DE3040530C2

DE3040530C2 - Piezo-Zündeinrichtung für eine elektronisch anzusteuernde Schalteinrichtung

Info

Publication number: DE3040530C2
Application number: DE3040530A
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 München Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-10-28
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1986-03-06
Also published as: DE3040530A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine spezielle Anwendung bzw. auf eine diesbezügliche weitere Ausgestaltung einer Piezo-Zündeinrichtung nach dem Hauptpatent. Dabei handelt es sich bei der Piezo-Zündeinrichtung nach dem Hauptpatent um eine solche mit galvanischer Entkopplung der von einer Steuerelektronik gelieferten Anregungsimpulse in Form eines Wechselstromsignals von der dort zu schaltenden Schaltereinrichtung, mit einem Piezo-Zündkoppler in Form eines weniger als 0,3 mm dicken und eine mehr als zweizählige Drehsymmetrieachse aufweisenden Plättchens aus piezokeramischem Material, auf dessen einer Oberfläche wenigstens zwei Elektroden und auf dessen anderer, gegenüberliegender Oberfläche wenigstens zwei weitere, deckungsgleich mit den Elektroden gegenüberliegende Gegenelektroden vorgesehen sind, die jeweils ein Elektrodenpaar bilden, wobei ein Elektrodenpaar als Eingangselektrodenpaar mit der Steuerelektronik verbunden und eine Elektrode eines Ausgangselektrodenpaars mit der Zündelektrode der Schaitereinrichlung verbunden ist, wobei die Elektroden des Eingangselektrodenpaars einen für die galvanische Entkopplung vorgegebenen elektrischen Isolationswiderstand von den Elektroden des Ausgangselektrodenpaars haben, wobei mit der jeweiligen Elektrode verbundene Anschluß-Zuleitungen an dem Plättchen angebracht sind und wobei die Frequenz /des Wechselstromsignals und eine die Resonanzfrequenz bestimmende Längenabmessung (;i. a') des Plättchens auf einen Wert zwischen 20 kHz und 500 kHz für einen Schwingungsmode nach dem Prinzip der Radialschwingung aufeinander abgestimmt sind.

Aus »Siemens Components« 18 (1980), Heft 4, Seiten 187/188, ist eine Schaltung für eine galvanisch getrennte Ansteuerung eines SIPMOS-Leistungsschalters bekannt, wobei als Vorrichtung zur galvanisch getrennten Übertragung des Ansteuersignals ein Übertrager mit drei Wicklungen vorgesehen ist. Bild 1 dieser Druckschrift zeigt ein Schaltungsbeispiel für eine derartige Ansteuerung mit Übertrager. Der SIPMOS-Leistungsschalter ist ein Halbleiterbauelement und diese Bezeichnung hat die Bedeutung »Siemens-Power-MOS-Leistungsschalter«. Wie auch das Bild 1 der Druckschrift erkennen läßt, ist dieser Leistungsschalter im wesentlichen ein Feldeffekttransistor, der einen derartigen (konstruktiven) Aufbau in dem Halbleiter-Chip iiat und der nach der bekannten MOS-Technologie hergestellt ist, so daß mit diesem Halbleiterbauelement große Ströme geschaltet werden können. Solche Leistungsschalter können z. B. zum Schalten des Betriebsstromes eines Motors verwendet werden.

Einzelheiten über MOS-Leistungsschalter gehen auch aus »Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Bd. 9(1980), Nr. 4, Seiten 181 -189, hervor.

