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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 24 31 148 im wesentlichen bekannt. Dabei wird ein piezoelektrisches Positionierungselement durch Stromimpulse mit jeweils der gleichen Polarität geladen. Dies erlaubt eine Steuerung des Positionierungselementes mit relativ niedriger Speisespannung und bei minimalem Energieverbrauch. Da das Positionierungselement aber nur durch Stromimpulse der gleichen Polarität geladen wird, ist damit ein Positionieren nur in einer Auslenkrichtung des Positionierungselementes möglich und nicht in der entgegengesetzten Richtung.
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Bei Positionierung von Aufnahme- und/oder Wiedergabeelementen in magnetischen oder optischen Recordern sowohl mit bandförmigen als auch mit plattenförmigen Aufzeichnungsträgern, bei denen das Positionierungselement dafür sorgen muß, daß das Element der Informationsspur gut folgt (z. B. in Video-Kassetten-Recordern) oder bei der Regelung der Lage des Elements in bezug auf die Informationsspur (Azimutregelung bei Audio-Kassetten-Recordern) ist es aber wichtig, daß das Positionierungselement in zwei einander entgegengesetzten Richtungen auslenkbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie bei relativ geringer Speisespannung und niedrigem Energieverbrauch in zwei einander entgegengesetzten Richtungen eine Positionierung gestattet. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich das piezoelektrische Element kapazitiv verhält und selbst als integrierendes Element wirken kann, dadurch, daß ihm auf den Befehl der genannten impulsförmigen Steuersignale Ladungsimulse zu- oder von ihm abgeführt werden. Dabei kann die Spannung über dem piezoelektrischen Element verhältnismäßig hoch in bezug auf die für die Vorrichtung benötigte Speisespannung werden, weil die Spannung über dem piezoelektrischen Element nicht über einen Spannungsverstärker, der keine die Speisespannung überschreitende Spannung liefern kann, angelegt wird, sondern ihm Ladung zugeführt wird, wodurch die Spannung über dem piezoelektrischen Element durch die Gesamtladungsmenge und die Kapazität des piezoelekrischen Elements bestimmt wird. Durch das Vorhandensein der Schaltmittel und die integrierende Wirkung des piezoelekrtrischen Elements ist für die Aufrechterhaltung von Spannungen kein Strom erforderlich und fließt nur Strom beim Auftreten von Steuerimpulsen. Der Energieverbrauch der Vorrichtung ist denn auch minimal.
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Die ersten und zweiten Schaltmittel gestatten es dabei, Stromimpulse mit zwei verschiedenen Polaritäten dem Positionierungselement zuzuführen und dieses dadurch in zwei einander entgegengesetzten Richtungen auszulenken. Der Transformator bewirkt eine gute Spannungsisolierung zwischen dem piezoelektrischen Element und der Ladungsquelle.
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Um auf einfache Weise einen Ladungstransport in zwei verschiedenen Richtungen zu erhalten, ist eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen ersten und einen zweiten Schalter enthalten und daß der Transformator eine Primärwicklung mit Mittelanzapfung enthält, wobei diese Mittelanzapfung mit einem ersten Speisungsanschlußpunkt verbunden ist, daß die Ladungsquelle eine Stromquelle enthält, wobei das eine Ende der Primärwicklung über den ersten Schalter mit dieser Stromquelle verbunden ist, und daß das andere Ende der Primärwicklung über den zweiten Schalter mit dieser Stromquelle verbunden ist.
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Diese Ausführungsform kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß der erste Schalter durch einen ersten Transistor von einem ersten Leitungstyp gebildet wird, wobei der Emitter dieses ersten Transistors mit der Stromquelle, sein Kollektor mit dem einen Ende der Primärwicklung des Transformators und seine Basis mit einem ersten Steuereingang verbunden ist, und daß der zweite Schalter durch einen zweiten Transistor von diesem ersten Leitungstyp gebildet wird, wobei der Emitter dieses zweiten Transistors mit der Stromquelle, sein Kollektor mit dem anderen Ende der Primärwicklung des Transformators und seine Basis mit einem zweiten Steuereingang verbunden ist.
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Wenn Bipolartransistoren, die Strom in nur einer Richtung leiten können, als Schalter verwendet werden, kann die Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß die ersten Schaltmittel einen dritten Transistor vom ersten Leitungstyp und einen vierten Transistor von einem zweiten Leitungstyp enthalten, wobei die Emitter dieses dritten und dieses vierten Transistors mit einem Speisungsanschlußpunkt und die Kollektoren über den Sekundärkreis mit diesem Speisungsanschlußpunkt verbunden sind, während die Basis des dritten Transistors mit einem dritten Steuereingang und die Basis des vierten Transistors mit einem vierten Steuereingang verbunden ist.
