DE3035503A1

DE3035503A1 - Zuendeinrichtung und piezo-zuendkoppler fuer thyristoren und triacs

Info

Publication number: DE3035503A1
Application number: DE19803035503
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Kleinschmidt; Valentin Dipl.-Phys. 8000 München Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-09-19
Filing date: 1980-09-19
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE3035503C2

Description

Ziindeinrichtung und Piezo-Zündkoppler für Thyristoren
und Triacs.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündeinrichtung und einen Piezo-Zündkoppler für Thyristoren und Triacs, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Für das Zünden von Thyristoren mit Hilfe einer vom Thyristor galvanisch entkoppelten Steuerelektronik ist es bekannt, zwischen dem jeweiligen Thyristor und der Steuerelektronik einen übertrager mit zwei galvanisch nicht miteinander verbundenen Wicklungen zu verwenden.
Für denselben Zweck kann auch ein optoelektronisches Koppelelement verwendet werden.
Bei der Verwendung eines wie angegebenen Ubertragers ist es notwendig, derjenigen (Sekundär-)Wiklung des Sbertragers, die mit der Zündelektrode des Thyristors verbunden ist, einen Kondensator parallel zu schalten, damit von der Ausgangsseite bzw. der Lastseite des Thyristors her eingespeiste Störsignale den Thyristor über die Gitter-Anoden-Eapazität desselben nicht zur Zündung kommen lassen.
Ein solcher Eondensator ist ein zusätzlicher Aufwand.
Für den Fall der Verwendung eines optoelektronischen Koppelelementes ist auf der Sekundärseite noch eine Hilfs-Spannungsversorgung vorzusehen, die noch große ren zusätzlichen Aufwand bedeutet.
In der älteren nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 30 15 501.6 (80 P 7046) ist eine Zündeinrichtung mit Piezokoppler beschrieben, wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben und wie in den Fig.1 und 2 der vorliegenden Beschreibung enthalten ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Zündeinrichtung mit galvanischer Entkopplung anzugeben, die mit einem minimalen technischen Aufwand realisierbar ist und die insbesondere keine Zusätze, z.B. wie oben beschrieben, benötigt. Insbesondere soll diese neue Zündeinrichtung mit möglichst niedriger Versorgungsspannung, z.B. c5 Volt, betrieben werden können, um an Mikroprozessor-Systeme angepaßt zu sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Zündeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst. Für diese Zündeinrichtung bevorzugte und an deren Betriebsweise angepaßte Ausgestaltungen des Piezo-Zündkopplers und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß eine solche Zündleistung auf der Ausgangsseite eines Plättchens aus Piezokeramik entnommen werden kann, und zwar mit einer elektrischen Spannung von einigen Volt, wie dies für das Zünden eines Thyristors erforderlich ist.
Bei der Erfindung wird die Eingangsseite des Plättchens durch Drucksignale angeregt, die piezoelektrisch durch ein angelegtes elektrisches Signal erzeugt werden. Für dieses elektrische Anregungssignal wird eine nur etwa um das 4-fache größere Eingangsleistung benötigt, da eine wie erfindungsgemäße Zündeinrichtung mit Plättchen aus piezokeramischem Material einen Wirkungsgrad von wenigstens 25% zwischen Eingang und Ausgang hat. Die auf der Eingangsseite angeschlcssene Steuerelektronik, z.B. ein Mikroprozessor, liefert diese elektrische Leistung bei einer Betriebsspannung von ebenfalls nur wenigen Volt. Eingangs- und ausgangsseitig treten in der Größenordnung etwa gleich große Spannungswerte auf.
Ein Piezo-Zündkoppler in der Zündeinrichtung kann mit einem Impulssignal, insbesondere Rechteckimpulssignal, gespeist werden. Es ist auch möglich, dadurch zu zünden, daß man den erfindungsgemäßen Piezo-Zündkoppler mit einer elektrischen Spannung langsam auflädt und nachfolgend einen Kurzschluß der Eingangsseite, nämlich eine fast schlagartige Änderung des Aufladungszustandes der Eingangsseite, vornimmt. Dies wirkt als Eingangssignal für die Erzeugung eines Ausgangs-Zündsignals.
