DE2357154A1

DE2357154A1 - Verfahren und vorrichtung zur lastimpedanzanpassung

Info

Publication number: DE2357154A1
Application number: DE19732357154
Authority: DE
Inventors: Kazuo Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1973-11-15
Publication date: 1974-05-22
Also published as: FR2207340A1; JPS49133017A; FR2207340B1

Description

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81-21.7I6P 15. 11. 1973

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Verfahren und Vorrichtung zur Last-Impedanzanpassung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Last-Impedanzanpassung, z. B. eines piezoelektrischen Zerhackers oder eines piezoelektrischen Wandlers, die eine eigene Resonanzfrequenz und statische Kapazität besitzt. '

Um eine elektrische Schwingleistung möglichst verlustfrei in einen piezoelektrischen Zerhacker einzuspeisen, ist eine konjugierte Anpassung mittels einer in Reihe oder parallel angeschlossenen Induktivität oder Spule erforderlich. Weiterhin ist ein Transformator

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angeschlossen, um die Impedanzanpassung mit einer Leistungsquelle zu erzielen. Derartige herkömmliche Anordnungen sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt, in denen eine Leistungsquelle 1, Anschlüsse 2 und 3, ein Transformator 4, ein piezoelektrischer Zerhacker oder piezoelektrischer Wandler 5, eine reihengeschaltete Spule L und eine parallelgeschaltete Spule L vorgesehen sind.

Durch geeignete Auslegung des Transformators können bei diesen Anordnungen die Streuinduktivität und die Haupt- bzw. Nenninduktivität des Transformators so ausgebildet werden, daß sie jeweils als Serieninduktivität L und Parallelinduktivität L arbeiten, wodurch die Verwendung von Spulen L₁ und L ausgeschlossen ist.

Gewöhnlich wird die Nenn- bzw. Hauptinduktivität des Transformators so groß gemacht, daß sie gleichwertig zu der in der Fig. 1 gezeigten Schaltung ist, oder die Streuinduktivität des Transformators wird so klein gemacht, daß sie gleichwertig zu der in der Fig. 2 dargestellten Schaltung ist.

Es ist jedoch schwierig, einen piezoelektrischen Zerhacker oder einen piezoelektrischen Wandler herzustellen, dessen Resonanzfrequenz und statische Kapazität gleichwertig den Soll-Werten sind. Wenn der Ist-Wert der Resonanzfrequenz und/oder der statischen Kapazität vom Soll-Wert abweicht, ist der herkömmliche Anpaßtransformator nicht geeignet, die Impedanzanpassung zwischen dem piezoelektrischen Zerhacker mit einer derartigen abweichenden Resonanzfrequenz und/oder statischen Kapazität und einer Schwingleistungsquelle herzustellen.

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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Impedanzanpassung einer Last, z. B. eines piezoelektrischen Zerhackers oder eines piezoelektrischen Wandlers, anzugeben, die eine eigene Resonanzfrequenz und statische Kapazität besitzt, die vöii den gewünschten Werten abweichen können, indem geeignet die Nennbzw. Hauptinduktivität und/oder die Streuinduktivität des Anpaßtransformators verwendet werden, wodurch die Toleranz der Abweichung derartiger Kennlinien der Last größer sein kann als bei den herkömmlichen Verfahren; es soll weiterhin eine Vorrichtung oder ein Anpaßtransformator angegeben werden, dessen Nenn- bzw. Hauptinduktivität und Streuinduktivität einstellbar sind, wodurch eine Abweichung der Kennlinie einer Last wie beispielsweise die Resonanzfrequenz und die statische Kapazität von deren Soll-Werten sofort kompensiert wird, indem die Nenn- bzw. Haupt- und Streuinduktivitäten eingestellt werden.

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Abweichung derartiger Werte mittels der Nenn- bzw. Hauptinduktivität und/oder Streuinduktivität des Anpaßtransformators kompensiert.

Die oben genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Nennbzw. Hauptinduktivität und das Wicklungsverhältnis des Anpaßtransformators eingestellt' werden.

Zusammenfassend bezieht sich die vorliegende Erfindung also auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Impedanzanpassung zwischen einer Leistungsquelle und einer Last mit einer eigenen Resonanzfrequenz und statischen Kapazität durch Zwischenschalten eines Anpaßtransformators , wobei eine Abweichung der Eigenresonanzfrequenz

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der Last von ihrem Soll-Wert durch Einstellen der Nenn- bzw. Hauptinduktivität und, wenn erforderlich, des Wicklungsverhältnisses des Anpaßtransformators und eine Abweichung der statischen Kapazität der Last von ihrem Soll-Wert durch Einstellen der Streuinduktivität und, wenn erforderlich, des WicklungsVerhältnisses des Anpaßtransformators kompensiert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 herkömmliche Verfahren zur Impedanzanpassung eines piezoelektrischen Zerhackers;

Fig. 3 eine Schaltung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Impedanzanpassung einer Last, wie beispielsweise eines piezoelektrischen Zerhackers ;

Fig. 4 und 5 Diagramme zur Erläuterung der Kennlinien des anhand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels;

Fig. 6 und 7 Diagramme zur Erläuterung des Betriebs des anhand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels; und

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Transformator .

