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PIEZOELEKTRISCHER WANDLER Die vorliegende Erfindung betrifft das
Gebiet des Gerätebause, insbesondere plezoelektrlsche Wandler.
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Der plezoelektrlsche ebenso wie der elektromagnetische Wand-1er ist
zur Impedanzwandlung, einer strom- oder spannungsmäßigen Signalverstärkung, einer
Änderung der Signalphase um 180° u.ä.
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vorgesehen. Darüber hinaus gestattet er, die elektrische und/oder
die galvanische Kopplung zwischen den Stromkreisen zu beseitigen, und kann mehrere
Ein- und Ausgänge aufweisen.
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Im Ünterschled zu den herkömmlichen elektromagnetischen Wandlern
gehören zu den piezoelektrischen Wandlern Einrichtungen, die die elektrische Energle
in Energle elastischer mechanischer Schwingungen mit deren darauffolgender Rückwandlung
in elektrische Energie verwandeln. Die Energieumsetzung erfolgt auf Grund eines
bei manchen festen K*drpern, Piezoelektrika genannt, beobachteten direkten@ und
umgekehrten Piezoeffektes.
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Im Unterschied zu den elektromagnetischen arbeiten die
piezoelektrischen
wandler in einem schmalen Frequenzbereich, und zwar auf Frequenzen nahe der Eigenfrequenz
der elektromechanischen Resonanz eines im Gehäuse liegenden und von diesem akustisch
isolierten festen Körpers. Da in den mechanischen Resonator infolge des Plezoeffektes
seitens des Stromkreises zusätzliche Elastizität und Masse eingeführt werden, wird
die Resonanzeines derartigen Körpers elektromechanische Resonanz und der feste Körper
selbst elektromachanischer Resonator genannt.
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Es ist ein piezoeloktrischer Wandler bekannt, der in Form mindestens
zweler akustisch miteinander gekoppelter Platten ausgeführt ist, die die elektrische
Energie umwandeln. Die eine Platte wandelt die ihr zugeführte elektrische Energie
in mechanische um und tritt als erreger auf, während die andere die machanische
Energie in elektrische verwandelt und als Generator wirkt0 Die umzuwandelnde elektrische
Energie wird dem Erreger mittels Eingangselektroden zugeführt, während die umgewandelte
Energie vom Generator mittels Ausgangselektroden (s. beispielsweise das USA-Patent
N. 2 830 2?4 , l. 333-32) abgenommen wird. Bei der bekannten Konstruktion liegen
die Platten in einer Ebens.
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Die Spannung am Ansgang eines derartigen plezoelektrischen Wandlers
hängt von der Länge des elektromachanischen Resonators und den Eigenschaften des
Piezoelektrikums, aus dem er hergestellt ist, ab. Beispielsweise ist die Länge des
aus Piezoelektrikum der Zusammensetzung: Titanat, Bleizirkonat (PZT) ausgeführten
elektromechanischen
Resonators gleich 20 cm, wenn der piezoelektrische
Wandler zur Speisung von farbi3ernsehbildröhren mit einer Spannung von 25 kV vorgesehen
ist und die Gleichrichtung nach einer Spannungsverdopplungsschaltung erfolgt. Offensichtlich
machen derart große Abmessungen solch eines Wandlers es unzweckmäßig, diesen für
Fernsehempfänger chne Ausnutzung von aufwendigen Spannungsverviellfachungsschaltungen
elnzusetzen.
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Die Arbeitsfrequenz des bekannten piezcelektrischen Wandlers wird
nach der Formel: f = N . m L bestimmt, wobei N - Frequenzkonstante des Materials
des Resonators, L - Länge des elektromechanischen Resonators, m - Nummer der Ittode
der erregten Schallschwingungen bedeuten.
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Dis Frequenzkonstante von Werkstoffen der Zusammensetzung: Titanat,
Bleizirkonat (PZT) beträgt durchschnittlich 2000 Hzm (Herz x Meter). Die Länge des
piezoelektrischen Wandlers zur Speisung von Fernsehgeräten mit einer Arbeitsfrequenz
von 15625 Hz ist also gleich 13 cm ohne und etwa 15 cm mit Gehäuse.
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Derartige Abmessungen sind selbstverständlich als unannehmbar zur
tragbare Fernsehempfa*nger.
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Falls die Arbeitsfrequenz gleich 50,400 oder 1000 Hz ist, beträgt
die Länge des piezoelektrischen Wandlers jeweisl 40,5 und
2 Es zur
piezoelektrische Wandler also, bei denen die Platten des Erregers und des Generators
in einer Ebene liegen, entsteht das Problem einer Verringerung der Arbeitsfrequenz.
Ein Problem stellt auch die Schaffung von piezoelektrischen Hochspannungswandlern
mit einer Leistung unterhalb von 1 W dar. Zur Leistungsabsenkung wird beim piezbelektrischen
Wandler meistenteils der Plattenquerschnitt verringert. Jedoch f@llt daboi die Ausgangskapazität
des piezoelektrlschen Wandlers ab, die vergleichbar mit der Eingangskapazität des
als Belastung des Wandlers wirkenden Gleichrichters wird und sogar unter diese absinkt.
Infolgedessen nehmen das Ubersetzungsverhältnis und die Ausgangsspannung des Wandlers
beträchtlich ab.