Bei der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, in der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung den Piezo-Zündkoppler mit entsprechend der vorgesehenen Steuerung getaktetem Wechselspannungsimpuls anzuregen, und zwar in Resonanz mit einer Eigenschwingung des Körpers des Kopplers.
Die Merkmale (der Ausführungsformen) des Piezo-Zündkopplers der vorliegenden Erfindung sind insgesamt derart aufeinander abgestimmt, daß bei im wesentlichen minimaler Größe des Körpers des Kopplers dennoch eine derart große piezoelektrische Kopplung vom Eingang zum Ausgang vorliegt, daß das vom piezoelektrischen Körper des Kopplers an dessen Ausgang auftretende elektrische Zündsignal stets ausreichend ist, den Thyristor oder den Triac der jeweils vorgesehenen Type sicher, zuverlässig und rasch zu zünden. Dazu trägt zum einen die vorgesehene Mindestgröße der Dielektrizitätskonstantei bei. Infolge der wie vorgesehenen geringen Plattendicke d liegt eine solche Kapazität der Eingangs-Elek- trodenpaare vor, daß ein genügend großer Zündstrom I auftritt.
Die bei der Erfindung im Piezo-Zündkoppler im Betrieb auftretende, durch Wechselspannungsanregung U erzeugte mechanische Resonanz schwingung der Frequenz f führt entsprechend der mechanischen Güte Q des piezokeramischen Materials des Körpers zu hohem Zündstrom 1. Die Wahl des Körpers in Form einer Platte mit einer solchen, eine mehr als zweizählige (insbesondere vier-und mehrzählige) Drehachse aufweisende symmetrischen Form, die durch nur eine Längenabmessung bereits vollständig bestimmt ist (z.3. quadratische Form, Form eines regelmäßigen Fünfecks, Sechsecks oder Vielecks bis zur treisplatte) fuhrt zu besonders starker Resonanzschwingung mit mehr als zweizähliger Drehsymmetrie der Schwingungsform (vor allem bei einer Kreis scheibe als Radialschwingung bezeichnet), auf einer von dieser Abmessung bestimmten Resonanzfrequenz. Der frequenzmäßig nächstbenachbarte unerwünschte Schwingungsmode liegt bei einem solchen Körper so weit von der Resonanzfrequenz des gewünschten (Radial-)Schwingungsmode entfernt, daß mit der Eingangs-Wechselspannung U der Steuerelektronik nur dieser eine geschwünschte Schwingungsmode - dafür aber mit voller Intensität - angeregt wird. Eine Anregungsfrequenz bzw. Resonanzfrequenz zwischen 20 kRz und 500 kHz ist so hoch bemessen, daß die Anzahl der mechanischen Schwingungen pro Zeiteinheit so groß ist, daß es für die Präzision des Zünden zeitpunkts des Thyristors oder Triacs unwesentlich ist, bei der wievielten Schwingung die Zündung desselben tatsächlich eintritt.
Der Zündstrom I entspricht der Gleichung I = U zu C Q k2 Die in der Gleichung enthaltenen Symbole entsprechen den obigen Erläuterungen und k ist der Kopplungsfaktor des piezokeramischen Materials des Zündkopplers.
Eine besonders kräftige Kopplung wird im allgemeinen bei Resonanzanregung im Grundschwingungsmode erreicht.
Für eine ausreichend große Kapazität C ist jedoch bei vorgegebener - möglichst geringer - Dicke d des plattenförmigen Körpers eine Mindestfläche der Platte erforderlich. Sollte diese errechnete Mindestfläche im Einzelfall so groß sein, daß die entsprechende, die Plattengröße bestimmende Längenabmessung wiederum so groß wird, daß die Grundresonanzfrequenz unter die untere Grenze von 20 kHz fallen sollte, wird die Anregung in einer zu diesem Schwingungstyp gehörenden n-ten, vorzugsweise ersten, Oberwelle vorgesehen, die um ein Vielfaches höhere Frequena als die zugehörige Grundschwingung hat. Entsprechend dem Schwingungsmode -Grundschwingung oder Oberwellenschwingung -2 sind die Elektroden der Elektrodenpaare so anzuordnen, daß sie im wesentlichen diejenigen Flächenanteile der Platten oberfläche bedecken, in denen für den gewählten Schwingungsmode große bis maximale Schwingungsamplitude, d.h. sogenannter Schwingungsbauch, auftritt.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden Beschreibungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor, zu denen die Figuren gehören.