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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der Fig .3-8 näher erläutert.

In der Fig. 3 sind vorgesehen eine Leistungsquelle 1, Anschlüsse 2 und 3, ein Transformator 4, dessen Wicklungsverhältnis, Nennbzw. Hauptinduktivität Lm und Streuinduktivität Ll (= Ll/2 + Ll/2) veränderlich sind, und eine Last 5, z. B. ein piezoelektrischer Zerhacker, dessen typisches Leitwertdiagramm in der Fig. 4 dargestellt ist. Die Eingangsimpedanz oder die Impedanz an den Anschlüs"-sen 2 und 3 des piezoelektrischen Zerhackers 5, der mit dem Transformator 4 zur Impedanzanpassung verbunden ist, ist so ausgebildet, wie dies in der Fig. 5 gezeigt ist.

In der Fig. 4, in der auf der Abszisse und Ordinate jeweils der Leitwert oder Wirkleitwert und der Blindleitwert an den Anschlüssen 2 und 3 aufgetragen sind, sind die Größe der Eingangsimpedanz und der Phasenwinkel jeweils durch die Länge einer Geraden vom Ursprung O zu einem Punkt A, bei dem die Gerade das Leitwertdiagramm schneidet, und durch den Winkel der Linie OA mit der X-Achse dargestellt. In der Fig. 5, in der jeweils auf der Abszisse und Ordinate der Widerstand und der Blindwiderstand aufgetragen sind, zeigt die Länge der Vektorlinie OA die Größe der Eingangsimpedanz an.

Wenn.beispielsweise der Frequenzbereich von f bis f verwendet wird, sollte die Impedanz in diesem Frequenzbereich an die Impedanz der Leistungsquelle angepaßt sein. Das in der Fig. 5 dargestellte Diagramm zeigt einen Fall, bei dem die Eingangsimpedanz so

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angepaßt ist, daß der maximale Absolutwert des Phasenwinkels der Impedanz im Frequenzbereich zwischen f. und f möglichst klein ist. Diese Situation (die im folgenden als "optimale Anpassung" bezeichnet wird) hängt von der Nenn- bzw. Hauptinduktivität Lm, der Streuinduktivität Le, den Kennlinien des piezoelektrischen Zerhackers 5 oder der Resonanzfrequenz, dem dynamischen Scheinleitwert und der elektrostatischen Kapazität hiervon ab.

Die Resonanzfrequenz f des Zerhackers, die Streuinduktivität Le, der maximale Phasenwinkel |θ max| und das Verhältnis der Impedanz für die Frequenz f zur Impedanz für die Frequenz f zur op-

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timalen Anpassung der verschiedenen Werte der Nenn- bzw. Hauptinduktivität Lm sind in der Fig. 6 gezeigt. Aus dieser Figur geht hervor, daß trotz Veränderungen der Resonanzfrequenz f in einem gewissen Bereich der Zustand einer optimalen Anpassung immer erreicht werden kann, wenn der Wert der Nenn- bzw. Hauptinduktivität Lm geeignet ausgewählt wird. Selbst wenn sich der Wert der Nennbzw. Hauptinduktivität Lm in einem gewissen Bereich verändert, besteht weder ein Bedürfnis für eine Änderung des Wertes der Streuinduktivität Le, noch verändern sich der Wert des maximalen Phasenwinkels |θ max| oder das Impedanzverhältnis.

Dies bedeutet, das Impedanzverhältnis a und der maximale Phasenwinkel |θ max) werden beinahe nicht verändert, wenn die Nenn- bzw. Hauptinduktivität Lm zur Kompensation für eine Abweichung der Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Zerhackers verändert wird. Auf diese Weise wird die optimale Anpassung in einem

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großen Bereich für die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Zerhackers erzielt.

Auf der anderen Seite können Veränderungen des Wertes Xd (Fig - 4 ), der im wesentlichen proportional zur elektrostatischen Kapazität des Zerhackers ist, für die Streuinduktivität Ll kompensiert werden. Ebenso können Veränderungen im dynamischen Scheinleitwert G des in der Fig. 4 gezeigten Zerhackers durch eine Veränderung des Wicklungsverhältnisses des Transformators kompensiert werden.

Bei der Kompensation für Veränderungen der Resonanzfrequenz

f ändert sich der Absolutwert der Impedanz mit dem Wert der Nenno ^

bzw- Hauptinduktivität Lm. Da jedoch das Impedanz verhältnis a im wesentlichen keiner Veränderung unterliegt, ist eine Rückkompensation durch Änderungen des Wicklungsverhältnisses des Transformators möglich.

