DE4233836A1 - Schaltungsanordnung für piezoelektrische Schwinger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einer Schaltungsanordnung für einen pie­ zoelektrischen Schwinger mit einem Serienschwingkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Piezoelektrische Wandler für Schall- bzw. Ultraschallanwendungen liefern im Resonanzbetrieb gute Schalldrücke. Besonders im Empfangsbetrieb wird jedoch häufig eine größere Bandbreite benötigt, die speziell bei An­ kopplung an Luft durch die geringe akustische Belastung schlecht erreicht wird. Dabei ist es für viele Anwendungen sehr wichtig im Übertragungsbe­ reich eine möglichst konstante Gruppenlaufzeit zu erzielen.

Nach dem heutigen Stand der Technik wird eine größere Bandbreite z. B. dadurch erreicht, daß der piezoelektrische Schwinger mechanisch und/oder elektrisch mit einem ohmschen Widerstand bedämpft wird. Da­ durch sinkt natürlich auch die Signalspannung.

Eine andere Lösung ist die Beschaltung des Schwingers mit einer Indukti­ vität (Valvo: Piezoxide, Hüthig Verlag GmbH). Diese Beschaltung liefert höhere Amplituden als der nur bedämpfte Schwinger, indem die reale elektrische Kapazität des Schwingers mit dieser Induktivität einen Paral­ lelschwingkreis bildet, der auf die mechanische Resonanzfrequenz des Schwingers abgestimmt ist. Die beiden Kreise sind überkritisch gekoppelt, man erhält eine typische Bandfiltercharakteristik mit entsprechend vergrö­ ßerter Bandbreite und einer tiefen Einsattelung.

Aus der DE 30 03 317 C2 ist eine Schaltungsanordnung der gattungsge­ mäßen Art vorbekannt. In der Schaltungsanordnung wird ein Schallwand­ ler sowohl sende- als auch empfangsseitig optimal in seiner Serienreso­ nanzfrequenz betrieben, indem er im Empfangsfall mit einem auf die Wandlerresonanz abgestimmten Serienschwingkreis beschaltet wird, die Dioden dieser Schaltung sind dann praktisch bedeutungslos. Durch ent­ sprechende Dimensionierung des Serienkreises, unter Beibehaltung der Serienresonanzfrequenz des Wandlers, soll die Empfindlichkeit erhöht werden. Dadurch entsteht ein unsymmetrisches Bandfilter.

Nachteilig bei der mechanischen und/oder elektrischen Bedämpfung von piezoelektrischen Schwingern ist der große Empfindlichkeitsverlust eines solchen elektroakustischen Wandlers.

Diesen Nachteil vermeidet zwar die Beschaltung des piezoelektrischen Schwingers mit einer abgestimmten Induktivität, doch hat diese Lösung den Nachteil eine feste Bandbreite zu besitzen, die durch den piezoelek­ trischen Schwinger vorgegeben ist, da die Kopplung der beiden Schwing­ kreise maximal und unveränderbar ist. Eine Wahl der Bandbreite zwi­ schen dem eines Einzelkreises und dem des maximal überkritisch gekop­ pelten zweikreisigen Bandfilters ist somit ohne größere Amplitudeneinbuße nicht möglich. Die Gruppenlaufzeit schwankt auch innerhalb des Durchlaßbereiches stark. Durch einen passenden zusätzlichen ohmschen Dämpfungswiderstand parallel zum Wandler läßt sich zwar eine relativ konstante Gruppenlaufzeit erreichen, jedoch wird dadurch die Amplitu­ denüberhöhung der Übertragungsfunktion wieder zunichte gemacht. Ein weiterer Nachteil dieser Art der Bandbreitenvergrößerung ist die Tempe­ raturabhängigkeit besonders der elektrischen Parallelkapazität von pie­ zokeramischen Schwingern. Es kommt dadurch zu starken temperaturab­ hängigen Änderungen der Übertragungsfunktion, die durch weitere Maß­ nahmen verringert werden müssen.

Der Nachteil einer Beschaltung des piezoelektrischen Schwingers durch einen Serienresonanzkreis der vorbekannten Art besteht darin, daß sich für die beiden Serienkreise unterschiedliche Koppelfaktoren ergeben. Nur der des externen Kreises kann durch die Dimensionierung verändert wer­ den. Die Bandbreite des Bandfilters läßt sich dadurch nicht bis zur unter­ kritischen Kopplung verkleinern. Durch die Unsymmetrie verschlechtert sich auch das Impulsverhalten des Empfangssystems: Wandler/Beschal­ tung.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, die Bandbreite eines piezoelektrischen Schwingers entsprechend seines Einsatzes durch eine elektrische Beschaltung so wählen zu können, daß bei dieser Bandbreite ein Maximum an Empfindlichkeit erhalten bleibt und zudem die Gruppen­ laufzeit im Durchlaßbereich der Übertragungsfunktion konstant ist.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Zusätzlich zu einem Serienschwingkreis wird noch ein weiterer Kondensator zum piezoelektrischen Wandler parallelge­ schaltet. Der Serienschwingkreis wird auf die Serienresonanz des Wand­ lers abgestimmt, so daß sich eine Spannungsüberhöhung an den einzel­ nen Blindwiderständen ergibt, die als Ausgangsspannung der Gesamtan­ ordnung benutzt werden kann. Man hat so die Wahl zwischen geringer Bandbreite und höherer Amplitude oder großer Bandbreite und kleiner Amplitude.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen. Gemäß Anspruch 2 wird durch eine geeignete Dimensionierung des Widerstandes R2 erreicht, daß die Bandfilterhöcker bis zu Einsattelungs­ tiefe bedämpft werden können. Es wird somit ein bereichsweise flacher Frequenzgang und eine konstante Gruppenlaufzeit hergestellt. Gemäß Anspruch 3 läßt sich die gewünschte Dämpfung auch durch einen Reihen­ widerstand zum Serienschwingkreis herstellen. Gemäß Anspruch 4 wird nicht die Spannung an den einzelnen Blindkomponenten des Serien­ schwingkreises als Nutzsignal verwendet, sondern der Strom durch den­ selben, indem er im Empfangsteil einem Strom/Spannungswandler oder einem Verstärker mit sehr niedrigem Eingangswiderstand zugeführt wird.