Fig.1 zeigt eine Zündeinrichtung mit Piezo-Zündkcppler.
Fig.2 zeigt eine Ausführungsform eines Piezo-Zündkopplers in verschiedenen Formenvarianten.
Fig.3 zeigt eine Erläuterung zum Oberwellen-Schwingungamode.
Fig.4 zeigen weitere Ausführungsformen eines Piezo-Fig 5 Zündkopplers.
Fig.7 zeigen Ausgestaltungen bezüglich der halternden Fig. 8 Anschluß-Zuleitungen.
Fig.1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung mit Piezo-Zündkoppler. Mit 1 ist der plättchenförmige Körper des Piezo-Zündkopplers bezeichnet. Auf der in der Figur oberen (senkrecht zur Darstellungsebene der Figur liegenden) Oberflächenseite des Körpers 1 befinden sich die streifenförmigen Elektroden 13 und 14. Diese Elektroden 13 und 14 haben einen so großen Abstand voneinander, daß den VDE-Bestimmungen (und den nationalen bzw. internationalen Bestimmungen anderer Länder) genügender Isolationswiderstand, d.h. genügende galvanische Entkopplung, vorliegt. Auf der Unterseite des Körpers befinden sich die ebenfalls streifenförmigen Elektroden 13' und 14?.
Auch sie haben den vorgeschriebenen Isolationsabstand voneinander, sofern zweipolige galvanische Trennung von Eingang und Ausgang voneinander gefordert ist.
Die Elektroden 13 und 13' bilden das eingangsseitige Elektrodenpaar und die Elektroden 14 und 14' das aus gangsseitige Elektrodenpaar des Piezo-Zündkopplers Die einander gegenüberliegenden Elektroden 13, 13' bzw.
14, 14' der einzelnen Elektrodenpaare sind einander deckend angeordnet. Die Elektrodenpaare 13, 13' und 14, 14' bilden zwei Kapazitäten, zwischen deren Elektroden bei einer auf der Eingangsseite anliegenden elektrischen Wechselspannung im Körper 1 eine mechanische Schwingung bzw. akustische Welle erzeugt werden kann und zwischen denen auf der Ausgangsseite bei angeregter mechanischer Schwingung des Körpers 1 eine elektrische Spannung (umgekehrter Piezoeffekt) abgenommen werden kann. Die örtliche Verteilung der Größe des piezoelektrischen Effeks bzw. des umgekehrten piezoelektrischen Effekts hängt bei Resonanzschwingung des Eörpers 1 von der schwingungsgemäßen mechanischen Spannungsverteilung ab, die bei der für die Erfindung vorgesehenen Radialschwingung für die Grundschwingurg ein Maximum in der Plattenmitte (Schwingungsbauch) und z.B. für die ebenfalls in Frage kommende erste Oberwelle wiederum ein Maximum in der Plattenmitte und dazu ein symmetrisches (bei Kreisplatte ringförmig konzentrisch) verteiltes weiteres Maximum mit zwischen beiden Maxima vorhandener Knotenlinie hat. Dies gilt für die freischwingende Platte, wie sie bei der Erfindung vorgesehen ist, denn die noch zu erläuternden Halterungen sind so angebracht und ausgebildet, daß sie freie Resonanzschwingung der Platte des Körpers 1 zulassen.
Mit 9 ist eine Treiberschaltung bezeichnet, die bei Anliegen von H-Potential am Steuereingang 91 der vorgesehenen Steuerung des Thyristors entsprechend getaktetes Signal an das Elektrodenpaar 13, 1D' liefert.
