用于操控壓電變壓器的電路裝置和方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及用于操控壓電變壓器的電路裝置和方法。
技術背景
[0002]還可被稱為壓電式變壓器的壓電變壓器為一種機電系統，其用作諧振變壓器。壓電變壓器能夠實現將輸送的電交流電壓轉變成更高或更低的交流電壓。轉變可在壓電變壓器的諧振頻率中進行，其由壓電變壓器的機械尺寸和材料確定。
[0003]—種用于調節壓電變壓器的方法規定將輸入電壓、輸入電流和其相位用作調節信息。借助這些參數可進行壓電變壓器的操控和其特性的調節。然而，由此并未達到壓電變壓器的最佳的工作點。由于不可協調的調節影響出現的損失妨礙壓電變壓器的性能和效率。無功功率由供體提供并且由壓電變壓器僅在初級側上進行轉變。
[0004]探測用于調節壓電變壓器的合適的調節參數的目的是確保在壓電變壓器的所選擇的使用條件下在所選取的使用范圍或使用領域中具有最低損失的最佳的運行。應不僅在脈沖式運行中而且在連續運行中在期望的范圍中實現壓電變壓器的運行。通過利用合適的反饋參數應確保壓電變壓器的保持不變的運行狀態。
[0005]為了運行壓電變壓器，需要為壓電變壓器在所有的運行狀態(起動、運行、負荷變化、改變的環境條件)中以相應的相位供給其運行頻率和所需的工作電壓和工作電流，以便保證壓電變壓器的功能。
【發明內容】
[0006]本發明的目的通過具有權利要求1的特征的電路裝置實現。電路裝置包括:第一電路支路，其具有壓電變壓器，該壓電變壓器具有輸入電容；第二電路支路，其補償輸入電容；和差分放大器，其具有與第一電路支路耦合的第一輸入端和與第二電路支路耦合的第二輸入端。
[0007]耦合可通過直接的連接或通過其他的組件實現。
[0008]電路裝置控制調節參數(其相位且幅度正確地存在以說明壓電變壓器性能)并且能夠實現低損耗地激勵壓電變壓器的振蕩。
[0009]壓電變壓器的輸入電容是在壓電變壓器電極之間的由結構決定的電容量。壓電變壓器的性能可通過替代電路圖說明。壓電變壓器利用串聯振蕩回路(其包括電容元件、電感元件和電阻)的替代電路圖將輸入電容看作電容元件，其與串聯振蕩回路并聯。說明串聯振蕩回路的性能的電流和電壓參數由于并聯的輸入電容而不可直接得到。
[0010]在一種設計方案中，第一電路支路具有壓電變壓器和第一電阻的串聯電路。第二電路支路具有電容元件和第二電阻的串聯電路。第二電路支路以和輸入電容和第一電阻的串聯電路相同的方式建造。
[0011]電容和電阻的串聯電路是高通濾波器。在第一電路支路和第二電路支路中的高通濾波器的對稱性允許通過以下方式補償輸入電容，即，第一電路支路的電容元件和第二電阻的串聯電路的時間常數與第二電路支路的輸入電容和第一電阻的串聯電路的時間常數相同或近似相同。
[0012]在一種設計方案中，壓電變壓器在第一電路支路中的第一電勢點和第二電勢點之間，并且第一電阻在第一電路支路中的第二電勢點和第三電勢點之間。電容元件在第二電路支路中的第一電勢點和第二電勢點之間，并且第二電阻在第二電路支路中的第二電勢點和第三電勢點之間。在該設計方案中，在第一電路支路中的第二電勢點與第一輸入端耦合，并且在第二電路支路中的第二電勢點與第二輸入端耦合。
[0013]由于相同的時間常數，出現在高通濾波器中具有相同的幅度和相位的信號，與操控的頻率和幅度無關。一起來看，兩個信號作為共模電壓出現在差分放大器的輸入端處，從而它們由差分放大器濾出并且因此從壓電變壓器的輸入電容的信號分量中濾出。