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Wird die Vorrichtung nach der Erfindung z. B. in einem System verwendet, mit dessen Hilfe ein Magnetkopf beim Auslesen von Information in bezug auf die eingeschriebene Informationsspur mit der Informationsspur als Referenz positioniert wird, so wird dieses System nicht wirken, wenn Information eingeschrieben werden muß, weil dann die Referenz fehlt. In einem solchen Falle, aber auch bei anderen Anwendungen, ist es wünschenswert, daß das piezoelektrische Positionierungselement eine gut definierte Lage einnimmt. Dies kann nicht gut erfolgen, wenn nur eine Bezugsspannung, z. B. 0 V, über dem piezoelektrischen Element angelegt wird, weil infolge von Hystereseeffekten die Lage durch die Höhe und die Polarität der Spannung über dem Piezoelement mitbestimmt wird und die Lage dieses Elements gerade für diese Spannung auf einen Bezugswert gebracht ist.
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Die Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung hat sich als besonders geeignet erwiesen zur Lösung dieses Problems. Diese Ausführungsform ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel Ausgänge besitzen, die mit dem ersten, zweiten dritten und vierten Steuereingang verbunden sind, derart, daß der erste und der dritte Transistor in Phase leitend und nichtleitend werden, daß die ersten Mittel derart eingerichtet sind, daß in einem ersten Zustand diese Ausgänge eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen und Steuersignale an den ersten, zweiten, dritten und vierten Eingang weiterleiten können, und daß in einem zweiten Zustand diese Ausgänge eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen, so daß diese Ausgänge dem Potential am ersten, zweiten, dritten und vierten Eingang folgen, wobei die Basis des ersten bzw. des zweiten Transistors in gegenkoppelndem Sinne mit dem Kollektor des zweiten bzw. des ersten Transistors gekoppelt ist, und wobei die Basis des dritten bzw. des vierten Transistors über einen ersten bzw. einen zweiten Widerstand mit einem ersten bzw. einem zweiten Potentialpunkt verbunden ist, derart, daß, wenn sich die Ausgänge der ersten Mittel in dem zweiten Zustand befinden, der dritte und der vierte Transistor leitend sind, wobei außerdem zweite Mittel vorgesehen sind, die bewirken, daß die Speisespannung zwischen der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators und einem Punkt, der mit der von den Emittern des ersten und des zweiten Transistors abgekehrten Seite der Stromquelle verbunden ist, mit der Zeit abnimmt, wenn sich die Ausgänge der ersten Mittel in dem zweiten Zustand befinden.
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Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ausgänge der ersten Mittel schwebend werden, werden der dritte und der vierte Transistors leitend und entlädt sich die Kapazität des Piezoelements. Gleichzeitig werden die kreuzweisen Gegenkopplungen zwischen den Kollektoren und den Basen des ersten und des zweiten Transistors wirksam, wodurch beide Transistoren als Multivibratoren wirken, wobei der Schwingkreis durch den Transformator und die Kapazität des piezoelektrischen Elements gebildet wird. Die mit der Zeit abnehmende Speisespannung bewirkt eine Abnahme der Amplitude dieser Schwingung mit der Zeit, und das piezoelektrische Element erreicht beim Abklingen dieser Schwingung eine gut definierte Ruhelage.
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In bezug auf die Mittel, die bewirken, daß die Speisespannung mit der Zeit abnimmt, kann die Vorrichtung nach der Erfindung weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß die zweiten Mittel einen Pufferkondensator zum Puffern der genannten Speisespannung und einen Speisungsschalter enthalten, mit dessen Hilfe eine Speisequelle von dem Pufferkondensator entkoppelt wird, wenn sich die Ausgänge der ersten Mittel in dem zweiten Zustand befinden.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Beispiel einer Vorrichtung zum Erzeugen impulsförmiger Steuersignale für die Vorrichtung nach der Erfindung,
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Fig. 2 einige Signalformen, zur Erläuterung der Wirkung der Schaltung nach Fig. 1,
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Fig. 3 das Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,
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Fig. 4 den Prinzipaufbau eines möglichen piezoelektrischen Positionierungselements,
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Fig. 5 einige Signalformen zur Erläuterung der Wirkung der Vorrichtung nach Fig. 3,
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Fig. 6 den Prinzipaufbau einer Vorrichtung, mit deren Hilfe ein piezoelektrisches Positionierungselement in eine Ruhelage gebracht wird,
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Fig. 7 eine Signalform zur Erläuterung der Wirkung der Vorrichtung nach Fig. 6,
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Fig. 8 eine praktische Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung und
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Fig. 9 eine integrierte Schaltung zum Weiterleiten von Steuersignalen an die Vorrichtung nach Fig. 8.
