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Die vorliegende Erfindung hat einen
piezoelektrischen Transformator zum Gegenstand, der umfasst:
- – einen
Körper
aus einem piezoelektrischen Material, der eine erste Fläche und
eine zweite Fläche
sowie eine äußere seitliche
Oberfläche
besitzt;
- – mehrere
primäre
Elektroden, die auf dem Körper
angeordnet sind, um in Reaktion auf eine primäre Wechselspannung eine Schwingung
des Körpers
zu erregen; und
- – mehrere
sekundäre
Elektroden, die auf dem Körper
angeordnet sind, um in Reaktion auf die Schwingung eine sekundäre Spannung
zu erzeugen;
wobei die äußere Oberfläche dann, wenn keine Schwingung
anliegt, die Form eines ersten kreisförmigen Zylinders mit einer
Kreissymmetrieachse hat und die Flächen jeweils einen äußeren Teil,
der sich auf Seiten der äußeren seitlichen
Oberfläche
befindet, und einen inneren Teil, der von dem äußeren Teil umgeben ist, besitzt.
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Ein piezoelektrischer Transformator,
der diese Merkmale aufweist, ist in dem Patent
US 2.974.296 , wo er durch
1 repräsentiert ist, beschrieben.
Der Körper
dieses Transformators besitzt die Form eines lang gestreckten Hohlzylinders,
der axial polarisiert ist. Die Primärspannung wird zwischen zwei
Elektroden angelegt, die den Körper
beiderseits der Mitte seiner Länge
umgeben, so dass dieser Körper
in Längsrichtung
oder in einer Längswelle
schwingt. Die Sekundärspannung
wird zwischen zwei Elektroden abgenommen, die den Körper jeweils
an seinem Ende umgeben.
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Neben den Nachteilen, die allen herkömmlichen
Transformatoren gemeinsam sind und weiter unten erwähnt werden,
weist dieser Transformator den Nachteil auf, dass er auf Grund seiner
lang gestreckten, kreisförmigen
Hohlzylinderform relativ schwierig herzustellen ist. Seine Gestehungskosten
sind folglich relativ hoch.
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Ein anderer Zylinder, der ebenfalls
die obigen Merkmale aufweist, ist ebenfalls in demselben Patent
US 2.974.296 , wo er durch
8 repräsentiert ist, beschrieben.
Der Körper
dieses Transformators besitzt die Form einer kreisförmigen Scheibe,
deren Mittelabschnitt axial polarisiert ist und deren ringförmiger Außenabschnitt
radial polarisiert ist. Die Primärspannung
wird zwischen zwei Elektroden angelegt, die beiderseits des Mittelabschnitts
des Körpers
angeordnet sind, so dass dieser strahlenförmig oder in einer Radialwelle schwingt.
Die Sekundärspannung
wird zwischen einer dieser Elektroden und einer dritten Elektrode,
die an der seitlichen Oberfläche
des Körpers
angeordnet ist, abgenommen.
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Ein nochmals anderer Transformator,
der die obigen Merkmale aufweist, ist in demselben Patent
US 2.974.296 , wo er durch
9 repräsentiert ist, beschrieben.
Der Körper
dieses Transformators besitzt die Form eines kreisförmigen Rings,
dessen erste Hälfte
bei Betrachtung in der Ebene axial polarisiert ist. Die zweite Hälfte dieses
Rings ist aus zwei tangential polarisierten Abschnitten gebildet,
wobei die Polarisationsrichtung dieser beiden Abschnitte zueinander
entgegengesetzt ist. Die Primärspannung
wird zwischen zwei Elektroden angelegt, die beiderseits der ersten
Hälfte
des Rings angeordnet sind, so dass der Körper in tangentialer Richtung
oder in einer so genannten Tangentialwelle schwingt. Die Sekundärspannung
wird zwischen einer dieser beiden Elektroden und einer dritten Elektrode
abgenommen, die die zweite Hälfte
des Rings an der Stelle, an der sich die beiden im umgekehrten Richtungssinn
polarisierten Abschnitte wieder treffen, umgibt.
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Die soeben beschriebenen beiden Transformatoren
weisen unter anderem noch den Nachteil auf, dass sie auf Grund dessen,
dass ihr Körper
mehrere Teile umfasst, die unterschiedlich polarisiert werden müssen, relativ
schwierig herzustellen ist. Ihre Gestehungskosten sind folglich
ebenfalls relativ hoch.
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Die Mittel, die den oben beschriebenen
herkömmlichen
Transformatoren die zu ihrem Betrieb erforderliche Spannung liefern,
sind selbstverständlich
so beschaffen, dass ihr Körper
mit einer Resonanzfrequenz ihrer Schwingungsart schwingt. Die Frequenz
der Sekundärspannung,
die in Reaktion auf diese Schwingung erzeugt wird, ist natürlich gleich
Frequenz der Letzteren. Die unterste Frequenz dieser Sekundärspannung
ist folglich gleich der Grund-Resonanzfrequenz der Art, in der der
Körper
des Transformators schwingt.
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Es ist andererseits bekannt, dass
allgemein die Grund-Resonanzfrequenz eines beliebigen Objekts, das
in einer seiner Schwingungsarten schwingt, und folglich insbesondere
des Körpers
eines piezoelektrischen Transformators unter anderem von den Abmessungen
dieses Objekts abhängt
und dass diese Grund-Resonanzfrequenz,
wenn alle anderen Dinge gleich sind, um so höher ist, je kleiner die Abmessungen sind.
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Aus dem Vorhergehenden und den oben
erwähnten
Merkmalen der herkömmlichen
Transformatoren leitet sich ab, dass dann, wenn einer dieser herkömmlichen
Transformatoren in einer Vorrichtung verwendet werden soll, in der
der zur Verfügung
stehende Platz sehr begrenzt ist, die Grund-Resonanzfrequenz sowie selbstverständlich die
Frequenz der von diesem Transformator gelieferten Sekundärspannung
zwangsläufig hoch
sind.
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Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung,
in der der verfügbare
Raum sehr begrenzt ist, ist eine Armbanduhr, deren Gehäuse, deren
Innendurchmesser im Allgemeinen nicht mehr als drei oder vier Zentimeter
beträgt, zahlreiche
Komponenten enthalten muss.
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Der Fachmann erkennt leicht, dass
dann, wenn ein Transformator wie einer der oben erwähnten herkömmlichen
Transformatoren in einer Armbanduhr angeordnet werden soll, die
Abmessungen des Körpers dieses
herkömmlichen
Transformators so klein sein müssen,
dass die Grund-Resonanzfrequenz dieses Körpers und folglich die unterste
Frequenz der von diesem Transformator erzeugten Sekundärspannung
einen Wert besitzen, der über
hundert Kilohertz liegt und je nachdem mehrere Megahertz erreichen
kann.
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Die Verwendung einer Wechselspannung
mit einer so hohen Frequenz kann manchmal zu Problemen führen.
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So können beispielsweise die Verluste,
die durch die parasitären
Kondensatoren bedingt sind, die unvermeidlich von den verschiedenen,
dieser Spannung unterliegenden Leitern gebildet werden, übermäßig groß werden,
wobei die Kapazität
dieser parasitären
Kondensatoren den normalen Betrieb der Vorrichtung stören kann.
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Ebenso kann der Verbrauch der Schaltung,
die dazu bestimmt ist, dem Transformator seine Primärspannung,
die natürlich
die gleiche Frequenz wie die Sekundärspannung haben muss, zu liefern, übermäßig groß werden,
weil dieser Verbrauch im Allgemeinen um so größer ist, je höher diese
Frequenz ist.
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Überdies
kann eine Spannung mit einer so hohen Frequenz nicht zu jedem Zweck
verwendet werden.
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So ist beispielsweise bekannt, dass
eine Elektrolumineszenzleuchtvorrichtung oder Elektrolumineszenzanzeigevorrichtung,
die in einer Armbanduhr häufig
vorteilhaft verwendet werden kann, durch eine Wechselspannung mit
einer Amplitude von einigen zehn Volt gespeist werden muss. Nun
wird eine Armbanduhr im Allgemeinen durch eine Zelle oder eine Batterie
gespeist, die eine Gleichspannung in der Größenordnung von 1,5 bis 3 Volt
liefert. Eine solche Gleichspannung kann mittels einer einfachen
elektronischen Schaltung ohne weiteres in eine Wechselspannung umgesetzt
werden, jedoch liegt die Amplitude dieser Wechselspannung natürlich ebenfall
im Bereich von 1,5 bis 3 Volt.