[0014]如此獲得信號被反饋至回路中并且是壓電變壓器操控的基礎。為此目的，差分放大器的輸出端通過反饋支路與壓電變壓器耦合。有利地，反饋的信號存在于第一電路支路和第二電路支路的第一電勢點處并且由此存在于壓電變壓器的輸入電極處。第三電勢點處在參考電勢上，這還被稱為地，從而存在高通濾波器的并聯電路。
[0015]在一種設計方案中，在反饋支路中設置有另一放大器，其可提供用于壓電變壓器的操控電壓。在反饋支路中可設置幅度調整器，其置于另一放大器之前。
[0016]在一種設計方案中，差分放大器的輸出端通過脈沖寬度調制器和兩個串聯在兩個電勢點之間的開關元件與壓電變壓器耦合。開關元件通過以下方式由脈沖寬度信號操控，即，取決于脈沖寬度信號，開關中的一個傳導地與相鄰的參考電勢連接。在開關元件之間量取壓電變壓器的操控電壓。該裝置增強矩形的的脈沖寬度信號。
[0017]有利地，電路裝置具有:電壓調節回路，在其中引回存在于差分放大器的輸出端處的信號；和電流調節回路，在其中引回通過壓電變壓器的電流，從而在操控時考慮到探測的電流和電壓。將引回的信號與額定信號進行比較。取決于比較改變壓電變壓器的操控。
[0018]用于操控在第一電路支路中的具有輸入電容的壓電變壓器的對應的方法包括探測在第一電路支路和第二電路支路之間的電壓差(其補償輸入電容)并且將電壓差在反饋回路中反饋給壓電變壓器。在該回路中當然可設置其他的組件。
[0019]在該方法中，第一電路支路具有壓電變壓器和第一電阻的串聯電路，在壓電變壓器和第一電阻之間量取電勢，并且第二電路支路具有電容元件和第二電阻的串聯電路，在壓電變壓器和第一電阻之間量取電勢。在此，第二電路支路的電容元件和第二電阻的串聯電路的時間常數與第一電路支路的輸入電容和第一電阻的串聯電路的時間常數相同或近似相同。
【附圖說明】
[0020]下面參考附圖借助實施例闡述本發明。其中:
圖1示意性地示出了用于壓電變壓器的操控電路，
圖2示出了用于操控壓電變壓器的電路裝置的電路圖，
圖3示出了差分放大器的線路布置，
圖4示出了用于操控壓電變壓器的另一電路裝置的電路圖，和圖5示出了用于操控壓電變壓器的又一電路裝置的電路圖。
【具體實施方式】
[0021]圖1示意性地示出了用于壓電變壓器PT的操控電路。下面的實施方式首先說明了用于在操控電路中操控壓電變壓器PT的基本思想，在其中兩個放大器100、200在回路中連接并且壓電變壓器PT用作串聯元件。
[0022]通過這種電路裝置操控的壓電變壓器PT的性能可通過簡化的替代電路圖(ESB)進行說明，其考慮了壓電變壓器PT的幾何尺寸和非傳導性的、彈性的以及壓電的材料常數。替代電路圖的組件例如可在阻抗測量的范圍中予以確定。
[0023]替代電路圖包括具有電容元件Cs、電感元件Ls和電阻Rs的有損失的串聯振蕩回路6。與串聯振蕩回路6并聯的是電容元件Cp，其相應于壓電變壓器PT的輸入電容。輸入電容Cp為由結構決定的寄生電容，其對(外部的)總電流具有顯著的效果。
[0024]將壓電變壓器PT激勵到其諧振頻率上可借助于自振蕩的反饋的線性放大器100進行。為了激勵到串聯諧振頻率或并聯諧振頻率上，壓電變壓器PT由具有很小的輸出電阻的線性放大器200操控。在諧振情況下，在壓電變壓器PT處出現過電流。通過壓電變壓器PT的電流可經由用作分流器的電阻(在圖1中未顯示)描繪為電壓并且因此將其輸送給激勵放大器的輸入端。