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Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Lieferung impulsförmiger Signale, die ein Maß für den Phasenunterschied zwischen zwei Signalen sind. Diese Vorrichtung kann in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform eines Verstärkers zum Steuern eines piezoelektrischen Elements verwendet werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird diese Vorrichtung zur Regelung der Lage eines Wiedergabekopfes 2 in bezug auf das auf einen bandförmigen Aufzeichnungsträger 1 eingeschriebene Signal verwendet ("Azimutregelung"). Wenn nämlich ein Kopf mit seinem Spalt nicht entsprechend dem eingeschriebenen Signal angeordnet ist, d. h. daß er in bezug auf das Band nicht parallel zu dem Spalt des Kopfes liegt, der das Signal geschrieben hat, wird die Kennlinie der Signalübertragung von dem Aufnahmekopf über das Band zu dem Wiedergabekopf beeinträchtigt.
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Um die Lage des Wiedergabekopfes 2 in bezug auf das auf das Band 1 aufgezeichnete Signal steuern zu können, ist der Spalt des Wiedergabekopfes 2 in zwei Teile 3 und 4 aufgeteilt, die je eine eigene in der Figur nicht dargestellte Spule besitzen, wobei diese Spulen ein Signal S&sub1; bzw. S&sub2; liefern. Diese Signale sind in Fig. 2a bzw. 2b dargestellt und weisen im vorliegenden Beispiel zu den Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2; Phasenunterschiede verschiedener Polarität auf. Die Signale S&sub1; bzw. S&sub2; werden einer Schaltung 5 bzw. 6 zugeführt, wobei diese Schaltungen die Signale S&sub1; und S&sub2; reinigen, z. B. dadurch, daß der Einfluß von Rauschen herabgesetzt wird, und die ein Ausgangssignal S&sub3; bzw. S&sub4; liefern, welche Signale rechteckförmig sind und mit den Nulldurchgängen der Signale S&sub1; bzw. S&sub2; synchron sind. Diese Rechteckform kann z. B. dadurch erhalten werden, daß die Signale S&sub1; und S&sub2; einem begrenzenden Verstärker zugeführt werden. Diese Signale S&sub3; bzw. S&sub4; sind in Fig. 2c bzw. 2d dargestellt. Die Signale S&sub3; bzw. S&sub4; werden Schaltungen 7 bzw. 8 zugeführt, die Impulse konstanter und gleicher Dauer synchron mit den positiven Nulldurchgängen der Signale S&sub3; bzw. S&sub4;, somit auch synchron mit den positiven Nulldurchgängen der Signale S&sub1; bzw. S&sub2;, liefern. Diese Schaltungen 7 und 8 können z. B. monostabile Multivibratoren oder auch Zähler sein, Fig. 2e bzw. Fig. 2f zeigt dieses Signal. Über Inverter 9 bzw. 10 wird das Signal S&sub5; bzw. S&sub6; invertiert. Dieses invertierte Signal S&sub7; bzw. S&sub8; zeigt Fig. 2g bzw. Fig. 2h. Das Signal S&sub7; bzw. S&sub8; wird dem Eingang 13 bzw. 15 eines Flipflops 11 bzw. 12 zugeführt, während das Signal S&sub6; bzw. S&sub5; Eingängen 14 bzw. 16 des Flipflops 11 bzw. 12 zugeführt wird. Das Flipflop 11 bzw. 12 ist von einem Typ, bei dem das Signal S&sub9; bzw. S&sub1;&sub0; (siehe Fig. 2i bzw. Fig. 2j) am Ausgang 17 bzw. 18 niedrig ist, wenn das Signal S&sub6; bzw. S&sub5; am Eingang 14 bzw. 16 niedrig ist, und seinen Zustand an einer ansteigenden Flanke des Signals S&sub7; bzw. S&sub8; am Eingang 13 bzw. 15 ändert, vorausgesetzt, daß das Signal S&sub6; bzw. S&sub5; am Eingang 14 bzw. 16 hoch ist. Die Inverter 9 und 10 entfallen, wenn für die Flipflops 11 und 12 Flipflops, die an den negativen Flanken der Signale an den Eingängen 13 und 15 ihren Zustand ändern, verwendet werden. Im Beispiel nach Fig. 2i ändert das Ausgangssignal S&sub9; seinen Zustand nicht an der ansteigenden Flanke des Signals S&sub7; zum Zeitpunkt t&sub4;, weil das Signal S&sub6; zu diesem Zeitpunkt niedrig ist. Zum Zeitpunkt t&sub7; ändert sich dieses Signal S&sub9; von niedrig zu hoch an der ansteigenden Flanke des Signals S&sub7; zu diesem Zeitpunkt und wieder von hoch zu niedrig zum Zeitpunkt t&sub8;, wenn das Signal S&sub6; wieder niedrig wird. Auf diese Weise wird am Ausgang 17 ein Impuls mit einer Zeitdauer entsprechend dem Phasenunterschied zwischen den Signalen S&sub1; und S&sub2; erzeugt, welcher Impuls nur auftritt, wenn das Signal S&sub1; gegenüber dem Signal S&sub2; in der Phase voreilt. Auf entsprechende Weise wird am Ausgang 18 ein solcher Impuls erzeugt, jedoch nur dann, wenn das Signal S&sub1; gegenüber dem Signal S&sub2; in der Phase nacheilt. Die Vorrichtung nach Fig. 1 erzeugt also Impulse, die ein Maß für den Phasenunterschied zwischen den Signalen S&sub1; und S&sub2; und somit für die fehlerhafte Lage des Kopfes 2 in bezug auf das eingeschriebene Signal sind. Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist allgemeiner und detaillierter in der NL-Patentanmeldung 78 05 803 der Anmelderin beschrieben.