Zusammenfassend werden Veränderungen in der Resonanzfrequenz f des piezoelektrischen Zerhackers durch Einstellung des Wertes der Nenn- bzw. Hauptinduktivität Lm, Veränderungen im dynamischen Scheinleitwert G des Zerhackers durch Einstellung des Wicklungsverhältnisses des Transformators und Veränderungen in der elektrostatischen Kapazität des Zerhackers durch Einstellung der Streuinduktivität Ll ohne nachteilige Beeinflussung der anderen Kennlinien des piezoelektrischen Zerhackers kompensiert.

Der mit den oben beschriebenen Funktionen ausgestattete Trans-409821/0912

formator kann verwirklicht werden, wie dies in der Fig. 8 gezeigt ist. Die Streuinduktivität Ll kann verändert werden, indem der Abstand Gl zwischen der Primärwicklung 6 und der Sekundärwicklung 7 geändert wird, während die Haupt induktivität Lm eingestellt wird, indem der Hauptspalt Gm zwischen den Kernen 8 und 9 geändert wird. Das Wicklungsverhältnis kann andererseits eingestellt werden, indem der Abgriff der Primärwicklung 6 oder der Sekundärwicklung 7 verschoben wird.

Versuche haben ergeben, daß für eine optimale Anpassung eines piezoelektrischen Zerhackers mit einer elektrostatischen Kapazität C = 4000 pF und einer Resonanzfrequenz f = 5000 Hz die Nenn- bzw. Hauptinduktivität (Hauptimpedanz) Lm und die Streuinduktivität (Streuimpedanz) Ll des Anpaßtransformators jeweils auf Lm = 1 H und Ll = 125 mH eingestellt werden sollten, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. In diesem Fall betragen der maximale Phasenwinkel {θ m ax | = 8,3 und das Impedanzverhältnis a = 3,34. Wenn die tatsächliche oder Ist-Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Zerhackers auf 5100 Hz abweicht, während die tatsächliche elektrostatisc be oder Ist-Kapazität im wesentlichen gleich zu dem Soll-Wert, d. h. 4000 pF, ist, wird die optimale Anpassung des späteren piezoelektrischen Zerhackers durch Einstellung der Nenn- bzw. Haupt- und Streuinduktivität auf jeweils Lm = 1,46 H und Ll = 127 mH erreicht, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. In diesem Fall betragen der maximale Phasenwinkel je max| und das Impedanzverhältnis a jeweils 8,2 und 3,36, was im wesentlichen den Werten des vorhergehenden Falles entspricht.

Wenn die Ist-Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Zerhackers

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im wesentlichen dem Soll-Wert, d. h. 5000 Hz, entspricht, während die tatsächliche elektrostatische oder Ist-Kapazität C aufgrund bestimmter Herstellungsbedingungen auf 3900 pF abweicht, wird die optimale Anpassung durch Veränderung der Streuinduktivität Ll des Anpaßtransformators auf 125 mH von 137 mH erreicht, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, wodurch der Wert des maximalen Phasenwinkels |θ max| möglichst klein gemacht wird.

Durch die vorliegende Erfindung wird sofort eine optimale Anpassung erhalten, selbst wenn die tatsächliche Resonanzfrequenz und/ oder elektrostatische Kapazität eines piezoelektrischen Zerhackers von den Soll-Werten abweichen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Impedanzanpassung zwischen einer Last und einer Schwingleistungsquelle durch Zwischenschalten eines Anpaßtransformators, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennbzw. Hauptinduktivität (Lm) und das Wicklungsverhältnis des Anpaßtransformators (4) eingestellt werden.
2. Verfahren zur Impedanzanpassung zwischen einer Last und einer Leistungsquelle durch Zwischenschalten eines Anpaßtransformators , dadurch gekennzeichnet, daß die Streuinduktivität (Ll) und das Wicklungsverhältnis des Anpaßtransformators (4) eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuinduktivität (Ll) des Transformators (4) eingestellt wird.
4. Impedanz-Anpaßtransformator, der zwischen einer Last und einer Leistungsquelle zur Impedanzanpassung anschließbar ist, gekennzeichnet durch einen veränderlichen Spalt (Gm) im Magnetkreis zur Einstellung der Hauptinduktivität des Transformators (4) und durch eine Einrichtung zur Veränderung von dessen Wicklung s verhältnis.
5. Impedanz-Anpaßtransformator, der zwischen einer Last und

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einer Leistungsquelle zur Impedanzanpassung anschließbar ist, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Veränderung des Abstandes zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators, wodurch dessen Streuinduktivität verändert wird.
6. Transformator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen veränderlichen Spalt in dessen Magnetkreis zur Einstellung der Hauptinduktivität.

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