DE3040916C2 - Piezo-Zündeinrichtung für Thyristoren und Triacs - Google Patents

Piezo-Zündeinrichtung für Thyristoren und Triacs

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Description

6. Piezo-Zündeinrichtung n?ch einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die zusätzliche Phasendrehung durch einen Widerstand erzeugt ist, dessen Widerstandswert
R kleiner <
1
toC
ist. der mit seinem einen Anschluß mit der weiteren Elektrode (613) und mit seinem anderen Anschluß mit der dieser weiteren Elektrode (613) zugehörigen Gegenelektrode (613') verbunden ist, wobei der Verstärker ein nicht invertierender Verstärker ist und wobei Cdie Kapazität des Eingangselektrodenpaars (13, 13') und ω die Winkelgeschwindigkeit der Frequenz /"sind.
7. Piezo-Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß für die zusätzliche Phasendrehung der Verstärker ein invertierender Verstärker ist und ein Widerstand mit einem Wide; standswert von
Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Piezo-Zündeinrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Zündeinrichtungen nach dem Oberbegriff sind in der älteren Patentanmeldung P 30 35 503 beschrieben, in denen ein Piezo-Koppler als ein wesentliches Element vorhanden ist. Dieser Piezo-Koppler ist ein Keramikelement mit einem Eingangselektrodenpaar und einem Ausgangselektrodenpaar. Das Eingangselektrodenpaar ist mit einer Eingangselektronik verbunden, von de,· ein Ansteuersignal geliefert wird. Der Piezo-Koppler überträgt dieses Ansteuersignal unter strikter Einhaltung galvanischer Trennung auf den Steuer-Anschluß bzw. die Steuerelektrode eines Thyristors oder Triacs.
Die Übertragung des Steuerimpulses mit Hilfe des Piezo-Kopplers ist derart, daß eine direkte Ansteuerung dieser nachfolgenden Schalterelemente möglich ist. Dazu ist das auf die Eingangselektroden des Piezo-Kopp-
b5 lers gelangende Steuersignal ein Wechselstromsignal mit einer Frequenz f, die abgestimmt ist auf diejenige Resonanzfrequenz des Piezo-Kopplers. die sich aus der flächenbestimmenden Längenabmessung des Platt-
ν C.
vorgesehen ist, dessen einer Anschluß mit dem Ausgang des Verstärkers und dessen anderer Anschluß mit der weiteren Elektrode verbunden ist, wobei ν die Spannungsverstärkung des mit dem Piezo-Koppler (601) belasteten Verstärkers ist und wobei Cr die Kapazität des weiteren Elektrodenpaares (613, 613') und ω die Winkelgeschwindigkeit der Frequenz /sind.
8. Piezo-Zündeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Verstärker wenigstens ein C-MOS-Gatter ist.
chens des Piezo-Kopplers für einen Schwingungsmode nach dem Prinzip der Radialschwingung ergibt. Das Vorhandensein einer flächenbestimmenden Längenabinessung, die auch frequenzbestimmend ist, beruht darauf, daß das Plättchen eine Form mit einer mehr als zweizähligen Drehsymmetrieachse hat, z. B. eine Kreisscheibe, eine Scheibe mit quadratischer Fläche oder auch sechseckiger Fläche und dergleichen ist.
Das Wechselstromsignal ist in der eingangsseitigen Steuerelektronik der Ansteuerungseinrichtung zu erzeugen. Es muß eine gewisse Mindestleistung haben, um nach Übertragung durch den Piezo-Koppler den nachgeschalteten Leistungsschalter, in Form eines Thyristors oder Triacs zuverlässig schalten zu können. Dabei wird gemäß der technischen Lehre des Hauptpatents von der Eigenschaft Gebrauch gemacht, daß ein in Resonanz erregtes piezoelektrisches Element seiner mechanischen Schwinggüte entsprechend eine Sipnalüberhöhung bewirkt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe eine stets ausreichende Übereinstimmung von Anregungsfrequenz der Ansteuereinrichtung und Resonanzfrequenz des Piezo-Kopplers der Einrichtung nach dem Hauptpatent, und zwar ohne größeren Aufwand zu treiben, gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird für eine Piezo-Zündeinrichtung nach dem Oberbegriff erfindungsgemäß mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Verbesserung und weitere Ausgestaltung der älteren Erfindung beruht auf der Überlegung, daß durch Ausnutzung des Rückkopplungseffekts eine Vereinfachung der Eingangselektronik erreichbar ist.
