen Wandler unter Verwendung nur weniger Einzelteile und damit von geringem Raumbedarf und Aufwand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Erregerschaltung für einen piezoelektrischen Kristall, der mit einer ersten und einer dritten s Elektrode auf einer Seite und mit einer zweiten Elektrode auf der anderen Seite belegt ist, wobei die drei Elektroden mit einer Verstärkerschaltung verbunden sind, die einen mit der dritten Elektrode verbundenen Rückkopplungszweig und einen emittergeschalteten Transistor aufweist, dessen Kollektor mit der ersten und dessen Emitier mit der zweiten Elektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter emittergeschalteter Transistor (40) mit seinem Kollektor mit der Basis des einen Transistors (42) und mit seiner Basis direkt mit der dritten Elektrode fTj) verbunden ist, und daß die dritte Elektrode (Tj) kleiner als die erste Elektrode (Ti) ist, wobei der piezoelektrische Kristall in an und für sich bekannter Weise als Schallgeber mit einer Membran ausgebildet ist.

2. Erregerschaltung für einen piezoelektrischen Kristall, der mit einer ersten und einer dritten Elektrode auf einer Seite und mit einer zweiten Elektrode auf der anderen Seite belegt ist, wobei die drei Elektroden mit einer Verstärkerschaltung verbunden sind, die einen mit der dritten Elektrode verbundenen Rückkopplungszweig und einen emitlergeschalteten Transistor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (52) mit seinem μ Kollektor mit der zweiten (Ti), mit seinem Emitter mit der ersten (Ti) und mit seiner Basis direkt mit der dritten (Tj) Elektrode verbunden ist, und daß die dritte Elektrode (T)) kleiner als die erste Elektrode (Ti) ist, wobei der piezoelektrische Kristall in an und für sich bekannter Weise als Schallgeber mit einer Membran ausgebildet ist.

3. Erregerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran eine metallische Unterlage (S) bildet, an der der piezoelektrische Kristall (C) stoffschlüssig befestigt ist.

4. Erregerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Unterlage (S) aus Messing ist.

5. Erregerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des piezoelektrischen Kristalls mit einem elektrisch leitenden Material belegt ist, in dem ein Schlitz (1OM) vorgesehen ist, wodurch die erste (Ti) und die dritte (T₃) Elektrode ausbildbar ist.

6. Erregerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material Silber ist.

7. Erregerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall (Q aus einer Blei-ZZirkon-ZTitan-Verbindung besteht.