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Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Umwandlung des Ausgangssignals der Vorrichtung nach Fig. 1 in eine Spannung über ein kapazitives Element 29, in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Element zur Positionierung des Kopfes 2.
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Fig. 4 zeigt zur Illustrierung den Aufbau einer Ausführungsform eines solchen Piezoelements. Es enthält zwei Schichten piezoelektrischen Materials 33 und 34, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes in entgegengesetzter Richtung ihre Länge ändern, um eine Biegung zu bewirken. Diese Schichten 33 und 34 sind auf einer gemeinsamen leitenden Schicht 35 angebracht und auf den dieser Schicht 35 gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden 36 und 37 versehen die mit Anschlußpunkten 30 und 31 verbunden sind. In elektrischer Hinsicht zwischen diesen Anschlußpunkten 30 und 31 verhält sich dieses Piezoelement wie eine Kapazität 29.
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Die Vorrichtung nach Fig. 3 enthält einen Transformator 20 mit einer aus zwei Hälften 21 und 22 bestehenden Primärwicklung, von der eine Mittelanzapfung zu einem Speisungsanschlußpunkt 23 führt, und einer Sekundärwicklung 24. Das Piezoelement 29 ist in Reihe mit zwei parallelen Schaltern 26 und 27 zu der Sekundärwicklung 24 parallel geschaltet, während die Primärwicklung 21, 22 einerseits über den Schalter 25 und andererseits über den Schalter 26 mit einer Stromquelle 32 verbunden ist. Die Schalter 25 und 26 werden von dem Signal S&sub9; am Ausgang 17 einer Vorrichtung 19 z. B. der in Fig. 1 dargestellten Art und die Schalter 27 und 28 werden von dem Signal S&sub1;&sub0; am Ausgang 18 betätigt.
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Zur Erläuterung der Wirkung der Vorrichtung nach Fig. 3 zeigt Fig. 5a ein Beispiel des Signals S&sub9;, Fig. 5b ein Beispiel des Signals S&sub1;&sub0; und Fig. 5c die Spannung S&sub1;&sub1; über dem Piezoelement 29 als Reaktion auf die Signale S&sub9; und S&sub1;&sub0;.
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Zu dem Zeitpunkt t&sub0; in Fig. 5 ist eine bestimmte Spannung V&sub0; über dem Piezoelement 29 vorhanden. Wenn zum Zeitpunkt t&sub1; ein Impuls am Ausgang 17 erscheint, schließen sich die Schalter 25 und 26 und fließt der Strom I von der Stromquelle 32 zu dem Speisungsanschlußpunkt 23. Dieser Strom wird zu der Sekundärwicklung 24 transformiert und lädt über den Schalter 26 die Kapazität des Piezoelements 29 auf. Wenn sekundär ein Strom I&sub0; fließt, der Wert der Kapazität 29 gleich C ist und die Dauer des Impulses = T ist, steigt die Spannung am Piezoelement um einen Wert °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;an; z. B. für T = 10-6 sec, I&sub0; = 10 mA und C = 2,5 × 10-9 F ist dV = 4 V.