Aus der US-PS 19 31 028 ist es für ein Resonanzrelais, das auf eine speisende Wechselspannung mit nur ganz bestimmter Frequenz ansprechen soll, bekannt, diesem Relais ein elektrisches frequenzselektives Filter vorzuschalten. Das Relais wird an sich mit Hilfe einer zu zündenden Gasentladungsröhre angesteuert, in dessen Kathoden-Anodenstromkreis dieses Relais zusammen mit einer zusätzlichen notwendigen Spannungsquclle eingefügt ist. Das vorgesehene elektrische Filter ist ein piezoelektrischer Resonator, dessen Resonatorfrequcn/. auf das Relais abgestimmt ist. Dieses Filter läßt aus den am Eingang auftretenden Signalen beliebiger Frequenzen nur die Frequenz hindurch, auf die das Filter abgestimmt ist. Als notwendigerweise mit der Gasentladungsröhre und dem Filter zusammenwirkend ist noch ein Kondensator vorgesehen und bei Durchbruch der Gasentladungsröhre tritt in dieser Schaltung eine Stoßwelle auf. Dieser Durchbruch tritt aber nur dann auf, wenn die ständig über das Filter an der Gasentladungsröhre anliegende elektrische Spannung, nämlich bei der Resonanzfrequenz, den Schwellenwert der Zündung übersteigt.

Technologischer Hintergrund der Erfindung bilden eine Anzahl Druckschriften, so z. B. die DE-OS 25 32 227, die DE-AS 16 16 505, die GB-PS 12 62 288 und die US-PS 38 72 326. Die beiden erstgenannten Druckschriften beschreiben piezoelektrische Filter, /.. B. zur Verwendung zur Filterung von Fernsehsignalen. Die genannte GB-PS betrifft eine Zündeinrichtung für eine Anzahl in Reihe geschalteter Thyristoren, die alle möglichst gleichzeitig zu zünden sind. Zur Erzeugung der Zündspannung wird ein piezoelektrischer Wandler verwendet, der mit einem Impulsgenerator 7 verbunden ist, der (erst) den für eine Zündung eines Thyristors

notwendigen Ziindimpuis liefert, und zwar an eine Verteilungs- und Steuerschaltung 8. Der obenerwähnte piezoelektrische Wandler ist mechanisch ar das eine Ende eines Stabes 4 angekoppelt, an dessen anderem Ende sich ein weiterer piezoelektrischer Wandler befindet Über den Stab wird eine im letztgenannten Wandler erzeugte mechanische Welle übertragen, wobei für den Stab eine Länge von mehreren Metern vorgesehen ist, um eine entsprechende Signalverzögerung zu erreichen,

dere die Netzspannung ist. Im Zusammenhang mit derart hohen zu schaltenden Spannungen ist die bereits obenerwähnte galvanisch getrennte Ansteuerung von besonderem Interesse. Zur Ansteuerung eines MOS-Leijtungsschalters sind daher bereits Kleinrelais oder optoelektronische Koppler verwendet worden, die jedoch z. B. Zusatzschaltungen und/oder eine zusätzliche Spannungsquelle auf der Lastseite erfordern. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine wei-

dic zu gleichzeitigem Zünden der in Reihe geschalteten io tere vorteilhafte Anwendung einer Piezo-Zündeinrich-

Thyristoren führen soll.

Die oben zuletzt genannte US-PS betrifft ebenfalls das zeitgerechte Zünden von Thyristoren, hier speziell von zwei antiparallelen Thyristoren, wofür eine Ober-

gegen Masse frei ist. Steht z. B. eine Betriebsspannung von 12 Volt mit an Masse liegendem Minuspol zur Verfügung (Autoelektrik), so kann mit dem erfindungsgemäßen Piezo-Koppler ohne weiteres eine solche Gate-

tung nach dem Hauptpatent und eine solche spezielle Anwendung betreffende Ausgestaltung anzugeben. Insbesondere ist Wert darauf gelegt, daß Betrieb mit einer Spannung von weniger als 5 Volt erfolgen kann. Diese

flächenwellen-Laufzeitleitung eingesetzt wird. Diese t5 Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebe-Laufzeitleitung besteht aus einer Anzahl Interdigitalan- nen Merkmalen gelöst und die angesprochene weitere Ordnungen, die sich auf einem notwendigerweise im Be- Ausgestaltung ist in dem Unteranspruch angegeben, reich dieser Interdigitalanordnungen piezoelektrischen Die Erfindung geht von dem Hauptpatent P 30 35 503