Der in der Figur dargestellte gestrichelt umrahmte Teil zeigt das verein­ fachte Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Schwinger, der hier als Empfangswandler verwendet wird. Die Spannungsquelle U_e liefert ein dem Schalldruck entsprechendes Signal. Der mit der Spannungsquelle U_e verbundene Serienschwingkreis, der aus dem Kondensator C1, der In­ duktivität L1 und den Widerstand R1 besteht, charakterisiert die mechani­ sche Serienresonanz des Schwingers S. An den Anschlußklemmen des Schwingers S ist im Wandlerersatzschaltbild die reale elektrische Kapazi­ tät C0 eingezeichnet. Diese ergibt sich aus der Geometrie und dem Die­ lektrikum des Piezoschwingers sowie der Kapazität seiner Kontaktierung. Zu C0 liegt der Kondensator Ck sowie eine Serienschaltung aus der In­ duktivität L2 in Serie mit der Parallelschaltung von C2 und R2 parallel. An R2/C2 wird die Ausgangsspannung U_a abgegriffen. Der Serienschwing­ kreis des Kondensators C2 und der Induktivität L2 bildet zusammen mit dem Kondensator C1, L1 und C0 des Wandlerersatzschaltbildes ein kapa­ zitiv stromgekoppeltes Bandfilter, jedoch läßt sich der Kopplungsgrad durch vergrößern des Kondensators Ck bis hin zur unterkritischen Kopp­ lung verringern. Wählt man eine Dimensionierung: C2=C1 und L2-L1, er­ hält man ein symmetrisches Bandfilter, dessen Kopplung durch die Größe des Kondensators Ck flexibel zwischen den beiden Extremwerten: maxi­ male Kopplung (gegeben durch k=C1/(C1+C0)) und unterkritische Kopp­ lung eingestellt werden kann, mit stets gleich hohen Bandfilterhöckern. Man hat somit die freie Wahl zwischen geringerer Bandbreite und dafür höherer Amplitude und umgekehrt und kann die Übertragungsfunktion so den Anwendungsbedürfnissen anpassen. Eine geeignete Dimensionie­ rung des Widerstandes R2 ermöglicht es die Bandfilterhöcker bis zur Ein­ sattelungstiefe zu bedämpfen und somit einen bereichsweise flachen Fre­ quenzgang und konstante Gruppenlaufzeit zu erhalten.

Durch die Parallelschaltung des Kondensators Ck zur Schwingerkapazität C0 verringert sich der Temperatureinfluß des Kondensators C0 auf das Übertragungsverhalten. Ein Resteinfluß würde zudem lediglich zu einer Bandbreitenänderung führen, die Übertragungsfunktion bliebe symme­ trisch. Durch geeignete Wahl des Temperaturkoeffizienten des Kondensa­ tors Ck läßt sich der Temperaturgang des Kondensators C0 zudem auf einfache Weise kompensieren.

Der in der Figur dargestellte Kondensator C2 und die Induktivität L2 kön­ nen ihre Positionen auch tauschen, je nachdem wie es für nachfolgende Verstärkerschaltungen am günstigsten ist. Der Widerstand R2 kann dabei teilweise oder auch ganz der Eingangswiderstand des nachfolgenden Verstärkers sein.

Die gewünschte Dämpfung läßt sich auch durch einen Reihenwiderstand zum Serienschwingkreis herstellen. Auch hier kann dieser Widerstand teil­ weise oder auch ganz der Eingangswiderstand des nachfolgenden Ver­ stärkers sein.

In einer weiteren Möglichkeit wird nicht die Spannung an den einzelnen Blindkomponenten des Serienschwingkreises als Nutzsignal verwendet, sondern der Strom durch denselben, indem er im Empfangsfall z. B. einem Strom/Spannungswandler oder einem Verstärker mit sehr niedrigem Ein­ gangswiderstand zugeführt wird. Im Senderbetrieb läßt sich so die Anpas­ sung an den niedrigen Ausgangswiderstand der Senderendstufe errei­ chen.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung für einen piezoelektrischen Schwinger mit einem Serienschwingkreis, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schwinger (S) ein auf die Serienresonanzfrequenz des Schwingers (S) abgestimmter zweiter Serienschwingkreis (L2, C2) parallel geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem oder beiden Blindwiderständen (L2, C2) des Serienschwingkreises (L2, C2) ein Widerstand (R2) parallel geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Serienschwingkreis (L2, C2) ein Widerstand (R2) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Nutzsignal der Strom durch den Serienschwingkreis (L2, C2) verwendet wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß das Nutzsignal an einem der beiden Blindwiderstände des Serienschwingkreises (L2, C2) zugeführt oder abgegriffen wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingerkapazität (C0) ein Kondensator (CK) parallel geschaltet ist.