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Das Spannungsübersetzungsverhältnis der bekannten piezoelektrischen
Wandler ist von den Eigenschaften des Materials und vom Verhältnis der Länge zur
Dicke bei den Piezoplatten abhängig. Im Zusamenhang damit ist das Spannungsübersetzungsverhältnis
durch endliche geometrische Abmessungen des Resonators beschränkt. Meist liegt bei
den bekannten piezoelektrischen Wandlern das Spannungsübarsetzungsverhältnis im
Belastungszustand untsrhalb von 100 Einheiten, was für dessen viele praktische Anwendungen
unzurichend ist.
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Eines der Probleme In der Entwicklung der piezoelektrischen Wandler
ist daher eine Vergrößerung des Spannungsübersetzungsver
hältnisses.
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nweck der vorliegenden Erfindung ist @s, die genannten Nachteile
zu überwinden.
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Der vorliegenden Erfindung legt die iufgabe zugrunde, einen kleinformatigen
plezoelektrischen Hochspannungswandler zu schaffon, der auch bei niedrigen Frequenzen
(bis zu 50 - 60 Hz) arbeiten kann.
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Diese rufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem piezoelektrischen
Wandler, der auf der Basis akustisch miteinander gekoppel ter Platten aus Piezoelektrikum
ausgeführt ist, die die elektrische Energle umwandeln und bei denen ein Teil der
die Ümsetzung der ihr mittels Eingangselektroden zugeführten elektrischen in mechsnische
Energie verwirklichenden Platte als Erreger auftritt, während ein Teil der anderen,
die Umsetzung der mechanischen in ihr mittels Ausgangselektroden entnoumene elektrische
Energie verwirklichenden Platte als Generator wirkt, die Platten gemäß der Erfindung
zumindest an einer Stelle deren akustischer Kopplung in einem Winkel zueinander
angeordnet sind.
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an die stelle der akustischen Vinkelverbindung der Platten wird,
zweckmäßigerweise mindestens noch eine Platte oder noch ein Panr von gleiehfalls
unter einem Winkel zueinander gekoppelten Platten akustisch angekoppelt, wahrend
an den frelen Enden der genannten Platten Massen angeordnot werden, Zweckmäßig sind
die Platten an der Stelle ihrer akustischen
Winkelverbindung durch
eine schicht aus einem Hartstoff getrennt.
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an kann mindestens eine Platte zum Teil odr ganz aus Metall ausführen.
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Es ist erwünscht, nindestens eine der Platten aus einem bimorphen
Piezoelektrikum auszuführen.
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Zweckmäßig werden die genannten Platten an der Stelle ihrer akustischen
Kopplung oder in der Mitte jeder Platte angeordnet.
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Die Ausführung des piezoelektrischen Wandlers in Form der vorgeschlagenen
Konstruktion gestattet es, sein Spannungsübersetzungsverhältnis und die Spannung
an seinem Ausgang gegenüber den bekannten Konstruktionen der piezoelektrischen Wandler
nahezu um das 2lachs zu erhöhen.
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Darüber hinaus ist es möglich, auf der Basis der vorgeschlagenen
Konstruktionen piezoelektrische Hochspannungswandler von kleinster Leistung und
piezoelektrische Wandler mit Arbeitsfrequenzen bis zu einem Vielfachen von 10 Hz
herzustellen, die zur Arbeit mit der Speisung vom Industrienetz 220 V/5 Hz vorgesehen
sind.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand von konkreten Ausführungsbeispielen
und beiliegender Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt: Plg. 1 die Gesamtansicht
der Konstruktion eines erfindungsgemäß ausgeführten piezoelektrischen Wandlers;
Fig. 2 die Konstruktion eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers mit in
einem Winkel gekoppelten Platten (obere Gehäusehälfte ist abgenommen);
Fig.
31, b, c, d und Fig. 4a, b, c - verschledene Ansichten elektromechanischer Resonatoren
eines erfindungsgemäßen plezoelektrischen Wandlers; Fig. 5a ein Beispiel einer am
Ende einer erfindungsgemäßen Platte @ngeordneten konzentrierten Masse; Fig. 5b,
c die Anordnung einer am Ende einer erfindungsgemäßen Platte konzentrierten Masse
mit einem regelbaren Trägheltsmoment; Fig. 6a, b, c, d, o verschiedene Varianten
einer erfindungsgemäßen Winkelverbindung von Platten; Fig. 7 ein Beispiel einer
erfindungsgemäßen akustischen Kopplung einer piezoelektrischen mit einer Metallplatte;
Fig. 8 verschiedene Bauarten von Erregern und Generatoren eines erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Wandlers; Fig. 9a, b, c, d verschiedene Varianten der Elektrodenznordnung
auf der Platte und eine ihr entsprechende Polarisation, gemäß der Erfindung; Fig.
10a und b zwei mögliche Varianten einer akustischen Kopplung von Platten des Erregers
und des Generators mit Hilfe dielektrischer Laschen für den Fall, wo sie in einer
Ebene liegen, gemäß der Erfindung; Fig. 11a und b Beispiele von erfindungsgemäßen
Konstruktionen der aus einem blmorphen Piezoelektrikum ausgeführten Platten; Fig.