gemeinsamen Substratkörper befinden. Anstelle einer aus, in dem Ansteuerung von Thyristoren und Triacs beim Gegenstand der obengenannten GB-PS in einem 20 beschrieben ist. Da der Piezo-Koppler auf der Sekun-Stab laufenden Volumenwelle wird hier die Signalver- därseite in sich als Spannungsgenerator wirksam wird, zögerung durch eine Oberflächenwelle erreicht, wobei kann mit diesem Koppler eine elektrische Spannung wegen der besonders geringen Geschwindigkeit von bzw. eine elektrische Leistung erzeugt werden, die nicht Oberflächenwellen mit geringeren Abmessungen des nur vom Eingang galvanisch getrennt ist, sondern die Substratkörpers entsprechend lange Verzögerungszei- 25 auch gegen ein Bezugspotential der Sekundärseite bzw. ten erreichbar sind.

Entsprechende Aufbauten mit Oberflächenwellenanordnungen zum gleichzeitigen Zünden gehen auch aus der DE-AS 24 26 407 und der US-PS 36 26 309 hervor.

In einer nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung 30 Spannung erzeugt werden, deren Minus-Potential auf P 31 23 104.7 mit älterem Zeitrang ist eine Relais-An- wenigstens angenähert 12 Volt liegt und deren Plus-Poordnung beschrieben, die einen piezoelektrischen tential beispielsweise bis zu +18 Voit gegenüber dem Wandler enthält, der eine akustische Kopplung zwi- Minus-Potential der Betriebsspannung beträgt. Damit sehen dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis einer kann nämlich der MOS-Leistungsschaiter in bezug auf dort vorgesehenen Schaltung bewirkt. Der Eingangs- 35 den Lastwiderstand auch so eingefügt werden, daß der kreis enthält einen Transistoroszillator, bei dem ein Teil Drain-Anschluß des Leistungsschalters direkt mit dem des Wandlers sowohl das frequenzbestimmende EIe- Pluspol der Betriebsspannung verbunden ist und dessen ment als auch die positive Rückkopplungsschleife bildet. Source-Anschluß mit dem einen Anschluß des Lastwi-Dcr Ausgangskreis kann einen Schaltkreis oder eine derstands verbunden ist, wobei dessen anderer An-Glcichslromversorgung enthalten. Näher ins Einzelne 40 Schluß mit dem auf Masse liegenden Minuspol verbungchcnd ist dort eine Einrichtung zur galvanisch getrenn- den ist. Es kann dann also, wie in der Autoelektrik übten Ansteuerung einer Schaltereinrichtung beschrieben, lieh, der eine Po! des Lastwiderstands (z. B. Scheinwerwobei das Wechselstrom-Ansteuersignal von einer ferbirne, Scheibenwischermotor, Gebläsemotor usw.) .Steuerelektronik an die Eingangsanschlüse eines Piezo- wie bisher mit der auf dem Minuspol liegenden Fahr-Kopplers geliefert wird, dessen Ausgangsanschlüsse mit 45 zeugkarosserie direkt verbunden werden und dennoch der Schaltereinrichtung verbunden sind. Der Piezo- ein verfügbarer Halbleiter-MOS-Leistungsschaher ver-Koppler hat die Form eines Plättchens aus piezokerami- wendet werden (der einen N-Kanal-Aufbau hat; Feldefschem Material, auf dessen einer Oberfläche wenigstens fekttransistor vom Anreicherungstyp), zwei Elektroden und auf dessen gegenüberliegende Wegen der Resonanzanregung kann die Ansteuerung