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Zum Zeitpunkt t&sub2; ist der Impuls im Signal S&sub9; beendet und öffnen sich die Schalter 25 und 26, wodurch das Aufladen der Kapazität 29 stoppt. Bei jedem weiteren Impuls im Signal S&sub9; wird die Spannung S&sub1;&sub1; über der Kapazität 29 weiter erhöht. Wenn zum Zeitpunkt t&sub3; ein Impuls im Signal S&sub1;&sub0; auftritt, schließen sich die Schalter 27 und 28. Der StromI fließt dann über die Primärwicklung 21 und transformiert zu der Sekundärwicklung 24 und entlädt über den Schalter 27 die Kapazität 29, bis zum Zeitpunkt t&sub4; der Impuls im Signal S&sub1;&sub0; endet und sich die Schalter 27 und 28 öffnen. Weitere Impulse im Signal S&sub1;&sub0; entladen die Kapazität 29 weiter.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 ist nicht die einzige Möglichkeit, das sich wie eine Kapazität verhaltende Piezoelement 29 durch impulsgesteuerte Ladungszufuhr und -abfuhr mit einer verhältnismäßig hohen Steuerspannung zu versehen, ohne daß eine Quelle verhältnismäßig hoher Speisespannung erforderlich ist. So kann die Mittelanzapfung des Transformators entfallen, wenn z. B. die Stromrichtung in der Primär- oder Sekundärwicklung durch Kommutation in Abhängigkeit von dem Ausgang 17 oder 18, an dem der Impuls erscheint, gepolt wird. Es ist auch möglich, durch eine Drosselspule und Schalter oder gleichrichtende Elemente Ladungsimpulse einer Kapazität zuzuführen, derart, daß die Spannung über dieser Kapazität die vorhandene Speisespannung weit überschreiten kann. Außerdem ist auch eine Stromquelle nicht wesentlich. So kann auch eine Spannungsquelle in Reihe mit einem Ladewiderstand benutzt werden. Weiter kann sekundär ein einziger Schalter statt zweier Schalter 26 und 27 verwendet werden, vorausgesetzt, daß dieser Schalter sowohl vom Signal S&sub9; als auch vom Signal S&sub1;&sub0; gesteuert wird. Auch ist es möglich, einen Transformator mit einer sekundären Mittelanzapfung zu verwenden, wobei das piezoelektrische Element einerseits mit dieser Mittelanzapfung und andererseits über einen Schalter abhängig von den Steuersignalen mit einer oder der anderen Seite der Sekundärwicklung verbunden ist.
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Es können sich Situationen ergeben, in denen die Vorrichtung 19 keine Signale abgibt, z. B. bei der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn der Kopf 2 als Aufnahmekopf verwendet wird und keine Signale wiedergibt. In einem solchen Falle kann es erwünscht sein, das Piezoelement eine Ruhe- oder Referenzlage einnehmen zu lassen, z. B. dadurch, daß die Spannung über diesem Element beseitigt oder eine Bezugsspannung über diesem Piezoelement angelegt wird. Dadurch, daß ein derartiges Piezoelement, gegebenenfalls einschließlich der Bewegungsmechnismen, Hysterese aufweist, ist jedoch die Ruhelage bei dieser Ruhespannung von dem letzten erregten Zustand abhängig und also nicht gut definiert. Eine Lösung für dieses Problem ist das Erzeugen einer Schwingung der Spannung über dem Piezoelement symmetrisch um die gewünschte Ruhespannung mit einer Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Elements und mit einer auf 0 abnehmenden Amplitude. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß das Piezoelement als Kapazität in einen Schwingkreis aufgenommen wird, der von einem Multivibrator gesteuert wird, der mit einer mit der Zeit abnehmenden Spannung gespeist wird.
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Fig. 6 zeigt das Prinzipschaltbild eines solchen Multivibrators. Dieser enthält Transistoren 40 und 41 mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand 46 und kreuzweisen Kollektor-Basis-Gegenkopplungen über Widerstände 42, 43 und 44, 45. Das Piezoelement 29 ist zwischen den Kollektor- Elektroden beider Transistoren 40 und 41 angeordnet und bildet zusammen mit in die Kollektorleitungen aufgenommenen Induktivitäten 38 und 39 einen Schwingkreis. Die Kollektoren der beiden Transistoren sind über die Induktivitäten 38 und 39 über einen Speisungsschalter 48 mit einem Speisungsanschlußpunkt 49 verbunden. Parallel zu dem Multivibrator ist ein Speisungspufferkondensator 47 angeordnet.