12a, b, c, 13a, b, c, d verschiedene Polarisationsarten von erfindungsema3en, aus
einem blmorphen Plezoelektrikums ausgeführten
Plattenschichten
in Verbindung mit einer möglichen Einschaltung deren Elektroden; Fig. 14a, b, c,
d, e,f verschledene Varianten der Polarisation und der elektrischen Schaltung der
Elektroden unter einem Winkel gekoppelter Platten, gemäß der Erfindung; Fig. 15a,
b, c verschiedene Varianten der Polarisation und der elektrischen Schaltung der
Elektroden von erfindungsgemäßen, aus einem bimorphen Piezoelektrikum ausgeführten
und unter einem Winkel gekoppelten Platten; Fig. 16 in der Axonometris die Konstruktion
eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers im Falle der Erregung von Biegeschwingungen
(oberer Deckel ist abgenommen), gemäß der Erfindung Fig. 17a, b, c ein Beispiel
der Befestigung des Hochspannungs anschlusses an der stirnseite des Generators,
gemaß der Erfindung.
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Der vorgeschlagene piezoelektrische Wandier enthält einen elektromechanischen
Resonator 1 (Fig. 1), der aus mindestens zwei akustisch miteinander unter einem
Winkel gekoppelten Platten 2, 3 ausgeführt ist. Dar elektromechanische Resonator
1 liegt in einem Gehäuse 4 (Fig. 1, 2) und ist darin mittels Befestigungselemonten
5 angeordnet0 Auf die Oberflächen der Platten 2, 3 des elektromechanischen Resonators
1 sind, beispielsweise durch chemische Abscheidung, Elektroden 6 aufgebracht. Die
Elektroden 6 sind mit Hilfe von Anschlüssen 7 an die Ausgangsklemmen 8 des Gehäuses
4 des Wandlors gekoppelt, an die eine fremde Speisequelle und eine Belastung (in
Fig. 1, 2 nicht angedeutet) angeschaltet werden.
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Die Platten 2, 3 (Fig. 2) des elektromechanischen Resonators 1 enthalten
einen mit Hilfe von Eingangselektroden 6 an die Speisequelle angeschlossenen Erreger
9 und einen Generator 10, an den mit Hilfe von Ausgangselektroden 6''eine Belastung
angeschlossen ist. Der Erreger 9 ist ein Tell des elcktromechanischen Fesonators
1, der ketzteren Schallschwingungen anfacht. In dem auch einen Teil des elektromechanischen
Resonators 1 darstellender Generator 10 wird, umgekehrt, die Energie der Schallschwingungen
in elektrische Energie verwandelt. Der erreger 9 und der Generator 10 bilden den
piezoelektrisch aktiven Teil des elektromechanischen Resonators 1. Sie können in
einer oder zwei verschiedenen Platten und in einer oder verschiedenen Ebenen liegen.
Darüber hinaus kann der elektromechanische Resonator 1einen piezoelektisch passiven
Toil enthalten, in dem keine elektromechanische Energieumwandlung geschieht.
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In dem Fall, wo die zwei Platten 2 und 3 miteinander unter einem
Winkel (Fig. 3a) akustisch gekoppelt sind, ist bei einer Erregung des elektromechanischen
Resonators 1 die Erscheinung von unausgeglichenen, die Parameter des Wandlers verschlechternden
Trägheitsmomenten möglich. Zwecks Beseeitigung dieser Momente wird an die Stelle
11 der akustischen Kopplung der Platten 2 und 3 akustisch zumindest noch eine Platte
12 (Fig. 3b) angeschlbssen.
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Bel Fehlen dieser Trägheitsmomente wird eine der Platten 12 (Fig.
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3c) zur Befestigung des elektromechanischen Resonators 1 ausgenutzt.
Zur Vergrögerung der Übertragungsleistung kann die Zahl
der Erreger
und Generatoren erhöht werden0 liierbei werden an die Verbindungsstelle 11 der Platten
zwei Platten 12 und 13 (Fig.
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3d) und mehr flatten angeschlossen.
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Der aus zwei unter einem Winkel aktustisch gekoppelten Platten 2,
3 (Fig. 3a) bestehende elektromechanische Resonator 1 weist Eigenfrequenzen von
transversalen Biegeschwingungen auf.
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Hierbei sind die ersten (die erste Mode) genannten Eigenfrequenzen
von Längs- und Biegeschwingungen 2- bzw. 6mal kleiner als die erste Schwingungsmode
der einen Platte. Für die Längssehwin gungen werden die Eigenfrequenzen durch die
Länge der Platte und für die Biegeschwingungen durch das Trägheitsmoment bezüglich
der Verbindungsstelle 11 der Platten bestimmt0 ur Erhöhung des Trägheitsmomentes
und zur Verringerung der Frequenz des piezoelektrischen Wan dlers werden akustisch
unter einem Winkel miteinander gekoppelt noch zwei odergmehrgweitere Platten 1-4,
15, 16,17 (Fig. 4a und 4b) angeschlossen. Die Abmessungen des plezoelektischen Wandlers
werden verkleinert, falls an das freie Ende einer der Platte (2) unter einem stumpfen
Winkel ein weiteres Paar von miteinander gleichfalls unter einem Winkel gekoppelten
Platten 18, 19 (Fig. 4c) akustisch angeschlossen wird.