[0025]由此滿足用于激勵到諧振頻率上的相位條件，即使具有由于輸入電容Cp的影響的限制。幅度條件需要放大系數，其在實踐中應稍微大于用于補償在壓電變壓器PT中的損失所需要的放大系數。具有兩個放大器的這種激勵電路在文獻中被稱為“巴特勒”電路。
[0026]由于輸入電容Cp，對于反饋所需的通過串聯振蕩回路6的電流對于直接的探測而言不可得到。然而，為了產生對于激勵電路合適的反饋信號，需要用于補償輸入電容Cp的影響的電路。
[0027]圖2顯示了用于操控壓電變壓器PT的電路裝置的電路圖，該電路裝置具有這種補償作用。
[0028]電路裝置具有:第一電路支路I，其帶有壓電變壓器PT和第一電阻R的串聯電路；以及第二電路支路2，其帶有電容元件Ck和第二電阻Rk的串聯電路。第二電路支路2用于補償壓電變壓器PT的輸入電容Cp的影響。
[0029]壓電變壓器PT在第一電路支路I中的第一電勢點和第二電勢點11、12之間，并且第一電阻R在第一電路支路I中的第二電勢點和第三電勢點12、13之間。第三電勢點13處在還可被稱為地的參考電勢上。電容元件Ck在第二電路支路2中的第一電勢點和第二電勢點21、22之間，并且第二電阻Ck在第二電路支路2中的第二電勢點和第三電勢點22、23之間。第三電勢點23位于參考電勢上。第一電路支路和第二電路支路1、2并聯。
[0030]電路裝置還具有差分放大器3，其帶有第一輸入端31、反向的第二輸入端32和輸出端33。第一輸入端31與在第一支路I中的第二電勢點12連接。第二輸入端32與在第二支路2中的第二電勢點22連接。備選地，電勢點12、22還可通過其他的組件與輸入端31、32耦合。差分放大器3放大存在的輸入端信號的差并且在輸出側提供相應的信號。輸出電壓在具有最佳的共模抑制的理想的差分放大器中僅還取決于電壓差，但不取決于存在的兩個電壓的絕對數額。
[0031]電路裝置還具有幅度調整器4，其改變在輸入側存在的信號的幅度。如果幅度降低，則還將其稱之為幅度限制器。幅度調整器4的實施例可設置線性或非線性的信號影響。幅度調整器4的輸入端41與差分放大器3的輸出端33連接。
[0032]電路裝置還具有另一放大器5，其將輸入側的信號Ue放大了因素V0。放大器5的輸入端51與幅度調整器4的輸出端42連接。放大器5的輸出端52與第一電路支路和第二電路支路1、2的第一電勢點11、21連接，從而放大器5的輸出電壓Ua不僅存在于第一電路支路I上，而且存在于第二電路支路2上。備選地，放大器5的輸出端52可與第一電勢點11、21通過其他的組件耦合。
[0033]輸入電容Cp和用作分流器或分流電阻的第一電阻R形成高通濾波器，如同用作補償支路的第二電路支路2的電容元件Ck和第二電阻Rk那樣。組件Ck、Rk、R的參數如此選擇，g卩，兩個高通濾波器支路具有相同的時間常數T=RC(即，T=R*Cp或T=Rk*Ck)并且因此具有相同的極限頻率。在差分放大器3的輸入端31、32處出現不僅來自第二電路支路2而且來自第一電路支路I的高通濾波器的、具有相同的幅度和相位的信號，與操控的頻率和幅度無關。對此的前提是與存在的電壓的幅度無關的輸入電容Cp。
[0034]總地來看，這兩個信號座位共模電壓出現在差分放大器3的輸入側并且由差分放大器抑制，從而僅還放大串聯振蕩回路6的信號數值。在理想的情況下，差分放大器3提供相位正確的反饋信號，其至少在很大程度上相應于壓電變壓器PT的替代電路圖。
[0035]圖3顯示了差分放大器3的線路布置(測試電路)，其與在圖2中示出的線路布置有以下不同之處。
[0036]在差分放大器3的第一輸入端31和第二輸入端32與第二