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Es ist somit erforderlich, einen
Transformator zur Versorgung einer Elektrolumineszenzvorrichtung
in einer Uhr vorzusehen, wobei auf den ersten Blick ein piezoelektrischer
Transformator für
diese Verwendung besonders gut geeignet erscheint.
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Jedoch ist auch bekannt, dass die
Lebensdauer einer Elektrolumineszenzvorrichtung schnell abnimmt,
wenn die Frequenz ihrer Versorgungsspannung einige zehn Kilohertz,
beispielsweise 30 oder 40 Kilohertz, überschreitet. Eine solche Vorrichtung
kann folglich nicht durch die von einem herkömmlichen piezoelektrischen
Transformator gelieferte Spannung gespeist werden, da die Frequenz
dieser Spannung viel zu hoch wäre.
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Es kann hier erwähnt werden, dass auch andere
piezoelektrische Transformatoren in dem bereits erwähnten Patent
US 2.974.296 sowie in den
Patenten
US 5.214.236 ,
US 5.365.141 ,
US 5.371.430 und
US 5.440.195 beschrieben sind. Jedoch
können
diese Transformatoren nicht zur Lösung des oben erwähnten Problems
verwendet werden, da auf Grund dessen, dass ihre Abmessungen klein
sind, die Grund-Resonanzfrequenz der Schwingungsart ihres Körpers ebenfalls
sehr hoch ist. Es muss ferner angemerkt werden, dass der Körper aller
dieser Transformatoren die Form eines Quaders aufweist und dass
diese Transformatoren folglich nicht der oben gegebenen allgemeinen
Definition entsprechen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es folglich, einen piezoelektrischen Transformator vorzuschlagen,
der dieser allgemeinen Definition entspricht, jedoch ausreichend
kleine Abmessungen besitzt, damit er in einer Vorrichtung, in der
der verfügbare
Platz begrenzt ist, verwendet werden kann und dennoch so beschaffen
ist, dass sein Körper
in einer Art mit einer ausreichend tiefen Grundfrequenz schwingen
kann, damit die Sekundärspannung,
die von ihm erzeugt wird, in allen Fällen, in denen die Frequenz
der von einem herkömmlichen
Transformator mit denselben Abmessungen erzeugten Sekundärspannung
zu hoch ist, verwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den piezoelektrischen
Transformator, dessen Merkmale in dem beigefügten Anspruch 1 angeführt sind,
gelöst.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der
vorliegenden Erfindung werden durch die Beschreibung einiger ihrer
Ausführungsformen,
die als nicht einschränkende
Beispiele gewählt
sind, deutlich gemacht, wobei die folgende Beschreibung mit Hilfe
der beigefügten
Zeichnung erstellt worden ist, worin:
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1 eine
erste Fläche
eines piezoelektrischen Transformators ge mäß der vorliegenden Erfindung schematisch
zeigt;
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2 einen
Schnitt des Transformators von 1 schematisch
zeigt, der längs
der Achse II-II dieser 1 erstellt
worden ist;
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3 die
zweite Fläche
des Transformators von 1 schematisch
zeigt;
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4 eine
Art und Weise des Betriebs des Transformators der 1 bis 3 schematisch
zeigt;
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5 die
Verformung des Körpers
des Transformators der 1 bis 3 schematisch zeigt;
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6 eine
Kennlinie des Körpers
des Transformators der 1 bis 3 schematisch zeigt;
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7 eine
weitere Ausführungsform
des Transformators gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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8 eine
Art und Weise des Betriebs des Transformators von 7 schematisch zeigt; und
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9 eine
weitere Art und Weise des Betriebs des Transformators von 7 schematisch zeigt.
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Die 1 bis 3 zeigen schematisch eine
Ausführungsform
des Transformators gemäß der vorliegenden
Erfindung, der mit dem allgemeinen Bezugszeichen 1 bezeichnet
ist.
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Der Transformator 1 umfasst
einen Körper 2,
der einteilig aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist,
dessen Eigenschaft nicht präzisiert
wird, da es irgendeines der verschiedenen piezoelektrischen Materialien
sein kann, die Spezialisten wohlbekannt sind.
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Wenn der Transformator 1 nicht
arbeitet, besitzt der Körper 2 die
Form eines zylindrischen Rings mit zwei ebenen Flächen 3 und 4,
die zueinander parallel sind und jeweils in den 1 und 3 gezeigt
sind.
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Die äußeren und inneren seitlichen
Oberflächen
des Körpers 2 besitzen
jeweils die Form eines kreisförmigen
geraden Zylinders mit einer Kreissymmetrieachse, die mit dem Bezugszeichen
A bezeichnet ist. Diese äußeren und
inneren seitlichen Oberflächen
sind wie die Zylinder, die sie bilden, mit dem Bezugszeichen E bzw.
I bezeichnet. Außerdem
sind die Schnitte dieser seitlichen Oberflächen E und I mit den Ebenen
der Flächen 3 und 4,
die die äußeren und
inneren Konturen der auf die Achse A zentrierten Kreise bilden,
mit den Bezugszeichen E1, E2, I1 bzw. I2 bezeichnet.
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Aus einem Grund, der weiter unten
offenbar wird, ist in 2 durch
eine strichpunktierte Linie mit dem Bezugszeichen C der kreisförmige gerade
Zylinder gezeigt, der eine Achse, die mit der Achse A übereinstimmt, und
einen Durchmesser, der gleich dem arithmetischen Mittelwert der
Durchmesser der Zylinder ist, die die seitlichen Oberflächen E und
I bilden, besitzt. Ferner sind die Spuren dieses Zylinders C in
den Flächen 3 und 4 auch
in den 1 und 3 durch strichpunktierte
Linien mit den jeweiligen Bezugszeichen C1 und C2 gezeigt.
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Das piezoelektrische Material des
Körpers 2 ist
in einer Richtung parallel zu der Achse A und in einer Richtung,
die von der Fläche 3 zu
der Fläche 4 verläuft, gleichmäßig polarisiert.
Diese Polarisation ist durch die in 2 gezeigten
Pfeile P symbolisiert.
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Der Transformator 2 umfasst
außerdem
acht Elektroden, die auf der Fläche 3 des
Körpers 2 angeordnet
und mit den Bezugszeichen 5 bis 12 bezeichnet
sind.
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Unter diesen sind die Elektroden 5 bis 8 an
dem Umfang der Fläche 3 außerhalb
des Kreises C1 angeordnet. Diese Elektroden 5 bis 8 belegen
folglich etwas weniger als die Hälfte
der Breite dieser Fläche 3 und sind
jeweils in einem Zentrumswinkel einbeschrieben, der etwas kleiner
als 90° ist.
Ferner sind diese Elektroden 5 bis 8 elektrisch
voneinander isoliert.
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Aus einem Grund, der weiter unten
offenbar wird, sind in den 1 und 3 mit den Bezugszeichen N1 und
N2 außerdem
die beiden Ebenen gezeigt, die sich unter Bildung von vier Winkeln
von 90° auf
der Achse A schneiden und zwischen den Elektroden 5 und 6 einerseits
und 7 und 8 andererseits bzw. zwischen den Elektroden 5 und 8 einerseits
und 6 und 7 andererseits verlaufen. Die Spuren
dieser Ebenen N1 und N2 sind in den 1 und 3 durch strichpunktierte
Linien angegeben, die mit genau denselben Bezugszeichen bezeichnet
sind. Ferner sind die vier Zonen des Raums, die durch diese Ebenen
N1 und N2 definiert sind und jeweils eine der Elektroden 5 bis 8 enthalten,
mit den Bezugszeichen Z1 bis Z4 bezeichnet.
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Die Elektrode 9 bis 12 sind
auf dem inneren Abschnitt der Fläche 3 des
Körpers 2 innerhalb
des Kreises C1 angeordnet und belegen ebenfalls etwas weniger als
die Hälfte
der Breite dieser Fläche 3,
wobei zwischen sich und den Elektroden 5 bis 8 einen
Isolationsraum belassen. Diese Elektroden 9 bis 12 sind
ebenfalls jeweils in einem Zentrumswinkel einbeschrieben, der etwas
kleiner als 90° ist,
und befinden sich jeweils in den oben definierten Zonen Z1 bis Z4.
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Die Elektroden 9 bis 12 sind
ebenfalls elektrisch voneinander isoliert, jedoch ist jede von ihnen
mit genau einer einzigen der Elektroden 5 bis 8 durch
Leiterbahnen, die mit den Bezugszeichen 13 bis 16 bezeichnet sind,
verbunden.
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Genauer, die Bahnen 13 bis 16 verbinden
jeweils die Elektroden 5 und 10, 6 und 11, 7 und 12 sowie 8 und 9.
