DE3738507C1

DE3738507C1 - High-voltage transformer for transformation of a low electrical voltage into a higher output voltage, using a piezoelectric element

Info

Publication number: DE3738507C1
Application number: DE3738507A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl-Phys Schneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Schneider Stefan Genf/geneve Ch
Priority date: 1987-11-13
Filing date: 1987-11-13
Publication date: 1989-07-06

Abstract

The invention relates to a high-voltage transformer for transformation of a relatively low electrical voltage into a higher output voltage, using at least one piezoelectric element. The high-voltage transformer is characterised in that the piezoelectric element or elements in at least one electrical circuit is or are excited (energised) by an AC voltage generator, and the alternating, relatively high output voltage produced by the oscillations of the piezoelectric element is extracted from the electrical circuit for further utilisation.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Hochspannungstransformator zur Transformation einer niederen elektrischen Spannung in eine höhere Ausgangsspannung, bei welchem ein polarisiertes piezo elektrisches Element an Elektroden mit einer Wechselspannung erregt wird.The invention is based on a high-voltage transformer to transform a lower electrical voltage into a higher output voltage at which a polarized piezo electrical element on electrodes excited with an AC voltage becomes.

Aus den US-PS 44 59 505, 40 54 806, 37 07 636 und 37 36 446 sowie aus der DE-Z. "Keramische Zeitschrift", 24, 1972, Nr. 2, Seiten 80 bis 81, sind piezoelektrische Hochspannungstransformatoren bekanntgeworden, bei denen am Piezo-Element an zwei Elektroden die Erregerspannung angelegt und die entstehende Hochspannung an einer drit ten, zu den beiden ersten Elektroden senkrecht verlau fenden Elektrode abgenommen wird. Eine derartige Anord nung hat zwar den Vorteil, daß für den Hochspannungs erzeuger keine weiteren elektrischen Komponenten benötigt werden, der Nachteil liegt aber darin, daß zwei zueinander senkrecht verlaufende Polarisationen des piezoelektri schen Elementes benötigt werden, wobei an deren Nahtstelle durch Alterung eine Depolarisation auftritt, die im Ver laufe der Zeit zu einer Verkleinerung des Spannungs- Transformations-Verhältnisses führt.From US-PS 44 59 505, 40 54 806, 37 07 636 and 37 36 446 and from DE-Z. "Ceramic Journal", 24, 1972, No. 2, pages 80 to 81, are piezoelectric High-voltage transformers in which the excitation voltage on the piezo element on two electrodes applied and the resulting high voltage on a third left perpendicular to the first two electrodes electrode is removed. Such an arrangement voltage has the advantage that for the high voltage no additional electrical components are required be, but the disadvantage is that two to each other perpendicular polarizations of the piezoelectric element are needed, at their interface depolarization occurs due to aging, which in ver run the time to decrease the voltage Transformation relationship leads.

Bei den vorbekannten piezoelektrischen Hochspannungs transformatoren bestand ferner der Nachteil, daß die piezoelektrischen Elemente verhältnismäßig kompliziert im Aufbau sind, da die piezoelektrischen Elemente aus mehreren Einzelelementen in einem verhältnismäßig komple xen Aufbau zusammengesetzt werden müssen. Die vorbekann ten Hochspannungstransformatoren basieren außerdem alle auf der Grundlage, mit einer einzigen, mehrteiligen Piezoelementanordnung den gesamten Transformator zu erzeugen.With the known piezoelectric high voltage transformers also had the disadvantage that the Piezoelectric elements relatively complicated are under construction because the piezoelectric elements are made of several individual elements in a relatively complete xen structure must be put together. The prior All high-voltage transformers are also based based on a single, multi-part Piezo element arrangement to the entire transformer produce.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungstransformator der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine Hochspannung un ter Verwendung von einfachen, marktüblichen Piezoelemen ten ohne erhöhte Verlustleistung erzeugt werden kann, wodurch die Herstellung eines derartigen Transformators vereinfacht und verbilligt wird.In contrast, the present invention has the object based on a high voltage transformer at the beginning to create the type with which a high voltage un ter use of simple, commercially available piezo elements can be generated without increased power loss, whereby the manufacture of such a transformer simplified and cheaper.

Die gestellte Aufgabe wird einerseits durch einen Hoch spannungstransformator gemäß Anspruch 1 und andererseits durch einen Hochspannungstransformator gemäß Anspruch 2 gelöst.On the one hand, the task set is marked by a high Voltage transformer according to claim 1 and on the other hand by a high voltage transformer according to claim 2 solved.