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Fig. 7 zeigt die Spannung S&sub1;&sub1; über dem Piezoelement 29 als Funktion der Zeit. Anfänglich ist über dem Piezoelement eine Spannung V&sub0; vorhanden. Zu dem Zeitpunkt t&sub0; wird der Multivibrator auf eine in Fig. 6 nicht dargestellte Weise gestartet, z. B. dadurch, daß das Piezoelement in den Schwingkreis eingeschaltet wird oder daß die kreuzweisen Gegenkopplungsnetzwerke aktiviert werden. Zu demselben Zeitpunkt wird der Speisungsschalter 48 geöffnet. Nach dem Zeitpunkt t&sub0; entlädt sich das Piezoelement 29 über die beiden niederohmigen Induktivitäten, so daß die mittlere Spannung über dem Piezoelement von einer Anfangsspannung V&sub0; sehr schnell auf eine Ruhespannung V r , die im vorliegenden Beispiel nach Fig. 6 gleich 0 V ist, abnimmt, wodurch die Schwingung symmetrisch zu der Bezugsspannung liegt. Wenn die Entladung der der Anfangsspannung V r entsprechenden Spannung nicht genügend schnell ist, kann dennoch eine symmetrische Schwingung dadurch erhalten werden, daß die Spannung über dem Piezoelement z. B. mit Zenerdioden symmetrisch in bezug auf die Bezugsspannung begrenzt wird. Die oszillierende Spannung über dem Piezoelement nimmt mit der Zeit in der Amplitude ab, weil der Multivibrator nach dem Öffnen des Schalters 48 aus dem Pufferkondensator 47 gespeist wird. Endgültig wird die Spannung über dem Piezoelement gleich V r und das Piezoelement 29 nimmt räumlich eine zu der Spannung V r gehörige definierte Lage ein, in der Hystereseeffekte durch die Schwingung überwunden sind. Wenn keine Schwingung stattgefunden hätte, wäre nach der Entladung des Piezoelements 29 auf die Spannung V r die räumliche Lage des Piezoelements infolge von Hystereseeffekten von dem Wert und der Polarität der Spannung V&sub0; abhängig.
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Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung ist nicht die einzige Möglichkeit, eine mit der Zeit abklingende Schwingung zu erzeugen. Statt eines Multivibrators sind zahlreiche Oszillatorschaltungen möglich. Auch kann auf andere Weise die Abnahme der Amplitude der Schwingung bewirkt werden, z. B. durch Anwendung eines regelbaren Begrenzers oder Ausgangsverstärkers.
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Fig. 8 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Prinzipschaltung nach Fig. 3, das derart ausgebildet ist, daß damit auch das Prinzip nach Fig. 6 angewandt werden kann. Der Schalter 25 bzw. 28 ist mit einem Transistor 41 bzw. 40 ausgeführt, dessen Kollektor zu der einen Hälfte 21 bzw. der anderen Hälfte 22 der Primärwicklung des Transformators 20 führt, wobei die Mittelanzapfung dieser Primärwicklung mit dem Speisungsanschlußpunkt 49 verbunden ist, der eine Spannung V b führt. Die Emitter der Transistoren 40 und 41 sind mit der Stromquelle 32 verbunden, die aus einem Transistor 56 mit Emitterwiderstand 57 besteht, wobei diesem Transistor eine Basisbezugsspannung aus einer Gleichspannungsquelle (+ 5 V) über einen Spannungsteiler zugeführt wird, der aus den Widerständen 58, 59 und 60 besteht. Die Basis des Transistors 40 bzw. 41 ist über einen Widerstand 64 bzw. 65 mit dem Steuereingang 52 bzw. 53 und über den Widerstand 43 bzw. 45 mit der negativen Speisung, in diesem Falle Masse, verbunden.
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Wenn die Spannung am Eingang 53 hoch und die am Eingang 52 niedrig ist, leitet der Transistor 41 den Strom I von der Stromquelle 32 zu der Hälfte 21 der Primärwicklung des Transformators 20, und wenn die Spannung am Eingang 53 niedrig und die am Eingang 52 hoch ist, leitet der Transistor 40 diesen Strom I zu der Primärwicklungshälfte 22. Dadurch, daß das Signal S&sub9; bzw. S&sub1;&sub0; den Steuereingängen 53 bzw. 52 zugeführt wird, wirkt dieser Teil der Schaltung nach Fig. 8 auf gleiche Weise wie der primäre Teil der Prinzipschaltung nach Fig. 3.
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Die Sekundärwicklung 24 des Transformators 20 ist einerseits über Schalter 26 und 27 und andererseits über das Piezoelement 29 mit einem Speisungspunkt (+ 5 V) verbunden. Der Schalter 26 bzw. 27 besteht aus einem npn- Transistor 78 bzw. einem pnp-Transistor 79. wobei diese Transistoren 78 und 79 mit ihren Emittern an den Speisungspunkt (+ 5 V) angeschlossen sind. Zum Schützen vor inversem Betrieb sind die Kollektorleitungen der Transistoren 78 und 79 Dioden 117 und 118 aufgenommen. Parallel zu der Sekundärwicklung ist die Reihenschaltung zweier Zenerdioden 100 und 101, die mit ihren Zenerdurchschlagrichtungen entgegengesetzt gepolt sind, zum Schützen vor zu hohen Spannungen aufgenommen. Die Basis-Elektrode des Transistors 78 bzw. 79 ist über einen Widerstand 80 bzw. 83 mit einem Steuereingangsanschlußpunkt 50 bzw. 51 verbunden. Wenn die Spannung an den Steuereingängen 50 und 51 hoch ist, leitet der Transistor 78 den Strom, der in der Sekundärwicklung 24 erzeugt wird, und wenn die Spannungen an den Steuereingängen 50 und 51 niedrig sind, leitet der Transistor 79 den Strom in entgegengesetzter Richtung. Wenn dem Steuereingang 50 bzw. 51 das Signal S&sub9; bzw. das invertierte Signal ≙&sub1;&sub0; zugeführt wird, ist die Wirkung dieses sekundären Teiles völlig gleich der Wirkung dieses sekundären Teiles der Schaltung nach Fig. 3.