Oberfläche wenigstens zwei weitere, jeweils deckungs- 50 mit einem Piezo-Koppler auf dessen Eingangs- bzw. auf gleichgegenüberliegendeGegenelektroden angeordnet der Primärseite mit einer Betriebsspannung betrieben

sind. Elektrode und Gegenelektrode bilden jeweils ein t-lcktrodcnpaar, nämlich der Eingangsanschlüsse bzw. der Ausgangsanschlüsse. Eine galvanische Kopplung der Eingangsanschlüsse mit den Ausgangsanschlüssen ist dort nicht vorgesehen. Im allgemeinen hat das Plättchen dort die Form eines Quaders, d. h. eines Körpers mit zweizähliger Drehsymmetrie. Eine Ausführungsform zeigt aber auch die Form einer runden Scheibe des

werden, die sogar kleiner als 5 Volt sein kann, womit die Eingangsseite sogar an Mikroprozessor-Systeme angepaßt sein kann.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild nach der Erfindung;

Fig.2 zeigt einen Piezo-Koppler für eine Schaltung

piezoelektrischen Körpers. Zu dieser Ausführungsform 60 nach Fi g. 1 in verschiedenen Formvarianten;

ist auf die Anordnung und Form der einzelnen Elektroden sowie auf den Umstand hingewiesen, daß die Mitte der Scheibe der Schwingungsknoten derselben ist.

Es ist an sich bekannt, daß sich MOS-Leistungsschalter bcrciis mit 6 Volt Ansteuerspannung zuverlässig 65 ein- und iuisschallen lassen, obwohl die von einem solchen Leistungsschalter zu schaltende Spannung ohne weiteres mehrere 100 Volt betragen kann und insbeson-

Fig. 3 zeigt eine Erläuterung zum Oberwellen-Schwingungsmode;

Fig.4 bis 6 zeigen weitere Ausführungsformen eines Piezo-Kopplers;

Fig. 7 und 8 zeigen Ausgestaltungen bezüglich der halternden Anschlußleitungen.

In F i g. 1 ist mit Ϊ der verwendete Piezo-Koppler und mit 1 ist dessen Plättchen aus Piezokeramik wip Barium-

titanat oder Bleizirkonat-Titanat bezeichnet. Auf der in der Figur oberen (senkrecht zur Darstellungsebene der Figur liegenden) Oberflächenseite des Plättchens 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 ausgangsseitige Elektrodenpaar des Piezo-Kopplers. 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 Kondensatoren, zwischen deren Elektroden bei einer auf der Eingangsseite anliegenden elektrischen Wechselspannung im Plättchen 1 eine mechanische Schwingung bzw. akustische Welle erzeugt werden kann, und zwischen denen auf der Ausgangsseite bei angeregter mechanischer Schwingung des Plättchens 1 eine elektrische Spannung abgenommen werden kann. Die örtliche Verteilung der Größe des piezoelektrischen Effekts bzw. des umgekehrten piezoelektrischen Effekts hängt bei Resonanzschwingung des Plättchens 1 von der schwingungsmäßigen mechanischen Spannungsverteilung ab, die bei der für die Erfindung vorgesehenen Radialschwingung für die Grundschwingung 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 frei schwingende Platte, wie sie hier vorgesehen ist, denn die noch zu erläuternden Halterungen sind so angebracht und ausgebildet, daß sie freie Resonanzschwingung des Plättchens 1 zulassen.

Mit S ist eine Steuerelektronik bezeichnet, die bei Anliegen von Η-Potential am Steuereingang 9Ϊ der vorgesehenen Ansteuerung des MOS-Leistungsschalters entsprechend getaktetes Signal an das Elektrodenpaar 13,13' liefert. Dieses Signal ist ein Wechselspannungssignal mit vorgegebener, durch die Abmessung des Plättchens 1 bestimmter Frequenz zwischen 20 kHz und 500 kHz. Die Frequenz /der Wechselspannung und die zur Anregung vorgesehene Schwingungsresonanz des Plättchens 1 sind somit übereinstimmend.

Eine solche Steuerclektronik 9 nach F i g. 1 ist als integrierte Schaltung in TTL-Technik verschiedener Hersteller im Handel. Ihre Bestandteile gehen aus der Darstellung und demangegebenen Symbol hervor. Diese Steuerelektronik 9 liefert eine Wechselspannung an das Eingangselektrodenpaar 13,13' des Piezo-KoppTers.