Der erfindungsgemäße Hochspannungstransformator weist den wesentlichen Vorteil auf, daß mit einem einzigen, einfachen piezoelektrischen Element mit zwei stirnsei tigen Elektroden, das nur in einer Richtung polarisiert ist und als Induktivität in einem Schwingkreis eingesetzt ist, Spannungen erzeugt werden können, die wesentlich über der Eingangsspannung liegen. Dabei kann der Trans formator durch Verwendung von marktüblichen, einfachen piezoelektrischen Elementen besonders billig herge stellt werden.The high-voltage transformer according to the invention has the main advantage that with a single, simple piezoelectric element with two foreheads electrodes that only polarize in one direction and is used as an inductor in a resonant circuit is, tensions can be generated that are essential lie above the input voltage. The Trans formator by using standard, simple piezoelectric elements particularly cheap herge be put.

Im Anspruch 3 ist eine besondere Ausführungsform des in den Ansprüchen 1 und 2 dargestellten Hochspannungstrans formators beschrieben, wobei die einzelnen piezoelektri schen Elemente durch zwei gleiche, starr miteinander verbundene, einfache Piezoelemente von antisymmetri scher Polarisierung zur Erhöhung der Kreisgüte ersetzt sind.In claim 3 is a special embodiment of the in claims 1 and 2 illustrated high voltage trans formators described, the individual piezoelectric elements by two identical, rigid with each other connected, simple piezo elements by antisymmetri shear polarization to increase the circular quality are.

Anhand der Zeichnungen sollen an grundlegenden Beispielen der Schaltungstechnik und der mechanischen Kopplung der erfindungsgemäße Hochspannungstransformator mit den hierzu benötigten Schaltungsanordnungen und Anordnungen näher er läutert werden. In den Zeichnungen zeigtThe drawings are intended to illustrate basic examples the circuit technology and the mechanical coupling of the High-voltage transformer according to the invention with this required circuit arrangements and arrangements he closer to be refined. In the drawings shows

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung für einen Hochspannungstransformator gemäß der Er findung für niederohmige Ankopplung des Generators, Fig. 1 is a schematic diagram of a circuit arrangement for a high-voltage transformer according to the invention it for low impedance coupling of the generator,

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer weiteren Möglich keit einer Schaltungsanordnung für einen Hochspan nungstransformator gemäß der Erfindung für hoch ohmige Ankopplung des Generators. Fig. 2 shows a basic circuit diagram of another possibility of a circuit arrangement for a high-voltage transformer according to the invention for high-ohmic coupling of the generator.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der zwei Piezo-Ele mente von antisymmetrischer Polarisierung mit einander verbunden sind. Fig. 3 shows an arrangement in which two piezoelectric elements of antisymmetric polarization are connected to each other.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 besteht im Prinzip im wesentlichen aus der Serienschaltung eines Kondensators C mit einem piezoelektrischen Element PE. Dieser Serien schwingkreis ist mit einem, beispielsweise durch Transisto ren oder integrierten Schaltkreisen aufgebauten Generator G verbunden, dessen Frequenz durch Rückkopplung so abge stimmt ist, daß der Schwingkreis in Serienresonanz ω _s erregt wird. Die Erregungsspannung beträgt dabei U _i.In principle, the circuit arrangement according to FIG. 1 essentially consists of the series connection of a capacitor C with a piezoelectric element PE . This series resonant circuit is connected to a generator G , for example constructed by Transisto ren or integrated circuits, the frequency of which is tuned by feedback so that the resonant circuit is excited in series resonance ω _s . The excitation voltage is U _i .

An der Kapazität C wie auch am Piezo-Element PE entsteht eine Spannung U _a, die bei geeigneter Wahl der Schaltungs elemente um die Güte Q des Kreises erhöht ist. Das bedeu tet, daß die Ausgangsspannung U _a ≈Q · U _i ergibt. Durch eine besonders große Güte des Kreises kann also die Spannung U _a beträchtlich erhöht werden. Dabei liegt ein Faktor 200 durchaus im Bereich des technisch Möglichen.At the capacitance C as well as at the piezo element PE , a voltage U _a arises, which is increased by the quality Q of the circuit with a suitable choice of the circuit elements. This means that the output voltage U _a ≈ Q · U _i results. The voltage U _a can be increased considerably by a particularly high quality of the circuit. A factor of 200 is definitely within the range of what is technically possible.