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Das Trägheitsmoment der Platten bezüglich der Stelle 11 ihrer akustischen
Kopplung nimmt auch zu, falls an eine der Platten, beispielsweise an die Platte
2 (Fig. 5a), eine beispielsweise aus Messing oder Wolfram hergestellte. konzentrierte
Masse
20 angeschlossen wird. Dlu passen werden an den freien Enden der Platten angeordnet,
während eine Änderung des Trägheitsmomentes, beispielswelse durch den Anschluß der
hasse 20 mittels eines flexiblen Stabes 21 (Fig. 5b), erfolgt. Indem der Stab 21
In die gestrichelt angedeutete Lags abgebogen wird, wird die Arbeitsfrequenz des
piezoelektrischen Wandler verringert. Zur @charfabstimmung der Resonanz auf die
Nennfrequenz wird auch eine Masse 20' verwendat, deren Trägheitsmoment durch eine
gegenseitige Verschiebung deren Teile, beispielsweise durch eine Verschiebung einer
Schraube 22 (Fig. 5c=, geändert wird. Danach wird die Lage der Schraube 22 fixiert.
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Die akustische Winkelverbindung der Platten kommt auf versohiedenerlei
Weise zustands, Vor allem können die unter einem Winkel angeordneten Platten 2 und
3 (Fig. 6a b) in Form eines einheitlichen Körpers, beispielsweise durch Ausschneiden
aus dem vollen Material, ausgeführt werden0 Jedoch ist es technologiegerecht, jede
Platte 2, 3 getrennt auszuführen und sie dann belspielsweise durch eine Klebeschicht
23 (Fig. 6c), miteinander Zusammenzukleben. Dies ermdglicht es auch, den Erreger
und den Generator, falls sie in verschiedenen Platten angeordnet sind, aus verschiedenen
Materlalien entsprechend den Anforderungen auszuf*uhren, die an sie gestellt werden,
und dadurch die Parameter des piezoelektrischen Wandlers wesentlich zu verbessern.
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Falls die Stelle 11 der akustischen Kopplung der Platten zur Befestigung
des elektromechanischen Resonators 1 dient, wird an
dieser Stelle
zwischen den Enden der platten 2 und 3 ein, belspielsweise aus Dielektrikum mit
hoher Dielektrizitätskonstante, nämlich aus Eochfrequenzporzellan, hergestellter
fester Körper 24 (Fig. 6d) angeordnet. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkoit
der Vergbindung umschließt der feste Körper 24' das Ende jeder Platte 2 und 3 von
zwei Seiten (Fig. 6a). Eine im festen Körper 24' ausgeführte öffnung 25 dient zu
dessen Befestigung an der Gehäusowand des piezoelektrischen Wandlers.
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Ins der platten 2 (3) des piezoelektrisch passiven Teiles des elektromechanischen
Resonators 1 kann teilweise aus Metall hergestellt werden. ur Vereinfachung der
Herstellungstechnologie für den elektromechanischen Resonator 1 wird der metallische
ieil 26 (Fig. 7) der Platte 2 (3) aus zwei miteinander zusammengekleb ten Schichten
ausgeführt.
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Darüber hinaus kann eine der Platten 2 ader 3 des plezoclektrlsch
passiven Teiles des elektromechanlschen ltesonators 1 ganz aus Metall hergestellt
werden.
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Der plezoelektrisch aktive Teil des elektromechanischen Resonaters
1: erreger 9 und Generator 10 (Fig. 1) werden aus Piezoelektrikum mit hohem Koeffizienten
elektromechanischer Kopplung, beisplelsweise aus Piezokeramik der Zusammensetzung
Titanat, Bleizirkonat, hergestellt. Ein Beispiel gerätetechnischer Ausführung des
piezoelektrisch aktiven Teiles eines piezoelektrischen Wandlers für den Fall, wo
der Erreger 9 und der Generator 10 in Form von in einer Ebene liegenden Platten
ausgeführt sind, ist
in Fig. 8a, b, c, d gezeigt. Die zweite unter
einem Winkel zu den genannten Platten angeordnete Platte stellt den piezoelektrisch
passiven Feil dieses Wandlers dar.
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Ist es erforderlich, belm piezoelektrischen Wandler einen niedrigen
Eingangswiderstand zu erhalten, so werden die Eingangselektroden 6' des Erregers
9 auf dessen @eitertenflachen (Fig. 8a, c) aufgetragen. In dem Fall, wo es notwendig
ist, einen hohen Eingangswiderstand zu erhalten, wird eine der Eingangselektroden
6'des Erregers 9 auf dessen Stirnseite aufgetragen, während die andere den Erreger
9 (Fig. 8b) in Form eines Ringes 27 umschließt Die eine der Eingangselektroden des
Erregers 9 (Fig. 8a, b) kann auch als @usgangselektrode des Generators 10 auftreten.
In diesem Fall wird die zweite Ausgangselektrode 6'' des Generators 10 auf dessen
Stirnseite aufgebracht. Der Generator 10 kann auch zwei getrennte Ausgangselektroden
6'' (Fig. 8e) aufweisen. In diesem Fall werden sie auf die Seitenflächen des Generators
10 (Fig. 8e) bzw. die eine Ausgangselektrode 6'' (Fig. 8d) des Generators 10 auf
dessen Stirnseite aufgetragen, während die andere den Generator 10 in Form eines
Ringes 28 umfaßt. Der piezoelektrisch aktive Teil des elektromechanischen Resonators
1 kann in sich mehrere Erreger 9 und Generatoren 10 einschließen0 Die zwei rreger
9 und der eine Generator 10 sind zum Beispiel durch eine Schicht 29 des piezobelektrisch
passiven Materials getrennt.
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Zur Vereinfachung der Konstruktion des piezoelektrischen Wandlers
können der Erreger 9 und der Generator 10 (Fig. 2) in
den in verschiedenen
Ebenen liegenden Platten 2 und 3 des e lektromechanischen Resonators 1 angeorden.