Die Ausgangsseite des Piezo-Kopplers Ti d.h. das Elektrodenpaar 14, 14', ist über die Anschlußleitungen 7', 8' mit einer Gleichrichterschaltung mit den wie dargestellten Gleichrichtern 7 und 8 verbunden. Ein hochohmiger Ableitwiderstand ist mit 18 bezeichnet Mit 210 ist der zu schaltende MOS-Leistungsschalter und mit 211 ist der mit dem Schalter 210 in Reihe liegende Lastwiderstand bezeichnet Wie ersichtlich und wie oben schon angedeutet, liegt der kurz als Schalter 210 bezeichnete MOS-Leistungsschalter bei kurzgeschlossenem Schalter, d. h. bei Öffnen der Kanalstrecke des den Schalter 210 bildenden Feldeffekttransistors, mit seinen beiden Anschlüssen Source und Drain auf hohem Potential, d. h. am »heißen« Anschluß des Lastwiderstands 211. Ohne Schwierigkeiten ist eine solche Schaltung bei der Erfindung möglich, weil in der Ausgangsseitc des Piezo-Kopplers T, d. h. im Schaltungsteil bestehend aus dem_Elektrodenpaar 14,14' und den Schaltungselemen-

ten 7, 8 und 18, eine solche elektrische Spannung erzeugt wird, die von Bezugspotentialen frei ist und die genügend groß ist, um für das öffnen des den Schalter 210 bildenden Feldeffekttransistors erforderliche Spannung zwischen Source-Anschluß 212 und 213 zu gcwährleisten. Die Anschlußleitung 8' ist dementsprechend mit dem Source-Anschluß 212 des Schalters 210 verbunden. Der Drain-Anschluß 214 des Schalters 210 ist mit positivem Betriebspotential verbunden, wenn der Schalter 210 wie im vorliegenden Falle ein Feldeffekt· transistor vom Anreicherungstyp mit N-Kanal ist.

Die weiteren Erläuterungen beziehen sich auf den bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Piezo-Koppler T.
In Fig.2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt Mit 11 ist ein Plättchen 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 hat auf seinen beiden Oberflächen, von denen in der Darstellung der F i g. 2 nur die eine Oberfläche zu sehen ist, je 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 Anschluß-Zuleitung für die Elektrode 3 bezeichnet Mit 6 ist die Anschluß-Zuleitung der zur Elektrode 3 gehörenden Gegenelektrode der Rückseite bezeichnet; soweit die Anschluß-Zuleitung 6 auf der Rückseite des Plättchens 1 verläuft ist sie gestrichelt dargestellt Mit 7 ist eine an dem Plättchen 1 angebrachte Anschluß-Zuleitung der Elektrode 4 und mit 8 die entsprechende weitere Anschluß-Zuleitung der rückwärtigen, zur Elektrode 4 gehörenden, ringförmigen Gegenelektrode bezeichnet Die Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 bilden Anschlußkontakte, mit denen der mit Elektroden versehene Plättchen 1 als fertiges Bauelement eines erfindungsgemäßen Kopplers in die Schaltung mechanisch und elektrisch eingesteckt werden kann. Gestrichelt ist mit 9 wieder die eingangsseitige Steuerelektronik bezeichnet und das mit 10 bezeichnete gestrichelte Kästchen deutet auf die Ausgangsseite mit dem darin enthaltenen MOS-Leistungsschalter hin.