Außerdem
sind die Bahnen 13 bis 16 so angeordnet, dass
jede von ihnen einen der Punkte einschließt, in denen die Spuren der
Ebenen N1 und N2 den Mittelkreis C1 schneiden.
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Der Transformator 1 umfasst
ferner acht weitere Elektroden, die auf der Fläche 4 des Körpers 2 angeordnet
und mit den Bezugszeichen 17 bis 24 bezeichnet
sind. Diese Elektroden 17 bis 24 liegen jeweils
den Elektroden 5 bis 12 gegenüber und sind den Letzteren ähnlich.
Diese Elektroden 17 bis 24 werden nicht näher beschrieben.
Es sei lediglich erwähnt,
dass die Leiterbahnen 25 bis 28 jeweils die Elektroden 17 und 22, 18 und 23, 19 und 24 sowie 20 und 21 verbinden.
Ferner sind diese Bahnen 25 bis 28 so angeordnet,
dass jede von ihnen einen der Punkte einschließt, in denen die Ebenen N1
und N2 den Kreis C2 schneiden.
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Es muss angemerkt werden, dass die
Dicke der Elektroden 6, 8, 10, 12, 18, 20, 22 und 24,
die in dem Schnitt in 2 sichtbar
sind, stark übertrieben
ist, um die Klarheit dieser 2 zu
erhöhen.
Dem Fachmann ist klar, dass diese Elektroden sowie alle jene, die
nicht sichtbar sind, und die Leiterbahnen 13 bis 16 und 25 bis 28 in
herkömmlicher
Weise durch einfache Ablagerung einer äußerst dünnen Metallschicht auf die
Flächen 3 und 4 des
Körpers 2 verwirklicht
sind.
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Der Transformator 1 umfasst
außerdem
Mittel zur Verbindung seiner Elektroden 5 bis 12 und 17 bis 24 mit
den Schaltungen, die ihm die Erregungsspannung für die Schwingung seines Körpers 2 liefern
und die die sich aus dieser Schwingung ergebende Spannung verwenden.
Diese Schwingung und die Art und Weise, in der sie die letztgenannte
Spannung erzeugt, werden weiter unten beschrieben.
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In dem vorliegenden Beispiel sind
diese Verbindungsmittel aus Stiften 29 bis 36 aus
einem leitenden Material gebildet, wovon jeder ein Ende aufweist,
das beispielsweise durch Löten
an einer der Leiterbahnen 13 bis 16 und 25 bis 28 befestigt
ist.
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Außerdem sind diese Stifte 29 bis 36 aus
einem Grund, der weiter unten offenbar wird, vorzugsweise in den
Punkten, in denen die Spuren der Ebenen N1 und N2 jeweils die Kreise
C1 und C2 schneiden, wie dies in den 1 und 3 ge zeigt ist, an den Bahnen 13 bis 16 und 25 bis 28 befestigt.
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Beim Lesen der weiter unten ausgeführten Beschreibung
der Funktionsweise des Transformators 1 wird dem Fachmann
sofort deutlich, dass diese Stifte 29 bis 36 oder
wenigstens bestimmte von ihnen auch zum mechanischen Befestigen
des Transformators 1 an einem geeigneten Träger dienen
können.
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Bevor mit der Beschreibung der Funktionsweise
des Transformators 1 begonnen wird, soll nochmals darauf
eingegangen werden, dass der Letztere zwei zueinander senkrechte
Symmetrieebenen S1 und S2 aufweist, die gleichzeitig die Halbierungsflächen der
durch die oben erwähnten
Ebenen N1 und N2 gebildeten Winkel sind. Die Spuren dieser Ebenen
S1 und S2 sind in den 1 und 3 durch strichpunktierte
Linien angegeben, die die gleichen Bezugszeichen tragen.
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Es ist zu sehen, dass jede der Elektroden 5, 7, 9, 11, 17, 19, 21 und 23 symmetrisch
in Bezug auf die Ebene S1 ist und dass jede der Elektroden 6, 8, 10, 12, 18, 20, 22 und 24 symmetrisch
in Bezug auf die Ebene S2 ist. Ferner sind die Elektroden 5, 9, 17 und 21 in
Bezug auf die Ebene S2 jeweils zu den Elektroden 7, 11, 19 und 23 symmetrisch,
während
die Elektroden 6, 10, 18 und 22 in
Bezug auf die Ebene S1 jeweils zu den Elektroden 8, 12, 20 und 24 symmetrisch
sind.
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Die oben geschilderte Funktionsweise
des Transformators 1 wird in einem bestimmten Fall, der
in 1 gezeigt ist und
als nicht einschränkendes
Beispiel genommen wird erläutert.
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In diesem Beispiel sind die Verbindungsstifte 29 und 31 miteinander
sowie mit einer Anschlussklemme BP1 elektrisch verbunden. Ebenso
sind die Verbindungsstifte 33 und 35 miteinander
sowie mit einer Anschlussklemme BP2 elektrisch verbunden. Ferner
sind die Verbindungsstifte 30 und 32 miteinander
und mit einer Anschlussklemme BS1 elektrisch verbunden und auch
die Verbindungsstifte 34 und 36 miteinander sowie
mit einer Anschlussklemme BS2 elektrisch verbunden.
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Diese Verbindungen zwischen den Verbindungsstiften 29 bis 36 und
den Anschlussklemmen BP1, BP2, BS1 und BS2 werden nicht näher beschrieben,
da ihre Verwirklichung dem Fachmann keinerlei Problem bereitet.
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Wie weiter unten offenbar wird, sind
die Anschlussklemmen BP1 und BP2 dazu bestimmt, die an den Transformator 1 angelegte
Wechselspannung oder Primärspannung
aufzunehmen. Ähnlich
sind die Anschlussklemmen BS1 und BS2 jene, zwischen denen die von
diesem Transformator 1 erzeugte Spannung oder Sekundärspannung
abgenommen werden kann. Die Primärspannung
und die Se kundärspannung
werden Spannung Up bzw. Spannung Us genannt.
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Dem Fachmann ist klar, dass die Anschlussklemmen
BP1 und BP2 in der Praxis eventuell nicht vorkommen und die Spannung
Up dann direkt, beispielsweise zwischen den Verbindungsstiften 29 und 33,
angelegt wird. Ähnlich
können
die Anschlussklemmen BS1 und BS2 in Praxis eventuell nicht vorkommen,
wobei die Spannung Us dann direkt, beispielsweise zwischen den Verbindungsstiften 30 und 34,
abgenommen wird.
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Die Elektroden 5 bis 12 und 17 bis 24 des
Transformators 1 wie auch die Leiterbahnen 13 bis 16 und 25 bis 28 sind
in 4 ebenfalls sehr
schematisch gezeigt.
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Es ist zu sehen, dass in diesem Fall
die Elektroden 5, 7, 10 und 12 miteinander
und mit der Anschlussklemme BP1 verbunden sind und ebenso die Elektroden 17, 19, 22 und 24 mit
der Anschlussklemme BP2. Ferner sind die Elektroden 6, 8, 9 und 11 miteinander
und mit der Anschlussklemme BS1 verbunden und ebenso die Elektroden 18, 20, 21 und 23 mit
der Anschlussklemme BS2.
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Mit anderen Worten, auf jeder der
Flächen 3 und 4 des
Körpers 2 sind
die äußeren Elektroden,
die in zwei diametral entgegengesetzten Zonen liegen, miteinander
und mit den in den beiden anderen Zonen liegenden inneren Elektroden
verbunden. So sind beispielsweise die äußeren Elektroden 5 und 7,
die auf der Fläche 3 in
den Zonen Z1 bzw. Z3 liegen, mit den inneren Elektroden 10 und 12,
die auf derselben Fläche 3, jedoch
in den Zonen Z2 bzw. Z4 liegen, verbunden.
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Die Quelle, die dem Transformator 1 die
Primär-Wechselspannung
Up liefert, und die Vorrichtung, die durch die von dem Transformator 1 gelieferte
Sekundär-Wechselspannung
Us gespeist wird, sind mit den Bezugszeichen 41 bzw. 42 ebenfalls
in 4 gezeigt.
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Die Quelle 41 wird nicht
beschrieben, da sie in beliebiger Weise verwirklicht sein kann.
Außerdem
ist dem Fachmann klar, dass die Form der Primärspannung Up beliebig sein
kann. Insbesondere kann diese Spannung Up sinusförmig sein oder die Form aufweisen,
die allgemein als rechteckig bezeichnet wird und in der sie abwechselnd
einen ersten konstanten Wert und einen zweiten konstanten Wert besitzt,
der im Absolutwert gleich dem ersten, jedoch im Vorzeichen jenem
entgegengesetzt ist.