In Fig. 2 ist eine andere Schaltungsanordnung zur Erzeu gung der Hochspannung gemäß der Erfindung dargestellt. Hier ist eine Kapazität C 1 parallel zu einer mit einem Piezo-Element PE in Reihe geschalteten Kapazität C 2 ge schaltet. Dieser Schaltkreis ist mit dem Generator G ver bunden, welcher den genannten Schaltkreis in Parallel resonanz ω _p erregt. Am Kondensator C 2 erscheint eine Span nungserhöhung um den Faktor C 1/C 2 bei genügend hoher Güte Q des Kreises. Die Ausgangsspannung ist also ungefähr gleich C 1/C 2 · U _i.In Fig. 2 shows another circuit arrangement for the generation of the high voltage supply according to the invention. Here, a capacitance C 1 is connected in parallel to a capacitance C 2 connected in series with a piezo element PE . This circuit is connected to the generator G , which excites said circuit in parallel resonance ω _p . At the capacitor C 2 appears a voltage increase by the factor C 1 / C 2 with a sufficiently high quality Q of the circuit. The output voltage is therefore approximately equal to C 1 / C 2 · U _i .

Die beiden Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 und 2 las sen sich an unterschiedliche Spannungsquellen anpassen. So läßt sich die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 mit einer niederohmigen Spannungsquelle G betreiben. Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 kann an eine hochohmige Spannungsquelle G am wirkungsvollsten angeschlossen wer den. Beiden Schaltungsanordnungen ist jedoch das Merkmal gemeinsam, daß das Piezo-Element zwischen seiner Serien- und Parallelresonanz betrieben wird, so daß es eine große Induktivität repräsentiert.The two circuit arrangements according to FIGS. 1 and 2 read sen be adapted to different voltage sources. Thus, the circuit arrangement according to FIG. 1 can be operated with a low-resistance voltage source G. The circuit of FIG. 2 can be connected most effectively to a high-impedance voltage source G who the. However, both circuit arrangements have the feature in common that the piezo element is operated between its series and parallel resonance, so that it represents a large inductance.

Es ist selbstverständlich, daß die beiden Grundschaltun gen gemäß den Fig. 1 und 2 durch kompliziertere Schal tungen ersetzt werden können, um eine bessere Anpassung an die Treiberquelle bzw. an den Generator G und an die nicht dargestellte Ausgangslast zu erzielen.It goes without saying that the two basic circuits shown in FIGS . 1 and 2 can be replaced by more complicated scarf lines in order to achieve a better adaptation to the driver source or to the generator G and to the output load, not shown.

Es sei noch hervorgehoben, daß die mit dem erfindungs gemäßen Transformator erzeugte Hochspannung überall da verwen det werden kann, wo es darauf ankommt, eine preiswerte Hochspannungsquelle einzusetzen, so beispielsweise bei radioaktiven Zählern, Fernsehgeräten, Blitzlichtgeräten u. a. m.It should be emphasized that the invention Use high voltage generated everywhere according to transformer An inexpensive solution can be found where it matters Use high voltage source, for example at radioactive counters, televisions, flash units u. a. m.

In Fig. 3 sind zwei starr miteinander gekoppelte Piezo elemente mit antisymmetrischer Polarisierung dargestellt. Diese Anordnung kann die in den Fig. 1 und 2 darge stellten, einzelnen PE-Elemente ersetzen.In Fig. 3 two rigidly coupled piezo elements are shown with antisymmetric polarization. This arrangement can replace the Darge presented in FIGS . 1 and 2, individual PE elements.

Claims

1. High voltage transformer for transforming a low electrical voltage into a higher output voltage, in which a po larized piezoelectric element on electrodes is excited with an alternating voltage, characterized in that an electrical series circuit consisting of a Ka capacitance (C) and a single , representing an inductance, each bearing only a single electrode on the end faces, polarized in one direction, piezoelectric element (PE) , in series resonance ( ω _s ) of the circuit is excited by an alternating current generator (G) , both at the capacitance (G) as well as on the piezoelectric element (PE), an increased voltage (U _a ≈ Q · U _i ) resulting from the circular quality (Q) due to the resonance increase occurs as useful voltage.

2. High-voltage transformer for transforming a low electrical voltage into a higher output voltage, in which a po larized piezoelectric element on electrodes is excited with an alternating voltage, characterized in that pa parallel to one of a capacitance (C 2 ) and a single, an inductance representing, on the end faces each carrying only one electrode, in one direction polarized piezoelectric element (PE) existing series circuit capacitance (C 1 ) is connected, and that this circuit is excited in its parallel resonance with an alternating current generator (G) , where at the capacitor (C 2 ) the resulting voltage increase due to resonance increase (U _a ≈ C 1 / C 2 · U _i ) occurs as the useful voltage.

3. High voltage transformer according to claim 1 or 2, characterized in that two identical, rigidly connected piezo electrical elements with antisymmetric polarity are connected to one another, this arrangement instead of the single piezo electrical elements set in the circuits becomes.