Die Aufteilung der insgesamt für die Elektroden 3 und 4 zur Verfügung stehenden Plättchenoberfläche auf die-

se Elektroden 3 und 4 (das gleiche gilt für die auf der Rückseite des Plättchens 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 des Plättchens 11, d. h. im Bereich der Elektrode 3, große mechanische Wechselspannung der Schwingungsbewegung vorliegt, wohingegen im Randbereich des Plättchens 11, d.h. im wesentlichen im Bereich der !Elektrode 4, bekanntermaßen weniger große — bis zum Rand des Plätlchens auf Null heruntergehende — mechanische Wechselspannung vorliegt. Dies entspricht für die, wie oben bereits erörtert, frei schwingenden Plättchen den physikalischen Gesetzen.

In der Fig.2 ist gestrichelt auch eine quadratische Umrandung des Plättchens 11 angedeutet, womit darauf hingewiesen sein soll,daß eine der Fig. 1 entsprechende Ausführungsform auch mit einem quadratischen Plättchen statt eines kreisrunden Plättchens, und zwar mit kreisrunder Mittelelektrode, zu realisieren ist. Zweckmäßigerweise füllt dann die Elektrode 4 auch die für das Quadrat hinzukommenden vier Ecken 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 regelmäßigcr 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 F i g. 2 erörterten Formen des Plättchens 11 sind durch eine einzige Längenabmessung bereits vollständig beschrieben, so z. B. mit dem Durchmesser für die Kreisform, mit der Kantenlänge a für das quadratische Plättchen und mit der Kantenlänge a' für das hexagonale Plättchen. Die Schwingungsbewegung des Grundmode ist in der F i g. 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 F i g. 3 angegebenen Doppelpfeilen die Schwingungsverteilung des nur in Fig.2 dargestellten ersten Oberwellenmode angedeutet mit der Knotenlinie

Falle eines vieleckigen Plättchens eine Kreislinie, die im Extremfall des Quadrats dem Quadrat entsprechende geringe Ausbauchungen zu den vier Ecken hin hat

F i g. 4 zeigt ein Plättchen 1 mit quadratischem Querschnitt (wie als alternative Ausführungsform in Fig. 2 gestrichelt eingetragen). Dia Ausführungsform der F i g. 4 läßt aber die abweichende Elektrodenform erkennen, die z. B. derjenigen entspricht, wie sie bei der prinzipiellen Darstellung nach F i g. 1 gezeigt ist. Mit 13 und 14 sind die beiden streifenförmigen, im Abstand voneinander liegenden (den Elektroden 3 und 4 der F i g. 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' bezeichneten Anschluß-Zuleitungen wie in Fig. 1 entsprechen den Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 der Fig.2. Vorzugsweise sind diese Zuleitungen am Rande des Plättchens auf den jeweiligen Elektroden befestigt.

In F i g. 5 ist eine Ausführungsformen mit kreisrunder Form des Plättchens 11 gezeigt, auf dem sich halbkreisförmige Elektroden 3' und 4' befinden.

Eine weitere Ausführungsform zeigt F i g. 6 mit einer weiteren Art der Aufteilung der Elektroden 13" und 14". denen jeweils gleich große Gegenelektroden auf der Rückseite des Plättchens direkt gegenüberliegen. Es ist dies ein Beispiel einer Ausführungsform mit unregelmäßig ineinandergreifenden Elektroden des Eingangs- und des Ausgangselektrodenpaares.

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 Kopplers frei schwingend gehalten sein soll. Dies läßt sich aber vor allem durch Verwendung von mit Sicken od. dgl. versehenen oder (mit genügend langen Enden) umgebogenen Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 erreichen. Die F i g. 7 und 8 zeigen derart ausgestaltete Anschluß-Zuleitungen, und zwar in Seitenansichten, bezogen auf die F i g. 2 bis 6. Diese F i g. 7 und 8 zeigen das Plättchen 1, 11 des Piezo-Kopplers, 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 F i g. 7 und 8 ist außerdem die beim Koppler 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 randsei-

Vliese miteinander, die auch die durch diese Verbindung herausgeführten Anschluß-Zuleitungen 5 bis 8 besonders gut festhält.