Mit der Wechselspannungs-Ansteuerung, wie sie im Hauptpatent beschrieben ist, ist dann ein Nachteil verbunden, wenn (z. B. aus Preisgründen) nur geringere Toleranzforderungen für Frequenzgenauigkeit und Frequenzkonstanz erfüllt werden können. Für eine weitreichende und mengenmäßig große Anwendung derartiger Piezo-Koppler müsssen diese preisgünstig sein, was Zugeständnisse bezüglich Frequenzkonstanz und Frequenzgenauigkeit erfordert. Die damit verbundenen Probleme lassen sich aber nach dem zur vorliegenden Erfindung zunutze gemachten Prinzip lösen, seibsterregten Schwingbeirieb des Piezo-Kopplers vorzusehen. Es ist dazu eine wie erfindungsgemäß vorgesehene speziell dimensionierte, geformte und an ausgewähltem Ort der Oberfläche des Plättchens angebrachte weitere Elektrode als Rückkopplungselektrode vorgesehen. Wichtig ist es nämlich, und zwar mit einfachsten Mittel, zu verhindern, daß ein falscher Schwingungsmode des Piezo-Koppiers angeregt wird oder gar während des Betriebs ein Wechsel des Schwingungsmode eintritt. Die weitere Elektrode ist wie im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben streifenförmig und im Bereich einer Knotenlinie einer möglichen störenden Oberschwingung angeordnet. Für diese soweit beschriebenen Maßnahmen der vorliegenden Erfindung genügt es nun, daß die Steuerschaltung lediglich noch einen oder mehrere C-MOS-Inverter und zusätzlich einen in seinem Wert unkritischen Festwiderstand hat. An einem Eingang des Inverters läßt sich dessen Verstärkung derart steuern, daß in einem Zustand minimaler Verstärkung keine Erzeugung einer Resonanzschwingung im Piezo-Koppler auftritt und im anderen Zustand eine wie angegebene Verstärkung vorliegt, die zuverlässiges Anschwingen und Weiterschwingen in der geforderten Resonanz gewährleistet.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild zur vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines bei der Erfindung zu verwendenden Piezo-Kopplers mit Hinweisen auf alternative Ausgestaltungen;
Fig.3 zeigt prinzipielle Formen des Plättchens des Piez„ t'.opplers.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild, das die Steuerelektronik 609, den für die vorliegende Erfindung speziell ausgestalteten Piezo-Koppler 601 und den Leistungsschalter 610 mit dem im zu steuernden Stromkreis liegenden Lastwiderstand 611 umfaßt. Die Schaltung der Fig. 1 enthält in der Steuerelektronik 609 zwei alternative Ausgestaltungen mit dem Widerstand R oder dem Widerstand R.
Der Piezo-Koppler 601 hat wie bei der Erfindung des Hauptpatents die Form eines Plättchens aus piezo-elektrischem Material, also Piezokeramik wie Bleizirkonat-Titanat oder dergleichen. Das EingangseleKtrodenpaar des Piezo-Kopplers 601 wird durch die Eingangselektrode 13 und ihre Gegenelektrode 13' gebildet. Das Ausgangselektrodenpaar besteht (wieder) aus der Elektrode 14 und der ihr zugehörigen Gegenelektrode 14'. Die Elektrode 14 ist mit der Steuerelektrode sdes elektronischen Leistungs-Schalters 610 verbunden. Ein bestimmungsgemäßes Ausgangssignal, das am Ausgangselektrodenpaar 14,14' und damit zwischen den Anschlüssen rund t — und zwar unabhängig vom Massepotential — auftritt, schaltet den Leistungsschalter 610 und bewirkt Durchgang zwischen den Anschlüssen r und t des Leistungsschalters 610, so daß bei anliegender Spannung U der zu schaltende Strom durch den Lastwiderstand 611 fließt.
Wie bereits im Zusammenhang mit dem Hauptpatent ausführlich beschrieben, bedarf es für die Erzeugung eines Ausgangssignals am Ausgangselektrodenpaar 14, 14' eines angepaßten Eingangssignals am Eingangselektrodenpaar 13, 13' des Piezo-Kopplers 601. Es ist dies auch hier ein Wechselstrom-Eingangssignal mit einer Frequenz f, die gleich der Resonanzfrequenz des Plättchens des Piezo-Kopplers 601 ist, wobei es sich dabei um eine derartige Eigen-Resonanzfrequenz des Plättchens handelt, die durch die flächenbestimmende Längenabmessung desselben gegeben ist und eine Schwingung nach dem Prinzip der Radialschwingung des Plättchens ist. Der Begriff »Radialschwingung« bedingt damit nicht unbedingt ein kreisrundes Plättchen des Piezo-Kopplers 601, sondern es kann dies auch ein Plättchen in quadratischer Form, regelmäßiger Sechseckform und dergleichen sein, wie dies schom im Hauptpatent ausführlich beschrieben ist.