Dieses Signal ist ein Wechselspannungssignal mit wie vorgegebener, durch die Abmessung des Körpers 1 bestimmter Frequenz zwischen 20 kHz und 500 kHz. Die Frequenz f der Wechselspannung und die zur Anregung vorgesehene Schwingungsresonanz des Körpers 1 sind somit übereinstimmend.
Die eine Elektrode 14 des ausgangsseitigen Elektrodenpaares ist mit der einen Elektrode des zu zündenden Thyristors oder Triacs 10 verbunden. Die andere Elektrode 14t ist mit der Zündelektrode dieses Thyristors oder Triacs in Verbindung. Zwischen Kathode und Anode liegt die Betriebsspannung an.
In Fig.2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Mit 11 ist eine Scheibe mit z.B. 20 mm Durchmesser und z.B. 0,1 bis 0,2 mm Dicke aus piezoelektrischer Keramik bezeichnet. Bei der piezoelektrischen Keramik handelt es sich z.B. um ein als Bleizirkonat-Titanat bekanntes Material, das wie das noch bekanntere, ebenfalls in Frage kommende Bariumtitanat durch Sinterung zu einem Keramikkörper hergestellt wird. Dieses Plättchen 11 bzw. diese Folie hat auf ihren beiden Oberflächen, von denen in der Darstellung der Fig.2 nur die eine Oberfläche zu sehen ist, äe eine Elektrode. Diese Elektroden sind eine kreisrunde Elektrode 3 und eine ringförmige Elektrode 4, die konzentrisch zueinander sind. Zu der Elektrode 3 gehört eine praktisch gleich große, auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Plättchens 11 befindliche Gegenelektrode, die beide zusammen ein Elektrodenpaar, z.B. das Eingangselektrodenpaar, bilden.
Der Elektrode 4 liegt eine entsprechende ringförmige Gegenelektrode auf der anderen Oberflächenseite des Plättchens 1 gegenüber.
Diese Elektroden sind vorzugsweise auf der Keramikoberfläche angebrachte Metallisierungsschichten. Sie bestehen z.B. aus Einbrennsilber, wie dies für Elektroden auf Keramik üblich ist.
Mit 5 ist eine auf der Oberfläche des Plättchens 11 angebrachte Zuleitung als Anschluß für die Elektrode 3 bezeichnet. Mit 6 ist die Zuleitung der zur Elektrode 3 gehörenden Gegenelektrode der Rückseite bezeichnet; soweit die Zuleitung 6 auf der Rückseite des Plättchens 1 verläuft, ist sie gestrichelt dargestellt. Mit 7 ist eine an dem Keramikplättchen 1 angebrachte Zuleitung der Elektrode 4 und mit 8 die entsprechende weitere Zuleitung der rückwärtigen, zur Elektrode 4 gehörenden ringförmigen Gegenelektrode bezeichnet. Die Zuleitungen 5 bis 8 bilden Anschlußkontakte, mit denen der mit Elektroden versehene Plättchenkörper 1 als fertiges Bauelement eines erfindungsgemäßen Zündkopplers in die Schaltung mechanisch und elektrisch eingesteckt werden kann. Gestrichelt ist mit 9 wieder die eingangsseitige Steuerelektronik bezeichnet und das mit 10 bezeichnete gestrichelte Eästchen deutet auf die Ausgangsseite mit dem darin enthaltenen Thyristor oder Triac hin.
Die Aufteilung der insgesamt für die Elektroden 3 und 4 zur Verfügung stehenden Scheibenoberfläche auf diese Elektroden 3 und 4 (das gleiche gilt für die auf der Rückseite der Scheibe 11 befindlichen Gegenelektroden) ist so gewählt, daß für die Gesamtfläche der Elektrode 3 und für die Gesamtfläche der Elektrode 4 jeweils integral gleich großer piezoelektrischer Effekt vorliegt, wobei zu berücksichtigen ist, daß im zentralen Bereich der Scheibe 11, d.h. im Bereich der Elektrode 3, große mechanische Wechselspannung der Schwingungsbewegung vorliegt, wohingegen im Randbereich der Scheibe 11, d.h.
im wesentlichen im Bereich der Elektrode 4, bekanntermaßen weniger große - bis zum Rand der Scheibe auf. Null heruntergehende - mechanische Wechselspannung vorliegt.