@ierbei werden die elektroden 6 sowohl beim Erreger 9 als auch beim Generator 10
entweder auf die Stirnsiten (Fig. 9a) oder auf die Seitenflächen (Fig. 9b) aufgetragen.
Die elektrische Kopplung zwischen dem £1rroger 9 und dem Generator 10 wird beseitigt,
indem sie um einige En@fernung (Fig. 10a. b) auseinandergestellt werden. Deren akusti
sche Kopplung komet mit Milfe dielektrischer Laschen 30 oder eines dielektrischen
Einsatzes 31, ausgeführt aus einem Stoff mit niedriger Dielektrizitätskonstante,
beispielswweise aus Quarz oddr Glas, zustande0 Bei der Herstellung eines piezoelektrischen
Wandlers können für den erreger 9 und den Generator 10 s@wohleinkristalline als
auch polykristalline Piezoeloktrika ausgenutzt werden. Wird ein polykristallines
Material gewählt, muß es polarisiert sein. Die Polarisationsrichtung entspricht
der Richtung des bei der Polaristation wirkenden elektrischen Feldes und ist durch
Pfeile eingezeichnet. Die Anordnung der Elektroden des Erregers 9 und des Generators
10 sowie die Polarisation für deren jede usfUhrungsvariante ist schematisch in Fig.
8 (a, b, c, d, e, f, g, h) und in Fig. 9 (a, b, c, d) durgestellt. Durch Doppelpfeile
sind zwei mögliche Polarisationsrichtungen des Materials angedeutet.
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Die betrachteten Konstruktionen des Erregers 9 und des Generators
10 sind zur Erregung von Längsschwingungen im elektromechanischen Resonator 1 vorgesehen.
ur Erhaltung niedriger hrbeitsfrequenzen
beim piezoelektrischen
Wandler muß wenigstens dessen Generator 10 aus einsm bimorphen Piezbelektrikum ausgerührt
sein. Ein bimorphes Piezbelektrikum ist eine platte, die sich aus zwei Schichten
32, 33 (Fig. 11a, b) zusammensetzt, die polarisiert und elektrisch derart geschaltet
sind, daß zu jedem Zeitpunkt die Polanisationsrichtung dor einen Schicht 32 mit
der Richtung des angelegten elektrischen Feldes zusammenfällt und die der anderen
Schicht 33 dem angelegten el elektrischen Feld entgegengesetzt ist. Zur Befriedigung
dieser Anforderungen wird der @rreger 9 aus zwei in einer Richtung polarisierten
und elektrisch parallelgeschalteten Schichten 32, 33 (Fig. 12a) ausgeführt. Zur
Vergrößerung des Eingangswiderstandes des piezoelektrischen Wandlers wird der Erreger
9 aus zwei Schichten 32 und 33 (Fig. 12h) ausgeführt, die entgegengesetzt polarlslert
und in Reihe eschaltet sind. Eine noch groößere Erhöhung des Eingangswiderstandes
des piezoelektriscnen Wandlers wird durch die Herstellung des Erregers 9 aus zwei
längs der Platten entgegengesetzt polarisiert elektrisch parallelgeschalteten Schichten
32, 33 (Fig. 12c) errelcht.
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Sind der Erreger 9 und der Generator 10 beide in jeder Schicht eines
bimorphen Piezbelektrikums ausgefuhrt, so können die Schichten 32, 33 beim piezbelektrischen
Wandler mit der Anfachung von Biegeschwingungen im Erreger 9 (Fig. 13a, b) sowohl
parallel als auch @ Reihe geschaltet werden. Beim Generator 10
(Fig.
13a, b, c, d) wird mindostens von einer Parallelschaltung der zwei in Längsrichtung
polarisierten Schichten 32, 33, realisiert mit Hilfe von Elektrodenbrücken 34 auf
der Oberfläche der Platte, wie in Fig. 13a, b, c, d gezeigt, Gebrauch gemacht.
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Bei der Anordnung sbwohl des Frreegers 9 (Fig. 14) als auch des Gensrators
10 in zwei verschiedenen, in verschiedenen Ebenen befindlichen Platten 2, 3 des
elektromechanischen Resonators 1 ist es nötig, den Anschluß der Elektroden 6 und
deren Polarisations richtung der auswahl der Arbeitsfrequenz des piezoelektrischen
Wandlers anzupassen.
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Bei der Arbeit des Wandlers im ersten und zweiten jede von Längssehwingungen
(längs der Platten 2, 3) werden der Erreger 9 und der Generator 10 in verschiodenen,
in verschiedenen Ebenen befindlichen Platten 2 bzw. 3 (Fig. 14a) angeordnet. Bei
der Arbeit im zweiten Mode der Längsschwingungen (Verteilung von mechanischen Spannungen
nach dem Absolutwerb längs der Platten 2, 3 ist in Fig. 14b, c, d gestrichelt angedeutet)
werden die in den Platten 2, 3 angeordneten Erreger 9 entgegengesetzt polarisiert
und elektrisch parallelgeschaltet, während die Generatoren 10 in denselben Platten
2, 3 in eine Richtung polarisiert und elektrisch parallelgeschaltot (Fig. 12a) werden.
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Bei der arbeit des piezoelektrischen Wandlers im ersten Mode der
Längsschwingungen (entlang der Platten ?, 3), wenn deren Verbindungsstelle 11 (Fig.