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Die genaue Beschaffenheit der Vorrichtung 42 wird
hier nicht präzisiert,
da sie irgendeine der verschiedenen Vorrichtungen sein kann, die
durch eine Wechselspannung wie etwa die Spannung Us gespeist werden müssen.
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Es ist zu sehen, dass die Wechselspannung
Up das Anlegen eines elektrischen Feldes F, das demgemäß ein Wechselfeld
ist, an die vier Abschnitte des Körpers 2, die sich
zwischen den Elektrodenpaaren 5 und 17, 7 und 19, 10 und 22 bzw.
12 und 24 befinden, hervorruft. Im Zuge dieser Beschreibung werden
diese Elektroden 5, 7, 10, 12, 17, 19, 22 und 24 Primärelektroden
und die Abschnitte des Körpers 2,
die sie abgrenzen, Primärabschnitte
genannt.
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Das elektrische Feld F besitzt eine
Richtung, die parallel zu jener der Achse A und folglich zu der
Richtung der Polarisation P des Materials des Körpers 2 ist, und einen
Richtungssinn, der abwechselnd dem Richtungssinn dieser Polarisation
P und dem entgegengesetzten Richtungssinn entspricht.
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Wie wohlbekannt ist, ruft die elektromechanische
Querkopplung des Feldes F mit dem Material des Körpers 2, die gewöhnlich elektromechanische
Kopplung 31 genannt wird, das Ausüben von mechanischen Spannungen
an den oben definierten vier Primärabschnitten des Körpers 2 hervor.
Da das Feld F abwechselnd die beiden oben erwähnten Richtungssinne besitzt,
rufen diese mechanischen Spannungen, was ebenfalls wohlbekannt ist,
abwechselnd eine Kontraktion oder Zusammenziehung und eine Expansion
oder Ausdehnung dieser vier Primärabschnitte
in allen zu der Achse A senkrechten Richtungen hervor.
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Es ist zu sehen, dass ein erster
und ein zweiter dieser oben definierten vier Primärabschnitte,
d. h. diejenigen, die sich zwischen den Elektroden 5 und 17 bzw. 7 und 19 befinden,
die äußeren Abschnitt
des Körper
sind, die jeweils in einer ersten und einer zweiten der ebenfalls
oben definierten vier Zonen, d. h. den Zonen Z1 und Z3, liegen.
Dieser erste und dieser zweite Primärabschnitt sind in Bezug auf
die Ebene S2 zueinander symmetrisch, wobei jeder von ihnen in Bezug
auf die Ebene S1 symmetrisch ist.
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Es ist außerdem zu sehen, dass der dritte
und der vierte Primärabschnitt,
d. h. diejenigen, die sich zwischen den Elektroden 10 und 22 bzw. 12 und 24 befinden,
die inneren Abschnitte des Körpers 2 sind,
die jeweils in der dritten und der vierten Zone des Körpers 2,
d. h. den Zonen Z2 und Z4, liegen. Dieser dritte und dieser vierte
Primärabschnitt
sind in Bezug auf die Ebene S1 zueinander symmetrisch, wobei jeder
von ihnen in Bezug auf die Ebene S2 symmetrisch ist.
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Natürlich unterliegen diese vier
Primärabschnitte
in Reaktion auf das elektrische Feld F denselben Spannungen, entweder
einer Expansionsspannung oder dehnenden Spannung oder einer Kontraktionsspannung
oder zusammenziehenden Spannung.
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Die Tatsache, dass zwei dieser Primärabschnitte äußere Abschnitte
des Körpers 2 sind,
in Bezug auf die Ebene S2 zueinander symmetrisch sind und jeweils
in Bezug auf die Ebene S1 symmetrisch sind und dass die zwei anderen
Primärabschnitte
innere Abschnitte dieses Körpers 2 sind,
in Bezug auf die Ebene S1 zueinander symmetrisch sind und jeweils
in Bezug auf die Ebene S2 symmetrisch sind, hat die Auswirkung,
dass dann, wenn die Frequenz der Primärspannung Up wenigstens im
Wesentlichen gleich einer bestimmten Frequenz fr ist, die weiter
unten präzisiert
wird, die oben erwähnten
abwechselnden Spannungen eine Schwingung des Körpers 2 in einer bestimmten
Art hervorrufen, die aus einem Grund, der ebenfalls weiter unten
aufgezeigt wird, als bielliptisch bezeichnet wird. Wie noch zu sehen
ist, ist diese bielliptische Art oder bielliptische Welle, deren
Frequenz fr die Grund-Resonanzfrequenz ist, völlig verschieden von den Schwingungsarten
des Körpers
der oben beschriebenen herkömmlichen
Transformatoren, in denen die Grundform dieses Körpers unverändert bleibt.
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Diese bielliptische Schwingungsart
wird im Folgenden anhand von 5 näher beschrieben.
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Es muss angemerkt werden, dass nur
die Fläche 3 des
Körpers 2 in 5 sichtbar ist. Außerdem sind die
Elektroden 5 bis 12, die Leiterbahnen 13 bis 16 und
die Verbindungsstifte 29 bis 32, die auf dieser
Fläche 3 angeordnet
sind, in 5 nicht gezeigt,
um sie nicht unnötig
zu überladen.
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In 5 sind
die äußeren E1
und inneren I1 Konturen der Fläche 3 durch
durchgezogene Linien gezeigt, und zwar in der Kreisform, die sie
haben, wenn der Körper 2 nicht
schwingt. Außerdem
ist der Mittelkreis C1 als strichpunktierte Linie gezeigt.
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Es muss außerdem angemerkt werden, dass
zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung als große Achse
und als kleine Achse der verschiedenen elliptischen Zylinder, die
erwähnt
werden, etwas bezeichnet wird, was in Wirklichkeit die große Achse
bzw. die kleine Achse der durch den Schnitt dieser elliptischen
Zylinder mit irgendeiner der zu der Achse A senkrechten Ebenen ist.
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Die oben erwähnte besondere Schwingungsart
des Körpers 2 wird
als bielliptisch bezeichnet, weil dieser Körper 2, wenn er in
dieser Art schwingt, abwechselnd die Form eines ersten und eines
zweiten elliptischen Rings annimmt. Diese elliptischen Ringe sind
ferner veränderlich,
wie weiter unten gezeigt wird.
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Mit anderen Worten, wenn der Körper 2 in
dieser bielliptischen Art schwingt, nimmt seine äußere Wand E abwechselnd die
Form eines ersten und eines zweiten elliptischen Zylinders an, die
als äußere Zylinder
bezeichnet werden, während
die innere Wand 1 dieses Körpers 2 jeweils die
Form eines weiteren ersten und eines weiteren zweiten elliptischen
Zylinders annimmt, die als innere Zylinder bezeichnet werden.
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Genauer liegen die großen Achsen
des ersten und des zweiten äußeren elliptischen
Zylinders ebenso wie die großen
Achsen des ersten und des zweiten inneren elliptischen Zylinders
jeweils in den Ebenen S1 bzw. S2. Außerdem liegen die kleinen Achsen
des ersten und des zweiten äußeren elliptischen
Zylinders sowie die kleinen Achsen des ersten und des zweiten inneren
elliptischen Zylinders jeweils in den Ebenen S2 und S1. Alle diese
großen
Achsen und alle diese kleinen Achsen sind natürlich senkrecht zu der Achse
A.
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Wenn die äußere Wand E und die innere
Wand 1 des Körpers 2 die
Form eines der oben erwähnten äußeren bzw.
inneren elliptischen Zylinder haben, verändert sich außerdem die
Länge der
großen
Achse jedes dieser elliptischen Zylinder regelmäßig, indem sie ausgehend von
einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert zunimmt und dann zu ihrem
Minimalwert abnimmt. Die äußere E und
die innere 1 Wand nehmen anschließend die Form des anderen äußeren bzw.
inneren elliptischen Zylinders an, nachdem sie die kreisförmige Zylinderform,
die sie haben, wenn keine Schwingung des Körpers 2 auftritt,
durchlaufen haben.
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Gleichzeitig verändert sich ebenso die Länge der
kleinen Achse jedes dieser elliptischen Zylinder regelmäßig, jedoch
in umgekehrtem Sinne, wobei diese Länge ausgehend von einem Maximalwert
bis zu einem Minimalwert abnimmt und dann bis zu ihrem Maximalwert
zunimmt, derart, dass das Volumen des Körpers 2 konstant bleibt.