Dies entsprich{ÜrdieS wie oben bereits erörtert, freischwingenden Scheibe den physikalischen Gesetzen.
In der Fig.2 ist gestrichelt auch eine quadratische Umrandung der Scheibe 11 angedeutet, womit darauf hingewiesen sein soll, daß eine der Fig*1 entsprechende Ausführungsform auch mit einem quadratischen Plättchen statt einer kreisrunden Scheibe, und zwar mit kreisrunder Mittelelektrode, zu realisieren ist. Zweckmäßigerweise füllt dann.die Elektrode 4 auch die für das Quadrat hinzukommenden vier Sken mit aus. Zur Wahrung des piezoelektrischen Gleichgewichts innerhalb der Bereiche der Elektroden 3 und 4 kann der Außendurchmesser der Elektrode 3 und der Innendurchmesser der Elektrode 4 dann entsprechend (geringfügig) größer gewählt werden.
Mit strichpunktierter Linie ist außerdem in Fig.2 noch eine Umrandung des Plättchens 11 in regelmäßiger hexagonaler Form eingezeichnet. Für diese Form gilt insbesondere bezüglich der Elektrodenaufteilung dasjenige, was bereits zu der quadratischen Form gesagt worden ist.
Alle diese im Zusammenhang mit der Fig.2 erörterten Formen des Plättchens bzw. der Scheibe ii sind durch eine einzige Längenabmessung bereits vollständig beschrieben, so z.B. mit dem Durchmesser für die Ereisscheibe, mit der Kantenlänge a für die quadratische Scheibe und mit der Kantenlänge a' für das hexagonale Plättchen. Die Schwingungsbewegung des Grundmode ist in der Fig.2 durch die eingetragenen Pfeile angedeutet. Diese Schwingungsform gilt prinzipiell unabhängig davon, ob die äußere Umrandung dieses Plättchens 11 ein Kreis, ein Quadrat, ein Sechseck oder ein sonstiges regelmäßiges Vieleck ist.
In der Fig.3 ist für die Plättchenformen der Fig.2 mit den in dieser Fig.3 angegebenen Doppelpfeilen die Schwingungsverteilung das nur in Fig.2 dargestellten ersten Oberwelíenmode angedeutet mit der Knotenlinie c. Diese Enotenlinie ist im Falle der Kreisacheibe und im Falle eines vieleckigen Plättchens eine Kreislinie, die im Extremfall des Quadrats dem Quadrat entsprechende geringe Ausbauchungen zu den vier Ecken hin hat.
Fig.4 zeigt ein Plättchen 1 mit quadratischem Querschnitt (wie als alternative Ausführungsform in Fig.2 gestrichelt eingetragen). Die Ausführungsform der Fig.4 läßt aber die abweichende Elektrodenform erkennen, die z.B. derJenigen entspricht, wie sie bei der prinzipiellen Darstellung nach Fig.1 gezeigt ist. Mit 13 und 14 sind die beiden streifenförmigen im Abstand voneinander liegenden (den Elektroden 3 und 4 der Fig.2 entsprechenden) Elektroden der einen Oberfläche bezeichnet. Auf der Rückseite befinden sich die - wie in Fig.1 ersichtlichen - Gegenelektroden 13' und 14'. Für flächengleiche Elektroden 13 und 14 ergeben sich ohne weiteres gleich große piezoelektrische Wirkungen zwischen dem Eingangselektrodenpaar 13, 13' und dem Ausgangselektrodenpaar 14, 14'.
Die mit 5' bis 8' beseichneten Anschluß-Zuleitungen wie in Fig.1 entsprechen den Zuleitungen 5 bis 8 der Fig.2. Vorzugsweise sind diese Zuleitungen am Rande des Plättchens auf den jeweiligen Elektroden befestigt.