14c, d) am Maximum mechanischer Schwingungen liegt, werden die Erreger 9 im Bereich
des Minimums (Fig.
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14e) @der des Maximums (Fig. 14d) mechanischer Spannungen angeordnet.
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er erste Fall wird exusgenutzt, wenn es notwendig ist, eine maximale
Spannung am @usgang des Wandlers zu erhalten, und der zweite Fall, wenn es nötig
ist, den Ausgangswiderstand des W;andlers im Betrieb der Übertragung einer maxlmaten
Leistung zu reduzieren. Hierbei wird die Polerisation der Erreger 9 (Fig. 14e, d)
bei deren Parallelschaltung in einer Richtung und die der Generatoren 10 in entgegengesetzten
Richtungen vorgenommen.
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Die Generatoren 10 können parallel (Fig. 14e) oder in Reihe (Fig.
14d) geschaltet werden. Im zweiten Fall schlägt die Polarisatiensriehtung eines
der Generatoren 10 in die entgegengesetzte um. In Fig. 14e sind die Erreger 9 auch
hintereinandergeschaltet.
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Falls eine weitere Platte 12 (Fig. 14e) angeschlossen wird, werden
die Erreger 9 in zwei Endplatten 2, 3 angeordnet, entgegengesetzt polarisiert und
elektrisch parallel geschaltet, während der in der mittleren Platte angeordnete
Generator 10 längs der Platte 12 polarisiert wird. ur wesentlichen Verringerung
des Ausgangswierstandes des piezoelektrischen Wandlers wird der Generator 10 (Fig.
14f) zweischichtig ausgeführt, während dessen Schichten 32, 33 elektrisch nebeneinandergeschaltet
werden.
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Bei piezoelektrischen Wandlern mit Arbeitsfrequenzen unterhalb von
1 kHz, deren Erreger 9 (Fig. 15) und Generatoren 10 in jeder der Platten 2, 3 des
elektromechanischen Resonators 1 angeordnet sind, werden die Innen- und Außenschichten
32 bzw. 33 der
Generatoren 10 längs der Platten 2, 3 und einander
entgegenge setzt (Fig. 15a, b, c) polarisiert und elektrisch parallel geschaltet.
Die lnne- und die Außenschten 32, 33 der Erreger 9 werden bei deren elektrischer
Parallelschaltung in einer Rlchtung polarisiert. Zwischen den Erregern 9 der Platten
2 und 3 ist die Polarisation (Fig. 15a) entgegengestzt. Bei der Serlenschaltung
der Erreger 9 werden die Platten 2 und 3 und die Innenschichten 32, beispielsweise
entgegen dem Ührzeigersinn, und die Außenschichten 33 im Ührzeigersinn (Fig. 15b)
polarisiert. Beim piezoelektrischen Wandler mit einem hohen L;ingangswiderstand
vierden die Aueenschlchten 33 (Fig. 15c ) längs der Platten 2 und 3 in Richtung
auf deren Verbindungsstelle 11 und die Innenschichten 32 in Richtung von der Verbindungsstelle
11 weg polarisiert. L?s ist auch eine in Fig. 15 nicht gezeigte umgekehrte Polarisation
der Schichten 32 und 33 möglich.
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Da der elektromechanische Resonater ein Resonanzsystem darstellt,
ist es notwendig, diesen vom Gehäuse des Wandlers akustisch zu isolieren. Die Befestigung
des elektrotneclianischen Resonators ist daher nur an den Stellen möglich, wo der
Hinfluß der Befestigung am geringsten ist.
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Bei der Anfachung von Längsschwingungen der ersten Mode im unbefestigten
Resonator kommt bindungsstelle 11 der Platten 2 und 3 (Fig. 3a, b, c, d) sn Frage.
Befestigung wird daher auch mit Hilfe einer an die Verbindungsstelle 11 der Platten
2 und 3 (FiL. 3c) gekoppelten zu
sätzlichen Platte 12 ermöglicht.
Bei der Anfachung der zweiten Mode der Längsschwingungen erfolgt die Befestigung
an der Verbindungsstelle von Erreger und Generator unter der Voraussetzung, daß
der Erreger und der Generator eine Viertelwelle lang ausgeführt sind, d.ht deren
Länge ist gleich einem Viertel. der :lle der Schallschwingungen.
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Für die elektromechanischen Resonatoren, in denen Biege-Schwingungen
angefacht werden, dient als solch eine stelle auch die Verbindungsstelle 11 der
Platten 2, 3 (Fig. 3). Die Befestigung an dieser Stelle kommt mit Hilfe beispielswelse
einer Klemmplatte 35 und einer Schraube 36 (Fig. 16) zustande Zur Gewährleistung
einer mechanischen Stoßfestigkeit bei niederfreguentem piezoelektrischen wandlern
ist die Verschiebung der Platten des elektromechanischen Resonators 1 durch äußere
Anschläge 37 und einen inneren anschlag 38 begrenzt, auf die sich die Platten im
Augenblick eines Stoßes stützen. Glelchzeltlg können die Anschläge 37, 38 zur Spannungsstabilisierung
am Ausgang des piazbelektrischen Wandlers herangezogen werden. ln diesem Fall sehränken
sie die Amplitude der Verschiebung der Platten 2 und 3 des elektromechanischen Resonators
1 und folglich die Größe der Ausgangsspannung ein. Durch die Verschiebung des anschlages
37 bekommt man beispielsweise mit Hilfe einer Schraube 39 verschiedene vierte der
stabilisierten Spannung am Ausgang des piezoelektrischen Wandlers. Zur endgültigen
Nachstellung der Frequenz des Wandlers nach dessen Zusammenbau gibt
es
im oberen Gehäusetell Öffnungen 40 für den Zugang zu den Regelschrauben 22 der konzentrierten
Lassen 20.