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Da die Qualität der Kapazität von Piezoelementen manchmal schlecht ist (z. B. weisen diese oft einen verhältnismäßig hohen Leckwiderstand auf), kann es erwünscht sein, z. B. zur Erhöhung der RC-Zeitkonstante, einen Kondensator 109 zu dem Piezoelement 29 parallel zu schalten. Dies kann eine dauernde Befestigung sein, wie in Fig. 8 gestrichelt dargestellt ist, aber es kann auch eine Befestigung über Schalter sein, um diesen Kondensator 109 nach Wunsch einschalten zu können.
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Um die Schaltung nach Fig. 9 auf eine Weise wirken zu lassen, die an Hand der Fig. 6 und 7 beschrieben ist, ist ein Widerstand 42 bzw. 44 zwischen den Eingang 52 bzw. 53 und den Kollektor des Transistors 41 bzw. 40 und ist ein Widerstand 81 bzw. 82 zwischen den Eingang 50 bzw. 51 und den Speisungsanschlußpunkt 49 bzw. Masse aufgenommen.
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Wenn die Eingänge 50, 51, 52 und 53 mit den Signalen S&sub9;, S&sub1;&sub0; und ≙&sub1;&sub0; erregt werden, beeinflussen die Widerstände 42, 44, 81 und 82 die Wirkung der Schaltung nicht. Wenn diese Eingänge aber schwebend werden, werden die Transistoren 78 und 79 leitend, so daß sich die Kapazität des piezoelektrischen Elements 29 über den Transformator entladen kann, und werden über die Widerstände 42 und 44 kreuzweise Gegenkopplungen zwischen den Basis- und Kollektor- Elektroden der Transistoren 40 und 41 wirksam, so daß diese als Multivibrator wirken, wobei der Schwingkreis durch die transformierte Kapazität des Piezoelements 29 und die Induktivitäten des Transformators 20 gebildet wird. Die Schaltung verhält sich dann wie die Schaltung nach Fig. 6. Dabei begrenzen die Zenerdioden 100 und 101 sekundär die Amplitude der Schwingung auf Werte, die symmetrisch um 0 V liegen.
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Um die Amplitude der Schwingung mit der Zeit abnehmen zu lassen, sind, wie an Hand der Fig. 6 beschrieben ist, ein Pufferkondensator 47 und ein Speisungsschalter 48 vorgesehen. Dieser Schalter 48 besteht aus einem pnp-Transistor 71, dessen Emitter mit dem positiven Speisungsanschlußpunkt 49 und über den Widerstand 72 mit seiner Basis verbunden ist. Die Basis des Transistors 71 ist weiter über einen Widerstand 75 mit einem Steuereingang 55 verbunden.
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Wenn die Spannung am Steuereingang 55 niedrig ist, ist der Transistor 71 leitend und wird der primäre Teil der Schaltung mit der Spannung V b gespeist, die dann auch über dem Pufferkondensator 47 vorhanden ist. Wenn der Eingang 55 (zugleich mit den Eingängen 50, 51, 52 und 53) schwebend wird, sperrt der Transistor 71 und wird der primäre Teil der Schaltung aus dem Pufferkondensator 47 gespeist, so daß die Amplitude der Schwingung mit der Zeit abnehmen wird.
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Um die Schwingung aufs neue starten zu können, ist ein Druckschalter 77 zwischen der Basis des Transistors 71 und Masse angebracht. Ein kurzzeitiges Eindrücken dieses Schalters bewirkt, daß der Transistor 71 kurzzeitig leitend wird, so daß der Pufferkondensator 47 aufs neue aufgeladen wird. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist dem Druckknopf 77 ein Impulsformer zugeordnet, um die Zeit, in der der Transistor 71 leitend ist, von der Zeit, in der der Druckknopf 77 eingedrückt ist, unabhängig zu machen. Dazu ist zwischen den Schalter 77 und die Basis des Transistors 71 ein RC-Netzwerk mit einem Widerstand 114 und einem Kondensator 115 und zwischen den Schalter 77 und den Speisungsanschlußpunkt 49 ein Widerstand 116 aufgenommen.