Das Eingangssignal an dem Eingangselektrodenpaar 13, 13' wird bei der vorliegenden Erfindung von einem Verstärker 681 geliefert, z. B. einem C-MOS-Inverter der an sich aus vier integrierten Invertern besteht, die vorteilhafterweise einander parallelgeschaltet verwendet werden. Mit 691 ist der als Steuereingang ausgebildete hingang der Steuerelektronik 609, d. h. des Inverters 681, bezeichnet, an dem — wie bereits oben erwähnt — der jeweilige Verstärkungsgrad des Verstärkers 681 zwischen zwei möglichen Zuständen verändert werden kann.
Mit 613 und 613' sind die Elektroden eines weiteren
Elektrodenpaares bezeichnet, das sich zusätzlich zu den bereits erwähnten Elektroden auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Piezo-Kopplers 601 — wie in der F i g. 1 angedeutet — befindet. Wie dies im Zusammenhang mit der speziellen Beschreibung von Ausführungsformen des Piezo-Kopplers 601 noch näher erläutert wird, tritt an diesem weiteren Elektrodenpaar ein Wechselstromsigna! auf, das seinen Ursprung in einer mechanischen Schwingung des piezoelektrischen Plättchens des Piezo-Kopplers 601 hat, wobei diese mechanische Schwingung durch das Anliegen ein?.> Wechselstromsignals am Eingangselektrodenpaar 13, 13' hervorgerufen ist. Wie dies für eine Rückkopplungsschaltung üblich und wohlbekannt ist, entsteht ein solcher rückgekoppelter Schwingungsaufbau dann, wenn in dem gebildeten Rückkopplungskreis (unter Betriebsbedingungen) eine ausreichende Verstärkung (v), d. h. eine Spannungsverstärkung ν > 1 bei einer Stromverstärkung >n, wobei η das Verhältnis zwischen dem Maß der Oberfläche des wirksamen Anteils des Eingangselektrodenpaars 13, 13' und dem Maß der wirksamen Elektrodenfläche der weiteren Elektrode ist, vorliegt, wie sie bei der Steuerelektronik 609 mit dem Verstärker 681 gegeben ist. Die alternativ zu verwendenden Widerstände R und R mit der jeweiligen Bemessung
R < -Λτ bzw. R «
ν CR
25
sorgen dafür, daß in dem Rückkopplungskreis der Steuerelektronik 609 die für Rückkopplung bei Verwendung des Piezo-Kopplers 601 notwendige jeweilige Phasendrehung vorliegt, und zwar für die Fälle, daß das Verstärkungselement keine Phasendrehung hat oder der Verstärker 681, wie hier als Inverter 681, 180° Phasendrehung aufweist. In diesen Beziehungen sind die Größe ν die obengenannte Verstärkung, der Wert Cdie Kapazität des Eingangselektrodenpaares 13, 13' und der Wert Cr die Kapazität des weiteren Elektrodenpaares 613, 613' sowie ω die Winkelgeschwindigkeit der Resonanzschwingung.
F i g. 2 zeigt in den beiden Darstellungen 2a und 2b die beiden Oberflächenseiten ein und desselben Piezo-Kopplers 601. Die beiden Darstellungen sind so zu verstehen, als wäre das Plättchen des Piezo-Kopplers 601 in seiner Mitteiebene aufgespalten und als wären die beiden Hälften so aufgeklappt, daß die beiden in der Darstellung der F i g. 2 benachbarten Kanten λ ein und dieselbe Seitenkante des Plättchens des Piezo-Kopplers 601 sind. Die F i g. 2 zeigt also spiegelsymmetrisch die beiden Ansichten der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des Plättchens.