In Fig.5 ist eine Ausführungsform mit kreisrunder Form des Plättchens 11 gezeigt, auf dem sich halbkreisförmige Elektroden 3' und 4' befinden.
Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig.6 mit einer weiteren Art der Aufteilung der Elektroden 13" und 14", denen Jeweils gleich große Gegenelektroden auf der RUckseite des Plättchens direkt gegenüberliegen. Es ist dies ein Beispiel einer Ausführungsform mit unregelmäßig ineinandergreifenden Elektroden des Eingangs- und des Ausgangselektrodenpaares.
beiden über den Plättchenrand hinausragenden Glasfaser-Vliesfolien ergibt sich eine dichte randseitige Verbindung der auf die beiden Seiten aufgelegten Vliese miteinander, die auch die durch diese Verbindung herausgeführten Zuleitungen 5 bis 8 besonders gut festhält.
Für das Material der Isolationsumhüllung 51 wird ein Material eines solchen Elastizitätsmoduls EU verwendet, der um ein n-faches (mit n zwischen 5 und 30) kleiner ist als der Elastizitätsmodul k des Plättchens 1, 11.
Damit ist gewährleistet, daß die Schwingfähigkeit des Plättchens durch die notwendige Isolationsumhüllung 51 nicht beeinträchtigt wird. Hinzu kommt, daß die Isolationsumhüllung auch als mechanisches Stabilisierungsmittel für das notwendigerweise dünne, nur maximal 0,3 mm dicke Plättchen wirksam ist. Es empfiehlt sich, die Dicke der Umhüllung 51 auf den Oberflächenseiten des Körpers 1, 11 z.B. für Kunstharzlack 30 bis 1OO/um dick zu machen. Für die Verwendung des oben erwähnten Glasfaser-Eposydvlieses empfiehlt sich, dne Dicke des Vlieses von 50 bis 150/um zu wählen.
Die Fig.1 zeigt noch ein Schaltungsbeispiel für eine Ansteuerelektronik 9. Der Steuerimpulseingang ist mit 91 bezeichnet. Das aus Kondensator und Widerstand bestehende RC-Glied 92 dient der Bestimmung der Ossillatorfrequenz, die auf die gewünschte Betriebs-Resonanzfrequenz des vorgesehenen erfindungsgemäßen Piezo-Zündkopplers eingestellt wird. Mit 93 ist ein Schmitt-Trigger-NAND-Glied bezeichnet. Die Treiberstufen sind mit 94 bezeichnet und 95 ist der Ausgang der Schaltung 9 mit einem getakteten Wechselstromimpuls, der unter Einhaltung vorgeschriebener galvanischer Trennung mit Hilfe des erfindungsgemäß vorgesehenen Piezo-ZUndkopplers 1, 11 (Fig.1) an die Zündelektrode des Thyristors Es wurde bereits oben erwähnt, daß die Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 vorzugsweise am Rande des Plättchens 1, 11 angebracht werden. Dies steht in scheinbarem Gegensatz zu der Angabe, daß das Plättchen des erfindungsgemäßen Zündkopplers freischwingend gehalten sein soll.
Dies läßt sich aber vor allem durch Verwendung von mit Sicken oder dergl. versehenen oder (mit genügend langen Enden) umgebogenen Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 erreichen. Die Fig.7 und 8 zeigen derart ausgestaltete Anschluß-Zuleitungen, und zwar in Seitenansichten bezogen auf die Fig.2 bis 6. Diese Fig.7 und 8 zeigen den plättchenförmigen Körper 1, 11 des Piezo-Zündkopplers, wie er durch die in die Fassung 50 eingesteckten Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 bzw. 5' bis 8' gehaltert wird. Zur Halterung sind nur diese Zuleitungen verwendet.
In den Fig.7 und 8 ist außerdem die beim erfindungsgemäßen Piezo-Zündkoppler vorgesehene Umhüllung 51 aus vorzugsweise Kunstharzlack gezeigt. Diese Umhüllung umschließt das gesamte Plättchen 1, 11, unabhängig von seiner gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehenen speziellen Formgebung. In diese Umhüllung 51 sind auch die Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 mit eingeschlossen.