Für das Material der Isolationsumhüllung 51 wird ein Material eines solchen Elastizitätsmoduls Ey verwendet, der um ein n-faches (mit η 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. Hinzukommt, 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 100 μίτι dick zu machen. Für die Verwendung des obenerwähnten Glasfaser-Epoxydvlieses empfiehlt sich, eine Dicke

des Vlieses von 50 bis 150 μΐη zu wählen.

In F i g. I ist zusätzlich noch gestrichelt eine Strombegrenzungsschaltung, und zwar in zwei Varianten, eingetragen. Mit 101 ist ein elektronisches Bauelement mit den Anschlüssen X, Y, Z bezeichnet, und ein zusätzlieher Widerstand R_n, hat das Bezugszeichen 102. Gemäß einer Alternative kann das Bauelement 101 ein Transistor sein, dessen Anschluß X der Emitter, dessen Anschluß Vder Kollektor und dessen Anschluß Zdie Basis ist. Wenn R_n, so bemessen ist, daß l_nm-R„, ä 0,5 Volt wird, worin /,„,·„ der maximal zulässige Strom für den MOS-Leistungsschalter 210 ist, so wird infolge des Umstands, daß der Transistor 101 bei diesen 0,5 Volt leitend wird, der Eingang des Leistungsschalters 210 kurzgeschlossen und der durch den Leistungsschalter 210 fließende Strom in zunehmendem Maße blockiert.

Das Bauelement 101 kann auch ein Thyristor sein, bei dem die Anschlüsse Y und X Anode und Kathode sind und Z der Anschluß der Zündelektrode ist. Ist R_n, so bemessen, daß I_max-R_m > IVoIt beträgt, so zündet der Thyristor 101 und schaltet den bisher durch den Leistungsschalter 210 (und den Lastwiderstand Rl) fließenden Strom schlagartig ab.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Piezo-Zündeinrichtung für eine elektronisch anzusteuernde Schaltereinrichtung, mit galvanischer Entkopplung der Anregungsimpulse in Form eines Wechselstromsignals liefernden Steuerelektronik und der Schaltereinrichtung, mit einem Piezo-Zündkoppler in Form eines weniger als 0,3 mm dicken und eine mehr als zweizählige Drehsymmetrieachse aufweisenden Plättchens aus piezokeramischem Material, auf dessen einer Oberfläche wenigstens zwei Elektroden und auf dessen anderer, gegenüberliegender Oberfläche wenigstens zwei weitere, dekkungsgleich mit den Elektroden gegenüberliegende Gegenelektroden vorgesehen sind, die jeweils ein Elektrodenpaar bilden, wobei ein Elektrodenpaar als Eingangselektrodenpaar mit der Steuerelektronik verbunden ist und eine Elektrode eines Ausgangselektrodenpaars mit der Zündelektrode der Schaltereinrichtung verbunden ist, wobei die Elektroden des Eingangselektrodenpaars einen für die galvanische Entkopplung vorgegebenen elektrischen Isolationswiderstand von den Elektroden des Ausgangselektrodenpaars haben, wobei mit der jeweiligen Elektrode verbundene Anschluß-Zuleitungen an dem Plättchen angebracht sind und wobei die Frequenz /des Wechselstromsignals und eine die Resonanzfrequenz bestimmende Längenabmessung (a, a') des Plättchens auf einen Wert zwischen 20 kHz und 500 kHz für einen Schwingungsmode nach dem Prinzip der Radialschwingung aufeinander abgestimmt sind, nach Patent 3035503, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltereinrichtung ein MOS-Leistungsschalter (210) ist.

2. Piezo-Zündeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sie zusätzlich eine Strombegrenzung enthält, mit der der Eingang des MOS-Leistungsschalters kurzgeschlossen wird, wobei diese Schaltung einen Transistor oder Thyristor (101) und einen Widerstand (R_n,) hat, der in den vom MOS-Leistungsschalter zu schaltenden Stromkreis eingefügt ist, und wobei der Spannungsabfall an diesem Widerstand (R_n,) den Transistor bzw. Thyristor (101) steuert.