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Es ist offensichtlich, dass der mittlere
Zylinder C, wenn der Körper 2 in
der soeben beschriebenen Weise schwingt, abwechselnd die Form eines
ersten und eines zweiten elliptischen Zylinders annimmt, die als
mittlere Zylinder bezeichnet werden, deren großen Achsen ebenfalls jeweils
in den Ebenen S1 und S2 liegen und deren kleine Achsen ebenfalls
jeweils in den Ebenen S2 und S1 liegen. Außerdem verändert sich die Länge der
großen
Achsen und der kleinen Achsen dieser mittleren elliptischen Zylinder
in einer Weise, die zu jener, die oben schrieben worden ist, analog
ist.
-
Es muss noch angemerkt werden, dass
bei Fehlen der Schwingung die minimale Länge der großen Achse jedes der oben erwähnten äußeren, inneren
und mittleren elliptischen Zylinder und die maximale Länge der
kleinen Achse natürlich
gleich dem Durchmesser der äußeren Wand
E, der inneren Wand 1 bzw. des mittleren Zylinders ist.
Die maximale Länge
dieser großen
Achsen und die minimale Länge
dieser kleinen Achsen hängen
von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise den mechanischen und
elektromechanischen Eigenschaften des Materials des Körpers 2 und
der Frequenz und der Amplitude der Primärspannung Up ab. Dem Fachmann
ist klar, dass dann, wenn alle anderen Dinge gleich sind, diese
maximale Länge
dieser großen
Achsen und diese minimale Länge
dieser kleinen Achsen jeweils ihren größten und ihren kleinsten Wert
besitzen, wenn die Frequenz der Spannung Up gleich der Grund-Resonanzfrequenz
fr der bielliptischen Resonanzschwingung des Körpers 2 ist.
-
5 zeigt
Beispiele von verschiedenen Ellipsen, die durch den Schnitt der
oben beschriebenen elliptischen Zylinder mit der Ebene der Fläche 3 des
Körpers 2 gebildet
werden.
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So sind in 5 ein Beispiel einer ersten äußeren Ellipse
und ein Beispiel einer zweiten äußeren Ellipse
in gestrichelten Linien gezeigt und mit den Bezugszeichen E11 bzw.
E12 bezeichnet.
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Ebenso sind die entsprechenden Beispiele
der ersten inneren Ellipse und der zweiten inneren Ellipse, ebenfalls
in gestrichelten Linien, gezeigt und mit den Bezugszeichen I11 bzw.
I12 bezeichnet.
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Außerdem sind die entsprechenden
Beispiele der ersten mittleren Ellipse und der zweiten mittleren
Ellipse in strichpunktierten Linien gezeigt und mit den Bezugszeichen
C11 bzw. C12 bezeichnet.
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Es muss angemerkt werden, dass die
verschiedenen, in 5 gezeigten
Ellipsen stark übertrieben gezeigt
sind, während
der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Länge ihrer
großen
Achsen und ihrer kleinen Achsen in der Praxis im Allgemeinen kleiner
als ein Tausendstel dieser Längen
beträgt.
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Die Schwingung des Körpers 2 in
der oben beschriebenen bielliptischen Art ruft natürlich das
Ausüben von
abwechselnden mechanischen Kontraktionsund Expansionsspannungen
in den zu der Achse A senkrechten Richtungen an den vier Abschnitten
des Körpers 2 hervor,
die sich zwischen den Elektrodenpaaren 6 und 18, 8 und 20, 9 und 21 bzw. 11 und 23 befinden.
Diese vier Abschnitte werden im Zuge dieser Beschreibung als Sekundärabschnitte
bezeichnet.
-
Bekanntermaßen ruft die bereits erwähnte elektromechanische
Kopplung 31 zwischen den abwechselnden Spannungen und der
Polarisation P des Materi als des Körpers 2 die Bildung
eines elektrischen Feldes F' in
diesen Sekundärabschnitten
hervor. Diese Feld F' ist
ebenfalls ein Wechselfeld und besitzt eine Richtung, die parallel
zu jener dieser Polarisation P ist, und einen Richtungssinn, der
abwechselnd dem Richtungssinn dieser Polarisation P und dem ihm
entgegengesetzten Richtungssinn entspricht. Wie ebenfalls bekannt
ist, ruft dieses Feld F' das
Auftreten der Sekundär-Wechselspannung
Us zwischen den oben angeführten
Elektrodenpaaren, die die Sekundärabschnitte
des Körpers 2 abgrenzen,
und folglich zwischen den Anschlussklemmen BS1 und BS2 des Transformators 1 hervor.
-
In dem oben beschriebenen Beispiel
sind ein erster und ein zweiter der vier Sekundärabschnitte, d. h. jene, die
sich zwischen den Elektroden 9 und 21 bzw. 11 und 23 befinden,
innere Abschnitte des Körpers 2 und
liegen jeweils in der ersten und in der zweiten der oben definierten
Zonen, d. h. den Zonen Z1 und Z3, in denen auch der erste bzw. der
zweite Primärabschnitt,
die ebenfalls oben definiert worden sind, liegen. Dieser erste und
dieser zweite Sekundärabschnitt
sind ebenfalls in Bezug auf die Ebene S2 zueinander symmetrisch und
jeder von ihnen in Bezug auf die Ebene S1 symmetrisch.
-
Ebenso sind der dritte und der vierte
Sekundärabschnitt,
d. h. jene, die sich zwischen den Elektroden 6 und 18 bzw. 8 und 20 befinden, äußere Abschnitte
des Körpers 2 und
liegen jeweils in der dritten und in der vierten der oben definierten
Zonen, d. h., den Zonen Z2 und Z4, in denen sich auch der dritte
bzw. vierte Primärabschnitt,
die ebenfalls oben definiert worden sind, liegen. Dieser dritte
und dieser vierte Sekundärabschnitt
sind ebenfalls in Bezug auf die Ebene S1 zueinander symmetrisch
und jeder von ihnen in Bezug auf die Ebene S2 symmetrisch.
-
Jedoch ist das Material des Körpers 2 in
allen zu der Achse A senkrechten Richtungen isotrop. Daraus ergibt
sich, dass die Abschnitte des Körpers 2,
die in dem vorliegenden Beispiel als Primärabschnitte gewählt worden
sind, auch genauso gut als Sekundärabschnitte gewählt werden
können,
und umgekehrt.
-
Ebenso können die Elektroden, die als
Primärelektroden
gewählt
worden sind, als Sekundärelektroden
gewählt
werden, und umgekehrt.
-
Allgemein kann folglich gesagt werden,
dass jede der Flächen 3 und 4 des
Körpers 2 des
Transformators 1 eine erste und eine zweite Primärelektrode
umfasst, die äußere Elektroden
sind, die in Bezug auf eine erste der Ebenen S1 und S2 zueinander
symmetrisch sind und jeweils in Bezug auf die zweite dieser Ebe nen S1
und S2 symmetrisch sind.
-
Jede dieser Flächen 3 und 4 umfasst
außerdem
eine dritte und eine vierte Primärelektrode,
die innere Elektroden sind, die in Bezug auf die zweite dieser oben
definierten Ebenen zueinander symmetrisch sind und jeweils in Bezug
auf die erste dieser Ebenen symmetrisch sind.
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Außerdem umfasst jede der Flächen 3 und 4 eine
erste und eine zweite Sekundärelektrode,
die innere Elektroden sind, die in Bezug auf die erste der oben
definierten Ebenen zueinander symmetrisch sind und jeweils in Bezug
auf die zweite dieser Ebenen symmetrisch sind.
-
Schließlich umfasst jede der Flächen 3 und 4 eine
dritte und eine vierte Sekundärelektrode,
die äußere Elektroden
sind, die in Bezug auf die zweite der oben definierten Ebenen zueinander
symmetrisch sind und jeweils in Bezug auf die erste dieser Ebenen
symmetrisch sind.
-
Es muss angemerkt werden, dass dann,
wenn der Körper 2 in
der oben beschriebenen bielliptischen Art schwingt, der ebenfalls
oben definierte erste mittlere elliptische Zylinder die Ebenen N1
und N2 in vier Geraden schneidet, die zur Achse A, deren Lage unabhängig von
der Amplitude der Schwingung des Körpers 2 fest ist,
parallel sind und außerdem
jene sind, in denen der mittlere kreisförmige Zylinder die Ebenen N1
und N2 schneidet. Ferner schneidet der zweite mittlere elliptische
Zylinder diese Ebenen N1 und N2 in den gleichen vier Geraden.