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Bel der Anordnung des elektromechanis chen Rssonators 1 im Metallgehäuse
4 ist es erforderlich, daß der Abstand des Gehäuses 4 von dessen Generator 10 die
Durchschlagsspannung übertrifft. Zu diesem Zweck wird der Generator 10 vom Gehäuse
in einer Entfernung von
angeordnet, wobei Ü - Spannung am Ausgang des piezoelektrischen Wandlers, Ü@ - Durchschlagsspannung
in Luft bedeuten.
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Die Ausgangsklemmen 8 (Fig. 16) werden hierbei mit Hilfe von Isolatoren
41, beispielsweise aus Glas9 befestigt.
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Eines der Probleme in der Entwicklung aines piezoelektrischen Hochspannungswandlers
ist die Verwirklichung eines elektrischen Anschlusses 7 (Fig. 17a) an die meist
an der Stelle der maximalen Schwingungsgeschwindigkeiten gelegenen Hochspannungsausgangselektrode
6 des Generators 10o Zur Verhinderung einer Unterbrechung des melstenteils in Ferm
eines ein- oder mehradrigen Leiters ausgeführ ten Hochspannungsanschlusses 7 sowle
zur Beseitigung der Rnergleverluste für die Ionisation wird dieser Anschluß mit
einer Schicht; 42 eines akustisch zähen Dielektrikums, beispielsweise des Polyäthylens,
überzogen. Der Hochspannungsanschluß 7 wird an die Ausgangselektrode
6''
des Generators 10 beispielsweise angelötet sowie mit Hilfe eines Metallbügels 43
am Generator 10 des piezoelektrischen Wandlers befestigt.
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Zur Vermeidung der stirns eitigen Ionisationsverluste werden die
Winkel der Stirnseite des Generators 10 an der Stelle der Anordnung der Ausgangselektrode
6'' abgerundet. Bei der Erhaltung von Ausgangsspannungen über 10 kV wird die Hochspannungsstirnsei
te des Generators 10 samt dem Anschluß 7 von einer Dielektrikumschicht 44 (Fig.
17b, c) abgedeckt Nachstehend wird die Arbeit des piezoelektrischen Wandlers betrachtet.
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Bei der Zuführung der elektrischen Spannung zu den Ausgangs klemmen
8 (Fig. 1, 2) des Erregers 9 (Fig. 2) wird sie über die Anschlüsse 7 auf die elektroden
6 mittels Erreger 9 Ubertragen0 Hierbei andert der Erreger 9 seine Abmessungen periodisch
auf Grund des umgekehrten PlezoePBektes mit der Frequenz der Speisespannung. Infolgedessen
werden beim elektromechanischen Resonator 1 elastische Längsschwingungen angefacht,
die sich längs der Plat ten 2, 3 fortpflanzen, wodurch reflektierte Längswellen
erzeugt werden.
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Dank der akustischen @opplung der Platten 2, 3 dringen die Wellen
von einer Platte 2 In die andere Platte 3 praktisch verlustlos ein.
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Indem sie von den freien Enden mehrmals reflektiort werden, bilden
sie eine Reihe von direkten und reflektierten Wellen. die.
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indem sie entsprechend dem Superpositionsprinzip addlert werden, mechanische
stehende Wellen bilden. Die Amplitude der stehenden elle ist maximal, wenn die Länge
der Platten 2, 3 des elektromechanischen Resonators 1 durch γ/4 @hne Rest
geteilt wird, wo γ die Lange der stehenden Welle ist.
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Die Entstehung der stehenden Welle ruft die Erscheinung von mechanischen
Spannungen sowohl in: erreger 9 als auch im Generator 10 (Fig. 14b, c, d) hervor.
Diese mechanische spannung wird auf Grund des direkten Piezoeffektes in eine el@ktrische
Spannung auf den Ausgangselektroden 6" (Fig. 2) des Generators 10 umgewandelt und
über die Anschlüsse 7 und die Ausgangsklemmen 8 auf eine (in Fig. nicht gezeigte)
Belastung übertragen.
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Analog arbeitet der piezoelektrische Jandler, dessen elektromechanischer
Resonator drei Platten 2, 3, 12 (Fig. 3b) enthalt, nur daß die Erregung des elektromechanischen
Resonators 1 durch die zwei Flatten 2 und 3 erfolgt. Hierbei kompensieren die bei
den Verschiebungen der Platten 2, 3 des Erregers 9 entstehenden Trägheitsmomente
einander. Bei der Arbeit des piezoelektrischen Wandlers mit zwei in Fig. 3 nicht
gezeigten Speisequellen werden die Platten 12 und 13 als einzelne Erreger 9 ausgenutzt.
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Bei der Anfachung von Längsschwingungen hängt die Arbeitsweise des
piezoelektriswchen Wandlers von der Lage und Konfiguration der Elektroden 6 nicht
ab. Die Andr dnung der Elektroden 6 beeinflußt dagegen die Parameter des piezoelektrischen
Wandlers und in erster Linie den Eln- und Ausgangswiderstand.
