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Erweiterung des zulässigen Betriebstemperaturbereichs eines serienabgestimmten Piezotransformators durch eine automatische Anpassung der Eingangsinduktivität an die Betriebstemperatur

IP.com Disclosure Number: IPCOM000017447D
Original Publication Date: 2001-Jan-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-22
Document File: 6 page(s) / 291K

Publishing Venue

Siemens

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Norbert Volkert: AUTHOR [+2]

Abstract

Piezotransformatoren weisen aufgrund der Metallisierungskapazität im wesentlichen ein kapazitives Eingangsverhalten auf. Wenn sie an einer geschalteten Spannungsquelle, wie beispielsweise einer H- Brückenschaltung, betrieben werden sollen, ist es daher notwendig, die Umladeströme zu begrenzen. Dies geschieht, wie in Abbildung 1 dargestellt ist, zweck- mäßigerweise mit einer zum Piezotransformator in Serie geschalteten Drossel L 1 im Eingangskreis. Als Last ist der Einfachheit halber nur ein ohmscher Lastwiderstand eingezeichnet. Die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch ebenso bei Gleichrichtung und Glättung der Ausgangsspannung. Abbildung 1

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Bauelemente

Erweiterung des zulässigen Betriebstemperaturbereichs einesserienabgestimmten Piezotransformators durch eine automatischeAnpassung der Eingangsinduktivität an die Betriebstemperatur

Idee: Norbert Volkert, Winkelhaid; Georg Zaiser, Erlangen

Piezotransformatoren weisen aufgrund der Metallisierungskapazität im wesentlichen einkapazitives Eingangsverhalten auf. Wenn sie an einer geschalteten Spannungsquelle, wiebeispielsweise einer H- Brückenschaltung, betrieben werden sollen, ist es daher notwendig, dieUmladeströme zu begrenzen. Dies geschieht, wie in Abbildung 1 dargestellt ist, zweck-mäßigerweise mit einer zum Piezotransformator in Serie geschalteten Drossel L 1� im Eingangskreis.Als Last ist der Einfachheit halber nur ein ohmscher Lastwiderstand eingezeichnet. Dienachfolgenden Ausführungen gelten jedoch ebenso bei Gleichrichtung und Glättung derAusgangsspannung.

Abbildung 1

Es ist dabei vorteilhaft, die Induktivität der Drossel und die primärseitige Metallisierungskapazitätdes Piezotransformators auf die für die Energieübertragung ausgewählte mechanischeResonanzfrequenz des Piezotransformators abzustimmen. Die Übertragungsstrecke, bestehendaus Vordrossel L 1� und Piezotransformator, hat dann den in Abbildung 2 dargestelltencharakteristischen Betragsfrequenzgang von gekoppelten Schwingkreisen.

Siemens Technik Report

Jahrgang 4� Nr. 10� Januar 2001

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Abbildung 2

Der zugehörige Phasengang� � j� � i� des Quellstromes i q� hat in dem betrachteten Frequenzintervall dreiPhasennulldurchgänge (siehe Abbildung 3). Um einen möglichst guten Wirkungsgrad zu erreichen,wird der Piezotransformator im mittleren Phasennulldurchgang betrieben und die Betriebsfrequenzmit einem Phasenregelkreis (PLL) nachgeführt.

Abbildung 3

Die Permittivität der üblichen PZT-Piezokeramiken weist eine hohe Temperaturabhängigkeit auf,so dass sich die Eingangskapazität stark mit der Temperatur ändert. Insbesondere wenn derPiezotransformator in einem weiten Umgebungstemperaturbereich eingesetzt werden soll, wirddadurch der Eingangskreis, bestehend aus der Drossel L 1� und der primärseitigenMetallisierungskapazität, u. U. erheblich verstimmt. In Abbildung 4 ist der Phasengang� � j� � i� desQuellstromes i q� bei einer um +40% gegenüber dem Nennwert erhöhten Permittivität exemplarischdargestellt.

Siemens Technik Report

Jahrgang 4� Nr. 10� Januar 2001

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Abbildung 4

Wie zu erkennen ist, verschiebt sich durch die Fehlabstimmung der rechte Phasennulldurchgangnäher zum mittleren Phasennulldurchgang. Bei einer zu großen Verstimmung des Eingangskreisesbesteht deshalb die Gefahr, dass der Phasenregelkreis (PLL) außer Tritt fällt und dieBetriebsfrequenz unkontrolliert wegläuft. Da der Betrieb in den Übertragungsmaxima (sieheAbbildung 2) zu einer Zerstörung des Piezotransformators führen kann, ist das Ausrasten desPhasenregelkreises unbedingt zu vermeiden.

Um eine unzulässig hohe Fehlabstimmung des Eingangskrei...