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Wenn der Schalter 77 geöffnet und der Ausgang 55 schwebend ist, ist die Spannung über dem Kondensator 115 gleich 0 V. Wenn sich der Schalter 77 schließt, wird die Basis des Transistors 71 zu 0 V gezogen und wird der Transistor 71 leitend. Zu gleicher Zeit lädt sich der Kondensator 115 über den Widerstand 114 auf, so daß nach einer Zeit, die durch die Zeitkonstante des RC-Netzwerks 114, 115 bestimmt wird, der Transistor 71 wieder nichtleitend wird.
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Im genannten Anwendungsbeispiel bei Kassetten-Recordern kann der Schalter 77 z. B. zugleich mit dem Aufnahmeschalter betätigt werden, so daß auch wenn keine Wiedergabe nach dem Einschalten des Gerätes stattgefunden hat, dennoch das Piezoelement in seine Ruhelage gebracht wird.
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Fig. 9 zeigt ein Beispiel zum Zuführen von Signalen zu den Eingängen 50, 51, 52, 53 und 55 der Schaltung nach Fig. 8. Es wird eine logische Schaltung 110 verwendet, die Signale an den Eingängen an niederohmige Ausgänge weiterleitet, wobei es möglich ist, diese Ausgänge schwebend (= hochohmig) zu machen. Ein Beispiel einer solchen Schaltung 110 ist eine integrierte Schaltung, die von Philips unter dem Typ Nr. HEF 4104 B vertrieben wird. Die Ein- und Ausgangsbezeichnungen auf dem in Fig. 9 dargestellten IC 110 entsprechen denen der Beschreibung dieses IC HEF 4104 B in "Philips data handbook, Semiconductors and integrated circuits", Band 6, Oktober 1977.
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Die Wirkung des IC 110 ist folgende. Ist die Spannung am Eingang E&sub0; hoch, so entsprechen die Signale an den den Ausgängen Z&sub0;, Z&sub1;, Z&sub2; bzw. Z&sub3; diesen Signalen an den Eingängen I&sub0;, I&sub1;, I&sub2; bzw. I&sub3;, wobei die Ausgänge ≙&sub0;, ≙&sub1;, ≙&sub2; bzw. ≙&sub3; die Inversen der Signale an den Eingängen I&sub0;, I&sub1;, I&sub2; bzw. I&sub3; darstellen. Wenn die Spannung am Eingang E&sub0; niedrig ist, sind die Ausgänge Z&sub0;, Z&sub1;, Z&sub2;, Z&sub3;, ≙&sub0;, ≙&sub1;, ≙&sub2; und ≙&sub3; schwebend.
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Um die Schaltung nach Fig. 8 auf die beschriebene Weise wirken zu lassen, sind die Steuereingänge 50, 51, 52, 53 bzw. 55 mit den Ausgängen Z&sub3;, ≙&sub2;, Z&sub2;, Z&sub1; bzw. Z&sub0; verbunden. Dem Eingang I&sub2; wird das Signal S&sub1;&sub0; und den Eingängen I&sub1; und I&sub3; das Signal S&sub9; zugeführt. Der Eingang I&sub0; ist mit Masse (= niedrig) und der Eingang E&sub0; mit einem Schalter 111 verbunden, der eine Verbindung entweder mit Masse oder mit der positiven Speisespannung V b herstellt.
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Wenn der Eingang E&sub0; mit Masse verbunden ist, entsprechen die Signale an den Steuereingängen 50, 51, 52 bzw. 53 den Signalen S&sub9;, ≙&sub1;&sub0;, S&sub1;&sub0; bzw. S&sub9;. Der Steuereingang 55 ist dann niedrig, so daß die Schaltung nach Fig. 8 auf die beschriebene Weise mit eingeschaltetem Speisungsschalter 48 wirkt.
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Wenn der Schalter 111 umgelegt wird, so daß der Eingang E&sub0; mit der Speisespannung V b verbunden wird, wird der Speisungsschalter 48 geöffnet und beginnt die Schaltung mit abnehmender Amplitude zu schwingen.
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Die Schaltung nach den Fig. 8 und 9 wird mit den nachstehenden Einzelteilen ausgeführt:
- 110 HEF 4104 B
40, 41, 56 BD 335
78, 103 BF 422
79, 104 BF 423
71 BD 262
100,101 BZX 61 C 120
117, 118 BY 206
47 150 μF
109 0,15 μF
115 4,7 μF
43, 45 6800 Ω
64, 65, 80, 83 4700 Ω
42, 44, 81, 82, 105, 108, 114, 116 10 000 Ω
57 4,7 Ω
58 1000 Ω
60 2200 Ω
72, 106, 107 47000 Ω
75 22000 Ω
59 Potentiometer 2200 Ω
Transformator 20 primär 2 × 180 Windungen
sekundär 5400 Windungen
V b 10 - 15 V.