Mit 13 ist in Fig. 2a wieder die eine Elektrode des Eingangselektrodenpaares 13, 13' bezeichnet. Die der Elektrode 13 auf der gegenüberliegenden Seite mindestens gleich große, gegenüberliegende Gegenelektrode 13' ist in der Fig. 2b zu sehen. Die eine Elektrode des Ausgangselektrodenpaares ist in Fig. 2a wieder mit 14 bezeichnet. Die ihr gegenüberliegende Gegenelektrode ist in F i g. 2b mit 14' bezeichnet. Es sei hier der Hinweis vorweggenommen, daß die Elektroden 13 und 13' bei der hier dargestellten Ausgestaltung nicht deckungsgleich sind.
Die weitere, streifenförmige. als Rückkopplungselektrode wirksame Elektrode 613 ist in Fig. 2a ein Anteil eines Kreisringes mit einem Anschlußstreifen 613*. Mit dem gestrichen wiedergegebenen Kreisbogen 622 ist auf die Schwingungsknoienlinic der ersien Oberwelle der radialen Schwingung des hier quadratischen Plättchens mit den Seitenlängen a hingewiesen. Wie ersichtlich, erstreckt sich der Streifen der weiteren Elektrode 613 über Flächenanteile des Piezo-Kopplers 601, die im Bereich dieser Schwingungsknotenlinie 622 liegen. Lediglich der Anteil 613* liegt erheblich außerhalb der Schwingungsknotenlinie 622. Die weitere Elektrode 613 kann den vollen Kreisring im Bereich entlang der Schwingungsknotenlinie 622 einnehmen. Um jedoch eine Vereinfachung bezüglich einer Verbindung des zentralen Bereiches des Plättchens mit dem übrigen Anteil der Elektrode 13 zu haben, wird — wie dargestellt — nur ein Anteil des vollen möglichen krcisr'mges für ilic weitere Elektrode 613 genutzt.
Wie durch einen Vergleich der beiden Darstellungen 2a und 2b ersichtlich, liegt im Bereich der streifenförmigen, einen Kreisbogenanteil bildenden Elektrode 613 der Vorderseite (F i g. 2a) ein Flächenanteil der Gegenelektrode 13' gegenüber. Dies entspricht elektrisch einer galvanischen Verbindung der in Fig. 1 angedeuteten Gegenelektroden 13' und 613'. Es ist dies eine Vereinfachung, mit der zuverlässig Deckung zwischen Kreisring der weiteren Elektrode 613 und Gegenelektrode 613' (als Anteil der Elektrode 13') erreicht ist.
Mit 622 ist auch in F i g. 2b derselbe Kreis der Schwingungsknotenlinie der ersten Oberwelle angedeutet. Für die Grundschwingung der Radialschwingung des Plättchens des Piezo-Kopplers 601 liegt im Bereich der Kreislinie 622 erhebliche mechanische Wechselspannung der Grundschwingung vor, so daß zwischen der weiteren Elektrode 613 und dem die Gegenelektrode bildenden Anteil ein erheblich starkes Rückkopplungssignal abgenommen werden kann. Für das Eingangselektrodenpaar ist im übrigen von der Fläche der Gegen-Elektrode 13' nur derjenige Flächenanteil als Gegenelektrode wirksam, der deckungsgleich mit der Elektrode 13 der F i g. 2a ist. Nur dieser Flächenanteil bildet die Kapazität C.
Die F i g. 2 zeigt noch eine weitere Besonderheit gemäß einci erfindungsgemäßen Ausgestaltung, die darin besteht, üaß der Anschlußstreifen 613* der weiteren Elektrode 613 keine Gegenelektrode auf der in der Fig.2b wiedergegebenen Rückseite des Piezo-Kopplers 601 hat, d. h. der mit 613 kenntlich gemachte Oberflächenanteil weist in Fig. 2b keine Elektrodenbelegung auf. Somit kann im Bereich des Anschlußstreifens 613* kein Beitrag zum Rückkopplungssignal der weiteren Elektrode 613 auftreten. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, daß ansonsten in dem gedachten Falle — die Schwingung des Piezo-Kopplers 601 springt in den Schwingungsmode der ersten Oberwelle um — noch ein Restsignal an einem Anteil 613* des weiteren Elektrodenpaares auftreten könnte. Im Falle der Oberschwingung würde nämlich im Bereich des Kreisbogens dieser Rückkopplungselektrode praktisch keinerlei Signal piezoelektrisch erzeugt werden können, nämlich weil dort für diese Oberschwingung ein Schwingungsknoten vorliegt.
Zwischen der weiteren Elektrode 613 und der Elektrode 14 auf der einen Seite des Plättchens (F i g. 2e) und gegebenenfalls auch zwischen den Gegenelektroden 13' und 14' und der anderen Seite des Plättchens (F i g. 2b) ist der jeweils für die galvanische Trennung erforderliche Abstand einzuhalten.