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Diese vier Geraden sind folglich
Knotengeraden der bielliptischen Schwingung des Körpers 2,
während
die Punkte, in denen sie die Ebenen der Flächen 3 und 4 des
Körpers 2 schneiden,
Knotenpunkte dieser Schwingung sind. Dies ist der Grund, weshalb
die Verbindungsstifte 29 bis 32 vorzugsweise in
diesen Punkten befestigt sind, wie bereits erwähnt worden ist.
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Theoretische Überlegungen, die hier nicht
nachvollzogen werden, zeigen, dass die Grund-Resonanzfrequenz fr
der bielliptischen Schwingungsart eines Rings wie etwa des Körpers
2 durch
die folgende Gleichung gegeben ist:
in er:
– Re der
Außenradius
des Körpers
2 bei
fehlender Schwingung des Körpers
2 ist;
– α ein analytisch
bestimmter Koeffizient ist, der von dem Verhältnis Ri/Re zwischen dem Innenradius
Ri und dem Außenradius
Re des Körpers
2,
ebenfalls bei fehlender Schwingung des Körpern
2, ist;
– E der
Elastizitätsmodul
des Materials des Körpers
2 ist;
– ρ die spezifische
Masse des Körpers
2 ist;
und
– ν der Poisson-Koeffizient
des Materials des Körpers
2 ist.
-
6 zeigt
die Änderung
des oben erwähnten
Koeffizienten α in
Abhängigkeit
von dem Verhältnis Ri/Re
zwischen dem Innenradius Ri und dem Außenradius Re des Körpers 2.
Es ist zu sehen, dass sich der Koeffizient α im vorliegenden Fall von etwa
1,37 bei einem Verhältnis
Ri/Re gleich null, d. h. bei einer Vollscheibe, zu etwa 0,17 bei
einem Verhältnis
Ri/Re gleich 0,9 ändert.
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Wenn die Verwendung jener Keramik
gewählt
wird, die gemeinhin als PZT (Blei-Titan-Zirkonat) bezeichnet wird,
wohlbekannt ist und häufig
verwendet wird, ergibt sich: E = 67·109 Pascal; ρ = 7,5·103 kgm–3;
und ν =
0,3.
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Wenn ferner willkürlich für den Außenradius Re und den Innenradius
Ri des Körpers
Werte gewählt werden,
die beispielsweise gleich 8 mm bzw. 5 mm sind, und sich folglich
ein Verhältnis
Ri/Re gleich 0,625 ergibt, zeigt 6,
dass der Koeffizient α einen
Wert von etwa 0,38 besitzt.
-
Unter diesen Bedingungen ergibt die
obige Gleichung (1): fr = 23,68 kHz
-
Wenn die Resonanzfrequenz fr einen
bestimmten Wert, beispielsweise 25 kHz, haben soll und der Außenradius
Re, ebenfalls als Beispiel, gleich 6 mm sein soll, zeigt die obige
Gleichung (1), dass der Koeffizient α bei gleichen Material wie in
dem vorhergehenden Beispiel gleich 0,30 sein muss. Das Verhältnis Ri/Re
muss nach 6 folglich
gleich 0,7 sein, was für
den Innenradius Ri dieses Körpers 2 einen
Wert von 4,2 mm ergibt.
-
Die oben erwähnten theoretischen Überlegungen
zeigen außerdem,
dass dann, wenn die Sekundärseite
des Transformators
1 mit keiner Last verbunden ist und
die Frequenz der Spannung Up gleich der durch die obige Gleichung
(1) gegebenen Grund-Resonanzfrequenz ist, das Verhältnis zwischen
der Sekundärspannung
Us und der Primärspannung
Up, d. h. das Leerlaufübersetzungsverhältnis T
des Transformators
1, durch die folgende Gleichung gegeben
ist:
in der:
– Q der Überspannungsfaktor
oder Qualitätsfaktor
des Körpers
2 ist
und von den mechanischen Eigenschaften des Materials dieses Körpers
2 abhängt; und
– k der
Koeffizient der effektiven elektromechanischen Kopplung des Materials
des Körpers
2 in
der in dem vorliegenden Beispiel verwendeten und bereits erwähnten Kopplungsart
31 ist.
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Es ist zu sehen, dass dieses Übersetzungsverhältnis nur
von den Materialeigenschaften des Körpers und nicht von den Abmessungen
des Letzteren abhängt.
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Wenn das Material des Körpers 2 jenes
ist, das in den obigen Beispielen erwähnt worden ist, ergibt sich: Q = 800; und k = 0,2.
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In diesem Fall ergibt die obige Gleichung
(2): T = 33,3
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Es muss angemerkt werden, dass die
Dicke des Körpers 2,
d. h. seine Abmessung in der zu der Achse A parallelen Richtung,
nicht in den obigen Gleichungen (1) und (2) vorkommt,
so dass die Resonanzfrequenz fr und das Übersetzungsverhältnis T
von dieser Dicke unabhängig
sind. Dem Fachmann ist klar, dass die mechanische Festigkeit des
Körpers 2,
die natürlich
von seiner Dicke abhängt,
jedoch ausreichend große
sein muss, damit er die mechanischen Spannungen, denen er während seiner
Schwingung unterworfen ist, aushält.
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Ferner weiß der Fachmann auch, dass die
Dicke des Körpers 2 den
Wert der Primär-
und Sekundärimpedanzen
des Transformators 1 beeinflusst.
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Die oben erwähnten theoretischen Überlegungen,
die auch das Berechnen des Wertes der von dem Körper 2 während seiner
Schwingung erfahrenen mechanischen Spannungen ermöglichen,
zeigen, dass dieser Körper 2 im
Allgemeinen eine Dicke in der Größenordnung
von 1 mm oder sogar kleiner als 1 mm je nach Material, aus dem er
gefertigt ist, haben kann, ohne dass seine mechanische Festigkeit
unzureichend wird. Der genaue Wert dieser Dicke wird natürlich so
festgelegt, dass die Primär-
und Sekundärimpedanzen
die gewünschten
Werte besitzen.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform
des Transformators gemäß der vorliegenden
Erfindung, der in diesem Fall mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet
ist.
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Der Transformator 51 weist
einen Körper 52 auf,
der zwei Teile in Gestalt von kreisförmigen Ringen 53 und 54 umfasst,
die einander völlig
gleichen und eine Kreissymmetrieachse besitzen, die ebenso mit dem
Bezugszeichen A bezeichnet ist.
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Die Ringe 53 und 54 sind
aus einem piezoelektrischen Material, das ebenfalls irgendeines
der den Spezialisten wohlbekannten piezoelektrischen Materialien
sein kann, und sind durch eine dünne
Metallschicht aus einem elektrisch leitenden Material, das die gesamten,
sich gegenüberliegenden
Oberflächen
der Ringe 53 und 54 bedeckt, aneinander befestigt.
Weiter unten ist zu sehen, dass diese Metallschicht eine gemeinsame Elektrode
bildet, die mit dem Bezugszeichen 55 bezeichnet ist.
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Das piezoelektrische Material der
Ringe 53 und 54 ist in einer Richtung parallel
zu der Achse A gleichmäßig polarisiert,
jedoch ist die Polarisationsrichtung des Materials des Rings 53 der
Polarisationsrichtung des Materials des Rings 54 entgegengesetzt.
In dem in 7 gezeigten
Beispiel sind diese Polarisationen, die durch die mit den Bezugszeichen
P1 bzw. P2 bezeichneten Pfeile symbolisiert sind, von den äußeren Flächen 56 und 57 der
Ringe 53 und 54 zu der Elektrode 55 gerichtet.
Der Fachmann erkennt leicht, dass diese Polarisationen P1 und P2
genauso gut in den umgekehrten Richtungen ausgerichtet sein könnten.
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Der Transformator 51 umfasst
außerdem
Elektroden, die auf den äußeren Flächen 56 und 57 der
Ringe 53 und 54 angeordnet sind, Leiterbahnen,
die diese Elektroden paarweise verbinden, und Verbindungsstifte,
die dazu bestimmt sind, diese Elektroden mit einer Primär-Wechselspannungsquelle
und mit der Vorrichtung, für
deren Versorgung die Sekundär-Wechselspannung
bestimmt ist, verbinden zu können.
Diese Komponenten des Transformators 51 werden hier nicht
mehr beschrieben, da sie den entsprechenden Komponenten des Transformators 1,
die in den 1 und 3 gezeigt sind, völlig gleichen
und mit denselben Bezugszeichen wie diese bezeichnet sind.
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8 zeigt
eine Art und Weise des Betriebs des soeben beschriebenen Transformators 51.