Insbesondere kann durch diese Umhüllung bereits eine ausreichende mechanische Verbindung der einzelnen Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 mit der Jeweiligen Elektrode 3, 3' bzw. 4, 4' erreicht werden, so daß beispielsweise ein Anlöten der Zuleitungen am Material der Elektrode entbehrlich ist.
Von besonderem Vorzug ist es, für die Umhüllung 51 ein als Prepreg bekanntes Glasfaser-Polyestervlies zu verwenden, das nach Auflegen und Anpassen am Plättchen 1, 11 thermisch ausgehärtet wird. Durch das Anpassen der beiden über den Plättchenrand hinausragenden Glasfaser-Vliesfolien'ergibt sich eine dichte randseitige Verbindung der auf die beiden Seiten aufgelegten Vliese miteinander, die auch die durch diese Verbindung herausgeführten Zuleitungen 5 bis 8 besonders gut festhält.
Für das Material der Isolationsumhüllung 51 wird ein Material eines solchen Elastizitätsmoduls EU verwendet, der um ein n-faches (mit n zwischen 5 und 30) kleiner ist als der Elastizitätsmodul EK des Plättchens 1, 11.
Damit ist gewährleistet, daß die Schwingfähigkeit des Plättchens durch die notwendige Isolationsumhüllung 51 nicht beeinträchtigt wird. Hinzu kommt, daß die Isolationsumhüllung auch als mechanisches Stabilisierungsmittel für das notwendigerweise dünne, nur maximal 0,3 mm dicke Plättchen wirksam ist. Es empfiehlt sich, die Dicke der Umhüllung 51 -auf den Oberflächenseiten des Körpers 1, lt z.B. für Kunstharzlack 30 bis 100/um dick zu machen. Für die Verwendung des oben erwähnten Glasfaser-Epoxydvlieses empfiehlt sich, eine Dicke des Vlieses von 50 bis 150/um zu wählen.
Die Fig.1 zeigt noch ein Schaltungsbeispiel für eine Ansteuerelektronik 9. Der Steuerimpulseingang ist mit 91 bezeichnet. Das aus Kondensator und Widerstand bestehende RC-Glied 92 dient der Bestimmung der Oszillatorfrequenz, die auf die gewünschte Betriebs-Resonanzfrequenz des vorgesehenen erfindungsgemäßen Piezo-Zündkopplers eingestellt wird. Mit 93 ist ein Schmitt-Trigger-NAND-Glied bezeichnet. Die Treiberstufen sind.
mit 94 bezeichnet und 95 ist der Ausgang der Schaltung 9 mit einem getakteten Wechselstromimpuls, der unter Einhaltung vorgeschriebener galvanischer Trennung mit Hilfe des erfindungsgemaB vorgesehenen Pieso-Zündkopplers 1, 11 (Fig.1) an die Zündelektrode des Thyristors oder Triacs 100 derart übertragen wird, daß sicheres und rasches Zünden des Thyristors bzw. Triacs stets gewahrleistet ist.
13 Patentansprüche 8 Figuren

Claims

PatentansDrUche: jl.) Piezo-Zündeinrichtung für Thyristoren und Triacs mit galvanischer Entkopplung von Eingangssteuerelektronik und Thyristor bzw. Triac; mit einem Piezo-Zündkoppler in Form eines weniger als 0,3 mm dicken Plättchens aus piezokeramischem Material, auf dessen einer Oberfläche wenigstens zwei Elektroden und auf dessen gegenüberliegender Oberfläche wenigstens zwei weitere jeweils gleich große Gegenelektroden angeordnet sind, wobei jeweils eine Elektrode und ihre im wesentlichen deckungsgleich gegenüberliegende Gegenelektrode ein Elektrodenpaar bilden, wobei ein Elektrodenpaar als Eingangselektrodenpaar mit der Steuerelektronik verbunden ist und daß eine Elektrode eines Ausgangselektrodenpaares mit der Zündelektrode eines Thyristors oder eines Triacs verbunden ist, wobei die Elektroden des Eingangselektrodenpaares einen für die galvanische Entkopplung ausreichenden elektrischen Isolationswiderstand von den Elektroden des Ausgangsslektrodenpaares haben, und wobei mit der jeweiligen Elektrode verbundene Anschluß-Zuleitungen an dem Plättchen angebracht sind, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das Plättchen (1, 11) eine Form mit einer mehr als zweizähligen Drehsymmetrieachse hat und daß von der Steuerelektronik (9) ein Wechselstromsignal an das Eingangselektrodenpaar (13, 13') gegeben wird, wobei die Frequenz f dieses Wechselstromsignals und eine durch die flächenbestimmende Längenabmessung (a, a') gegebene Resonanzfrequenz des Plättchens (1, 11) auf einen Wert zwischen 20 kHz und 500 kHz für einen Schwingungsmode nach dem Prinzip der Radialschwingung aufeinander abgestimmt sind.