Mit 633 und 633' sind die Anschluß-Zuleitungen der Elektroden des Eingangselektrodenpaares 13, 13' bezeichnet. Entsprechende Anschluß-Zuleitungen für das Ausgangselektrodenpaar sind mit 634 und 634' bezeich-
net. Mit 635 ist auf die Anschluß-Zuleitung der weiteren Elektrode 613 hingewiesen, und die bereits erwähnte Anschluß-Zuleitung 633 ist bei der hier dargestellten speziellen Ausführungsform der zur Anschluß-Zuleitung 635 zugehörige zweite Anschluß.
Die Fig. 3 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung, welche Formen für ein Plättchen eines erfindungsgemäßen Piezo-Kopplers 601, nämlich in einer Form mit einer mehr als zweizähligen Drehsymmetrieachse, in Frage kommen. In der Darstellung der F i g. 3 sind Elektro- to den, Anschlußfahnen und dergleichen der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Die Abmessung a weist auf die frequenzbestimmende Größe eines wie gestrichelt angegebenen quadratischen Plättchens hin. Der Größe a entspricht der Durchmesser der mit ausgezogener Linie dargestellten Kreisscheibe. Die Längen-Abmessung a als frequenzbestimmende Größe gilt wenigstens weitgehend angenähert auch für das strichpunktiert wiedergegebene Sechseck. Die beiden in der F i g. 3 eingetragenen Doppelpfeile weisen auf die Schwingungsform des Radialschwingungsmode der Grundwelle dieses Plättchens hin, und zwar für alle drei angegebenen Umfangsformen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
30 &
40
45
50
55
60

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Piezo-Zündeinrichtung für Thyristoren und Triacs mit galvanischer Entkopplung der Anregungsimpulse in Form eines Wechselstromsignals liefernden Steuerelektronik und des Thyristors bzw. Triacs, mit einem Piezo-Zündkoppler in Form eines weniger als 03 mm dicken und eine mehr als zweizählige Drehsymmetrieachse aufweisenden Plättchens aus piezokeramischem Material, auf dessen einer Oberfläche wenigstens zwei Elektroden und auf dessen gegenüberliegender Oberfläche wenigstens zwei weitere, deckungsgleich 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 des Thyristors oder des Triacs 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 50OkHz für einen Schwingungsmode nach dem Prinzip der Radialschwingung aufeinander abgestimmt sind, nach Patent 30 35 503, gekennzeichnet dadurch, daß aur der einen Oberfläche des Plättchens des Piezo-Kopplers (601) noch eine weitere, streifenförmige Elektrode (613) mit einer Gegenelektrode (6i3') auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Plättchens vorgesehen ist,
daß sich diese weitere Elektrode (613) in einem Bereich des Plättchens befindei, in dem die Schwingungsknotenlinie (622) des zum bestimmungsgemäßen Schwingungsmodes nächsthöheren Radialschwingungsmode vorliegt,
daß das an das Eingangselektrodenpaar (13,13') gelegte Wechselstromsignal das von dieser weiteren Elektrode (613) und ihrer Gegenelektrode (613') abgeleitete Signal ist,
daß die Steuerelektronik (609) einen an einem Eingang in der Verstärkung steuerbaren Verstärker (681) enthält und die Steuerelektronik (609) insgesamt so ausgebildet ist, daß ein Anschwingen und Weiterschwingen bei der Resonanzfrequenz erfolgt.
2. Piezo-Zündeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Gegenelektrode (613') der weiteren Elektrode durch einen zusätzlichen Anteil der Gegenelektrode (13) des Eingangselektrodenpaares (13, 13') gebildet ist.
3. Piezo-Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß zu demjenigen Anteil der weiteren Elektrode (613), der außerhalb des Bereichs der Schwingungsknotenlinie (622) des nächsthöheren Radialschwingungsmodes liegt, die Gegenelektrode (613') weggelassen ist.
4. Piezo-Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Plättchen des Piezo-Kopplers (601) quadratische Form hat.
5. Piezo-Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. gekennzeichnet dadurch, daß die weitere Elektrode (613) die Form wenigstens eines Anteils eines, bezogen auf die Mitte des Plättchens, axialen Kreisringes hat, dessen mittlerer Durchmesser angenähert '/^mai so groß wie die die Resonanzfrequenz bestimmende Längenabmessung (a) des Plättchens ist.
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