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In diesem Fall sind die Verbindungsstifte 29 und 31 wie
im Fall des durch 4 gezeigten
Transformators 1 miteinander und mit der ersten Primäran schlussklemme
BP1 verbunden. Ferner sind auch die Verbindungsstifte 33 und 35 wie
im Fall von 4 miteinander
verbunden, jedoch sind sie im Gegensatz dazu auch mit der ersten
Primäranschlussklemme
BP1 verbunden.
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Ebenso sind die Verbindungsstifte 30 und 32 wie
im Fall von 4 miteinander
und mit der ersten Sekundäranschlussklemme
BS1 verbunden. Ferner sind die Verbindungsstifte 34 und 36 wie
im Fall von 4 miteinander
verbunden, jedoch sind sie im Gegensatz dazu auch mit der ersten
Sekundäranschlussklemme PS1
verbunden.
-
Außerdem ist die gemeinsame Elektrode 55 mit
der zweiten Primäranschlussklemme
BP2 und der zweiten Sekundäranschlussklemme
BS2 verbunden.
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Die Quelle, die dazu bestimmt ist,
die Primärspannung,
die ebenso mit Up bezeichnet ist, zu liefern, und die Vorrichtung,
der der Transformator 51 die Sekundärspannung, die ebenso mit Us
bezeichnet ist, liefern muss, sind in 8 mit
den gleichen Bezugszeichen 41 bzw. 42 wie im Fall
von 4 bezeichnet.
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In Analogie zu dem oben beschriebenen
Transformator 1 werden diejenigen Abschnitte des Rings 53, die
sich zwischen der gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 5, 7, 10 und 12 befinden,
Primärabschnitte
des Rings 53 genannt. Ähnlich
werden diejenigen Abschnitte des Rings 54, die sich zwischen
der gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 17, 19, 22 und 24 befinden,
Primärabschnitte
des Rings 54 genannt. Ferner werden diejenigen Abschnitte
des Körpers 52,
die durch einen der Primärabschnitte
des Rings 53 und durch denjenigen Primärabschnitt des Rings 54,
der sich gegenüber
dem Letzteren befindet, gebildet sind, Primärabschnitte des Körpers 52 genannt.
Diese Primärabschnitte
des Körpers 52 sind
folglich jene, die sich zwischen den Elektrodenpaaren 5 und 17, 7 und 19, 10 und 22 bzw.
12 und 24 befinden. Diese Elektroden 5, 7, 10, 12, 17, 19, 22 und 24 werden
als Primärelektroden
bezeichnet.
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Noch immer in Analogie zu dem Transformator 1 werden
diejenigen Abschnitte des Rings 53, dies sich zwischen
der gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 6, 8, 9 und 11 befinden,
Sekundärabschnitte
des Rings 53 genannt. Ähnlich
werden diejenigen Abschnitte des Rings 54, die sich zwischen
der gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 18, 20, 21 und 23 befinden,
Sekundärabschnitte
des Rings 54 genannt. Ferner werden diejenigen Abschnitte
des Körpers 52,
die durch einen der Sekundärabschnitte
des Rings 53 und durch denjenigen Sekundärabschnitt
des Rings 54, der sich gegenüber dem Letzteren befindet,
Sekundärabschnitte
des Körpers 52 genannt.
Diese Sekundärabschnitte des
Körpers 52 sind
folglich jene, die sich zwischen den Elektrodenpaaren 6 und 18, 8 und 20, 9 und 21 bzw. 11 und 23 befinden.
Diese Elektroden 6, 8, 9, 11, 18, 20, 21 und 23 werden
als Sekundärelektroden
bezeichnet.
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Es ist zu sehen, dass die Primärabschnitte
und die Sekundärabschnitte
des Körpers 52 genau
wie jene des Körpers 2 des
Transformators 1 zueinander angeordnet sind. Ebenso sind
auf jeder der Flächen 56 und 57 des
Körpers 52 die
Primärelektroden
und die Sekundärelektroden
wie jene, die sich auf den Flächen 3 und 4 des
Körpers 2 des
Transformators 1 befinden, zueinander angeordnet.
-
Es ist außerdem zu sehen, dass die elektrischen
Felder F1 und F2, die jeweils in den Primärabschnitten des Rings 53 und
des Rings 54 in Reaktion auf die Primärspannung Up erzeugt werden,
stets gleichzeitig entweder den gleichen Richtungssinn wie die jeweiligen
Polarisationen P1 und P2 oder einen Richtungssinn, der zu jenem
der Polarisationen P1 und P2 umgekehrt ist, haben.
-
Die elektromechanische Querkopplung
des Feldes F1 mit dem Material des Rings 53 und des Feldes F2
mit dem Material des Rings 54 bringt somit das Ausüben von
gleichartigen mechanischen Spannungen an allen Primärabschnitten
dieser Ringe 53 und 54 mit sich, wobei diese Spannungen
abwechselnd eine Kontraktion und Expansion dieser Primärabschnitte
in allen zu der Achse A senkrechten Richtungen hervorrufen.
-
Da diese Primärabschnitte der Ringe 53 und 54 paarweise
die Primärabschnitte
des Körpers 52 bilden, wie
dies oben definiert worden ist, ergibt sich aus dem Vorhergehenden,
dass dann, wenn die Frequenz der Primärspannung Up wenigstens im
Wesentlichen gleich der oben durch die Gleichung (1) definierten
Frequenz fr ist, der Körper, 52 des
Transformators 51 ebenfalls in der gleichfalls oben im
Fall des Transformators 1 beschriebenen bielliptischen
Art schwingt. Diese bielliptische Schwingungsart wird deshalb hier
nicht erneut beschrieben.
-
Ebenso sind die Sekundärabschnitte
der Ringe 53 und 54, wenn der Körper 52 des
Transformators 51 in dieser bielliptischen Art schwingt,
stets den gleichen mechanischen Spannungen unterworfen, derart,
dass die in diesen Sekundärabschnitten
erzeugten elektrischen Felder F1' und
F2' stets den gleichen
Richtungssinn wie die jeweiligen Polarisationen P1 und P2 oder den
Richtungssinn, der jenem dieser Polarisationen P1 und P2 entgegengesetzt
ist, haben.
-
Die Spannungen, die in Reaktion auf
diese Felder F1' und
F2' zwischen der
gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 6, 8, 9 und 11 einerseits
und den Elektroden 18, 20, 21 und 23 andererseits
erzeugt werden besitzen somit stets die gleiche Polarität und bilden
gemeinsam die Sekundärspannung
Us.
-
Das Verhältnis zwischen den Spannungen
Us und Up, d. h. das Übersetzungsverhältnis T
des Transformators 51, ist ebenfalls durch die oben erwähnte Gleichung
(2) gegeben und folglich gleich jenem des oben beschriebenen Transformators 1.
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9 zeigt
eine weitere Art und Weise des Betriebs des anhand von 7 beschriebenen Transformators 51.
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In diesem Fall sind die Verbindungsstifte 29 und 31 miteinander
und mit einer ersten Primäranschlussklemme
BP1a verbunden, während
die Verbindungsstifte 30 und 32 miteinander und
mit einer zweiten Primäranschlussklemme
BP1 b verbunden sind.
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Die gemeinsame Elektrode 55 ist
mit einer dritten Primäranschlussklemme
BP2 verbunden.
-
Noch immer in diesem Fall sind die
Verbindungsstifte 33 und 35 miteinander und mit
einer ersten Sekundäranschlussklemme
BS1 verbunden, während
die Verbindungsstifte 34 und 36 miteinander und
mit einer zweiten Sekundäranschlussklemme
BS2 verbunden sind.
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In diesem Fall wird der Transformator 51 durch
eine mit 61 bezeichnete Quelle gespeist, die zwei Wechselspannungen
Up1 und Up2 liefert, die gemeinsam die Primärspannung Up bilden und die
gleiche Frequenz sowie die gleiche Amplitude besitzen, jedoch um
180° gegeneinander
phasenverschoben sind. Mit anderen Worten, diese Spannungen Up1
und Up2 besitzen Polaritäten,
die stets zueinander entgegengesetzt sind. Diese Quelle 61 wird
nicht näher
beschrieben, da ihre Verwirklichung im Ermessen eines Fachmanns
auf diesem Gebiet liegt.
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Die Quelle 61 ist mit den
Anschlussklemmen BP1a, BP1b und BP2 verbunden, derart, dass die
Spannung Up1 zwischen der Anschlussklemme BP1a und der Anschlussklemme
BP2 angelegt wird und die Spannung Up2 zwischen der Anschlussklemme
BP1b und derselben Anschlussklemme BP2 angelegt wird.