2. Piezo-Zündkoppler für eine Zündeinrichtung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß eine an der Oberfläche des Plättchens (1, 11) bzw. an dessen Elektroden (3, 4; 13, 14) dicht anliegende Umhüllung (51) vorgesehen ist, die auch die Anschlüsse der Anschluß-Zuleitungen (5, 6, 7, 8) an den Elektroden (3, 4; 13, 14) mit abdeckt, wobei diese Umhüllung (51) eine Dicke hat, die gleich groß oder größer als die Dicke des Plättchens (1, 11) ist und die Umhüllung (51) aus einem elektrisch nichtleitenden Material mit einem Elastizitätsmodul M besteht, und fM L 0,2 K EE ist, worin EE E= der Elastizitätsmodul des piezokeramischen Materials des Plättchens (1, 11) ist, wobei dieses Material eine Schwinggüte Q (reziproke mechanische Dämpfung) von mehr als Q = 10 besitzt.
3. Piezo-Zündkoppler nach Anspruch 2, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß die Umhüllung (51) aus einem Kunstharzlack besteht.
4. Piezo-Zündkoppler nach Anspruch 2, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß die Umhüllung (51) aus durch Wirbelsintern aufgebrachtes Eunststoffmaterial besteht.
5. Piezo-Zündkoppler nach Anspruch 2, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß die Umhüllung (51) ein Epoxyd-Glasfaservlies (Prepreg) ist.
für eine Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder 6. Piezo-Zündkoppler nach Anspruch 2, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß die Anschluß-Zuleitungen (5 bis 8) der Elektroden (3, 4; 13, 14) als einzige vorhandene mechanische Halterungen des Plättchens (1, 11) ausgebildet sind.
7. Piezo-Zündkoppler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das Plättchen (11) kreisrunde Form hat.
8. Piezo-Zündkoppler für eine Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 2 bis 6, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das Plättchen (1) quadratische Form hat.
9. Piezo-Zündkoppler für eine Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 2 bis 8, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Flächen der Elektroden (3, 4) auf den beiden Plattenoberflächen konzentrisch zueinander angeordnet sind (Fig.2).
10. Piezo-Zündkoppler für eine Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 2 bis 8, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Flächen der Elektroden (3', 4, 13, 14) auf den beiden Plattenoberflächen parallel (spiegelsymmetrisch) zueinander angeordnet sind (Fig.4 und 5).
11. Piezo-Zündkoppler für eine Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 2 bis 8, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Flächen der Elektroden (13", 14") auf den beiden Plattenoberflächen unsymmetrisch ineinandergreifend angeordnet sind (Fig.6).
12. Piezo-Zündkoppler nach einem der Ansprüche 6 bis 11, g e k e n n X e i c h n e t dadurch, daß die auch als mechanische Halterungen ausgebildeten Anschluß-Zuleitungen (5 bis 8) im Bereich eines der Ränder des Plättchens (1, 11) auf dessen Plattenoberflächen befestigt sind.
13. Piezo-Zündkoppler nach einem der Ansprüche 6 bis 12, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Anschluß-Zuleitungen mit wenigstens einer Biegung versehen sind (Fig7 und 8).