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Die Anordnung der Elektroden 6 an den Seitenflächen des Erregers
9 und des Generators 10 (Fig. 8c, 9b) erhöht deren Kapzaität. Die Anordnung der
Elektroden 6 an der Stirnseite des Generators 10 und am Erreger a gestattet -.s
umgekehrt, eine kleine Xapazität zu erhalten. Hierbei gestattet es die Ausführung
des Erregers 9 mit den Eingangselektroden 6' an den Seitenflächen und des Generators
10 mit der Ausgengselektrode 6" an dessen Stirnseite (Fig. 8a), ein maximales, 1000
übersteigendes Spannungsübersetzungsverhältnis zu erhalten.
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Die unordnung der Platten 2, 3 unter einem Winkel gestattet es, bei
denselben Abmessungen die Länge des Generators 10 und folglich auch die Ausgangs-'--pannung
um das Zweifache zu erhöhen.
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So @estattet es ein 110 mm langer Generator, am Ausgang des Wand lers
eine Wechselspannung von 12 kV bei einer Leistung an der Belastung von 20 bis 30
W zu erhalten. Dieser Wandler kann zur Anodenspeisung von Farbfernsehbildröhren
u. ä. eingesetzt werden.
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Die Ausführung des elektromechanischen Resonators 1 mit den drei Platten
2, 3, 12 (Fig. 3b) gestattet es, einen kleinformatigen piezoelektrischen Wandler
mit einer Arbeitsfrequenz von 15625 Hz (Zeilenfrequenz) und einer Länge von 60 mm
fur tragbare Fernsehgeräte zu schaffen.
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Die gleichen Verhältnisse für die Stellung der Elektroden 6 und die
Parameter des piezoelektrischen Wandlers treffen auch für einen piezoelektrischen
Wandler zu, dessen Erruger 9 und der Gene.
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rator 10 in Form von bimorphen Piezoelektrika (Fit;. 12a, b, c;
13a,
b, c, d) mit; der einzigen @nterschied ausgeführt sind, daß der Ein- und der Ausgangs@iderstand
eines piezoelektrischen Wandlers mit der Anfachung von Biegeschwingungen (Fig. 15,
16) mehr als zchnmal höher als bei den piezoelektrischen Wandlern mit der Anfachung
von Längswellen (Fig, 1, 14) liegen, was auf eine niedrige Arbeitsfrequenz zuruckzuführen
ist.
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Die Arbeitsweise des piezoelektrischen Wandlers mit der Anfachung
von Biegeschwingungen (Fig. 16) unterscheidet sich von der Arbeitsweise des piezoelektrischen
Wandlers mit der Anfachung von Längsschwingungen (Fig. 1) dadurch, daß der Erreger
9 die Biegeschwingungen im elektromechanischen Resonator anfacht, was sich durch
eine Vereinigung der einordnung der elektroden 6, der Polarisation und der elektrischen
Schaltung der Elektroden 6 errelchen läßt.
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Die Arbeitsfrequenz des piezselektrischen Wandlers mit der Anfachung
von Biegeschwingungen wird mit Hilfe der konzentrierten lasse 20 (Fig. 16) geändert.
indem die Lage der Regelschrambe 22 und dadurch das Tragheitsmoment der Platten
2, 3 geändert wird, erfolgt eine Abstimmung des piezoelektrischen Wandlers auf die
vorgegebene Frequenz der Speisequelle0 Die Ausfuhrung des elektromechanischen resonators
1 mit der Anfachung von Biege schwingungen und mit der konzentrierten lasse 20 gestattet
es, den Wandler für die Frequenz von 50 Hz mit einer Länge von lediglich 50 mm auszuführen.
Die Spannung am Ausgang dieses Wandlers erreicht 5000 V. Hierbei liegt die aufgenommene
Leistung
unterhalb von 0,1 \. Dies gestattet es, neue Anwendungen für die piezoelektrischen
Wandler und für die gesamten Wandler der elektrischen Spannung zu finden. Die Ausführung
des elektromechanischen Resonators 1 (Fig. 4a, t, c) in Form von vier (sechs) Platten
2, 3, 14, 15, 16, 17, 18, 19 gestattet es, die Länge des Wandlers und dessen Arbeitsfrequenz
nach um ein Vielfaches zu verringern.
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Das Hauptanwendungsgebiet der piezoelektrischen Wandler sind Schaltungen
zur Ümformung von einer niedrigen Gleichspannung in eine hohe Gleichspannung zur
Speisung von Geraten vom Typ der Geigerzähler, Elektronenstrahlröhren u. ä.
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Wirtschaftlich ist die Anwendung der elektrischen Wandler zur Anodenspeisung
von Bildrbhren für tragbare und ortsfeste Schwarzweiß- und Farbfernsehgerate. Es
ist vorteilhaft, sie zur Zündung von Gasentladungsgefäßen, beispielswelse von Tageslicht-Gasentladungslampen,
zum Photooffset- und dem thermoplastischen Druck, zur Speisung von Kondensatormmkkofonen
u.ä. einzusetzen0 Hierbei können die piezoelektrischen Wandlor In den vorliegenden
Fallen unmittelbar vom 50 (60) Hz-Industrienetz oder von den quellen mit anderen
standardisierten Frequenzen von 30,400 und 1000 Hz gespeist werden, Ls läßt sich
auch die Anwendung der piezoelektrischen Wandler für kontaktlose Zundanlagen bei
Verbrennungsmotoren, für Lichtblitze und viele andere Zwecke als zweckmaßig erscheinen.