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Es ist zu sehen, dass in diesem Fall
die Primärabschnitte
des Körpers 52 zwei
Gruppen bilden, wobei die erste dieser Gruppen durch diejenigen
Primärabschnitte
gebildet ist, die sich zwischen der gemeinsamen Elektrode 55 und
den Elektroden 5, 7, 10 und 12 befinden,
und die zweite dieser Gruppen durch die Primärabschnitte gebildet ist, die
sich zwischen dieser gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 6, 8, 9 und 11 befinden.
-
Ebenso bilden auch die Sekundärabschnitte
des Körpers 52 zwei
Grup pen, wovon die erste durch diejenigen Sekundärabschnitte gebildet ist, die
sich zwischen der gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 17, 19, 22 und 24 befinden,
und wovon die zweite durch diejenigen Sekundärabschnitte gebildet ist, die
sich zwischen dieser gemeinsamen Elektrode 55 und den Elektroden 18, 20, 21 und 23 befinden.
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In diesem Fall gehören alle
Primärabschnitte
und alle Sekundärabschnitte
folglich jeweils zu dem Ring 53 und dem Ring 54.
-
Es ist außerdem zu sehen, dass in den
Primärabschnitten
der ersten Gruppe und in den Primärabschnitten der zweiten Gruppe
die in Reaktion auf die Spannungen Up1 und Up2 erzeugten jeweiligen
elektrischen Felder F1 und F2 stets zueinander entgegengesetzte
Richtungen haben, wobei jedes dieser Felder F1 und F2 ferner entweder
den gleichen Richtungssinn wie die Polarisation P1 des Materials
des Rings 53 oder den Richtungssinn, der jenem dieser Polarisation
P1 entgegengesetzt ist, aufweisen.
-
Daraus ergibt sich, dass dann, wenn
die Primärabschnitte
der ersten Gruppe beispielsweise einer mechanischen Expansionsspannung
unterworfen sind, die Primärabschnitte
der zweiten Gruppe einer mechanischen Kontraktionsspannung unterworfen
sind, und umgekehrt.
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Es ist außerdem zu sehen, dass in jeder
der Zonen Z1 und Z3 die äußeren Abschnitte,
d. h. jene, die sich jeweils gegenüber den Elektroden 5 und 7 befinden,
zu der ersten Gruppe von Primärabschnitten
gehören,
während
die inneren Abschnitte, d. h. jene, die sich jeweils gegenüber den
Elektroden 9 und 11 befinden, zu der zweiten Gruppe
von Primärabschnitten
gehören.
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Ebenso gehören in jeder der anderen Zonen
Z2 und Z4 die äußeren Abschnitte,
d. h. jene, die sich jeweils gegenüber den Elektroden 6 und 8 befinden,
zu der zweiten Gruppe von Primärabschnitten,
während die
inneren Abschnitte, d. h., jene, die sich jeweils gegenüber den
Elektroden 10 und 12 befinden, zu der ersten Gruppe
von Primärabschnitten
gehören.
-
Aus dem Vorhergehenden leitet sich
ab, dass allgemein dann, wenn die äußeren Abschnitte, die sich in
den beiden diametral entgegengesetzten Zonen Z1 bis Z4 befinden,
beispielsweise einer Kontraktionsspannung unterworfen sind, die
inneren Abschnitte, die sich in denselben Zonen befinden, einer
Expansionsspannung unterworfen sind. Ferner sind die äußeren Abschnitte,
die sich in den anderen beiden Zonen befinden, gleichzeitig einer
Expansionsspannung unterworfen, während die inneren Abschnitte,
die sich in den letztgenannten Zonen befinden, einer Kontraktionsspannung
unterworfen sind.
-
Diese Verteilung der Spannungen in
den verschiedenen Primärabschnitten
des Körpers 52 hat
die Auswirkung, dass der Letztere gleichfalls in der oben beschriebenen
bioelliptischen Art schwingt, wenn die Frequenz der Spannungen Up1
und Up2 wenigstens im Wesentlichen gleich der oben durch die Gleichung
(1) definierten Frequenz fr ist.
-
Ebenso sind die Sekundärabschnitte
der zweiten Gruppe dann, wenn der Körper 52 des Transformators 51 in
dieser bielliptischen Art schwingt und die Sekundärabschnitte
der ersten Gruppe in Reaktion auf diese Schwingung beispielsweise
einer mechanischen Expansionsspannung unterworten sind, einer mechanischen
Kontraktionsspannung unterworfen, und umgekehrt.
-
Daraus ergibt sich, dass die jeweils
in diesen Sekundärabschnitten
der ersten Gruppe und in diesen Sekundärabschnitten der zweiten Gruppe
erzeugten elektrischen Felder F1' und
F2' stets entgegengesetzte Richtungssinne
besitzen. Ferner besitzen die in Reaktion auf diese Felder F1' und F2' zwischen der gemeinsamen
Elektrode 55 und den Elektroden 17, 19, 22 und 24 einerseits
und den Elektroden 18, 20, 21 und 23 andererseits
erzeugten Spannungen, die natürlich
die gleiche Frequenz und die gleiche Amplitude aufweisen, stets
zueinander entgegengesetzte Polaritäten.
-
Wenn die Verbindungsstifte 33 bis 36 in
der oben beschriebenen und in 9 gezeigten
Weise verbunden sind, summieren sich folglich diese beiden Spannungen,
um die von dem Transformator 51 erzeugte Sekundärspannung
Us zu bilden.
-
In diesem Fall ist das Übersetzungsverhältnis T
des Transformators ebenfalls durch die oben erwähnte Gleichung (2) gegeben.
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Es ist zu sehen, dass bei vergleichbaren
Abmessungen die Grund-Resonanzfrequenz der bielliptischen Schwingungsart
des Körpers
eines Transformators gemäß der vorliegenden
Erfindung deutlich niedriger als jene der Schwingungsarten des Körpers der
oben beschriebenen herkömmlichen
Transformatoren ist.
-
Ein Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung kann folglich eine Sekundärspannung mit einer Frequenz
liefern, die deutlich tiefer als jene ist, die von einem herkömmlichen
Transformator geliefert wird.
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Ferner liegt das Übersetzungsverhältnis eines
Transformators gemäß der vorliegenden
Erfindung im selben Bereich wie jenes eines herkömmlichen Transformators oder
sogar oberhalb dieses Bereichs.
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Ein Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung ist folglich besonders gut geeignet, in einer Vorrichtung
wie etwa einer Armbanduhr, in der der verfügbare Platz begrenzt ist, verwendet
zu werden, und zwar in allen Fällen,
in denen es erforderlich ist, eine relativ hohe Wechselspannung
mit einer relativ tiefen Frequenz zu erhalten.
-
Ferner vereinfacht sich durch die
Tatsache, dass das piezoelektrische Material, aus dem der Körper des
Transformators gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
oder jedes seiner Teile, die diesen Körper bilden, gefertigt ist,
in der Richtung senkrecht zu seinen Flächen gleichmäßig polarisiert
ist, die Herstellung dieses Körpers
und verringert die Gestehungskosten dieses Transformators.
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Selbstverständlich können an dem Transformator gemäß der vorliegenden
Erfindung, dessen Ausführungsformen
oben beschrieben worden sind, zahlreiche Abwandlungen vorgenommen
werden, ohne den Umfang der Erfindung, wie er beansprucht ist, zu
verlassen.
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So ist es beispielsweise möglich, dem
Körper
eines Transformators gemäß der vorliegenden
Erfindung die Form einer Vollscheibe ohne mittlere Öffnung zu
geben, wobei diese Scheibe wie der Körper 2 des Transformators 1 der 1 bis 3 einteilig gefertigt sein kann oder
aus zwei gleichartigen Teilen wie der Körper 52 des Transformators 51 von 7 gebildet sein kann.
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Ebenso können die verschiedenen auf
dem Körper
des Transformators gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordneten Elektroden andere Formen als jene, die sie
in den beschrieben Beispielen haben, besitzen, wobei ihre Verbindungen
anders verwirklicht sein können.
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Der Fachmann erkennt außerdem,
dass es nicht unbedingt erforderlich ist, so viele Sekundärelektroden
wie in den oben beschriebenen Beispielen vorzusehen. Äußerstenfalls
würde es
genügen,
nur ein einziges Elektrodenpaar, beispielsweise die Elektroden 6 und 18 oder 11 und 23 der 4 und 8 oder die Elektroden 17 und 18 oder 21 und 22 von 9 vorzusehen.
