Beschreibung

Transformatoranordnung mit einem Piezotransformator

Ein piezoelektrischer Transformator ist beispielsweise aus der Druckschrift US 5,707,235 Bl bekannt.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Transformatoranordnung mit einem Piezotransformator anzugeben, die eine besonders hohe Durchschlagspannung zwischen Transformatorteilen hat.

Es wird eine Transformatoranordnung mit einem Piezotransformator angegeben, der einen Eingangsteil und einen Ausgangsteil umfasst. Die Transformatoranordnung umfasst ein Isolierteil, das mit dem Eingangsteil und dem Ausgangsteil fest verbunden ist, wobei das Isolierteil zumindest ein Teilgehäuse für mindestens einen der Transformatorteile (den Ein- und/oder Ausgangsteil) bildet. Dadurch gelingt es, eine Kriechstrecke zwischen den Transformatorteilen zu verlängern und somit die Durchschlagfestigkeit der Transformatoranordnung zu erhöhen. Die angegebene Transformatoranordnung ist daher insbesondere für Hochspannungsanwendungen geeignet. Eine kompakte Ausführung der Transformatoranordnung ist dabei möglich.

Der Piezotransformator kann zu einer galvanischen Entkopplung von zwei Schaltkreisen oder zur Spannungstransformation in einem Spannungswandler dienen.

Der Eingangsteil und der Ausgangsteil sind im Prinzip gegeneinander austauschbar. Sie werden auch als Transformatorteile bezeichnet. Der Eingangsteil bildet vorzugsweise einen Hoch-

spannungsteil und der Ausgangsteil einen Niederspannungsteil des Transformators. Es ist vorteilhaft, insbesondere den Hochspannungsteil im Teilgehäuse unterzubringen.

Der Eingangsteil und der Ausgangsteil weisen jeweils mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode auf, die zumindest teilweise im Inneren des jeweiligen Transformatorteils angeordnet sein kann. Vorzugsweise weisen der Eingangsteil und der Ausgangsteil jeweils eine Vielzahl von Innenelektroden auf, die abwechselnd an eine erste Außenelektrode und eine zweite Außenelektrode des jeweiligen Transformatorteils angeschlossen sind. Die Elektroden einer Sorte sind durch die jeweilige Außenelektrode leitend miteinander verbunden und somit von außen kontaktierbar . Die Außenelektroden sind jeweils zumindest teilweise an der Oberfläche des jeweiligen Transformatorteils angeordnet.

Die Transformatorteile und der dazwischen angeordnete Bereich des Isolierteils bilden zusammen einen Körper des Transformators .

Der Transformator nutzt sowohl den direkten als auch den in- versen piezoelektrischen Effekt. Unter dem direkten piezoelektrischen Effekt wird verstanden, dass in dem Grundkörper bei Auftreten von Verformungen eine Spannung abfällt. Es wird unter dem inversen piezoelektrischen Effekt verstanden, dass die piezoelektrische Keramik, die gegebenenfalls zum Einsatz des Bauelementes noch polarisiert werden muss, bei Anlegen eines elektrischen Feldes parallel oder antiparallel oder auch in einem Winkel zur Polarisierungsrichtung eine Verformung erfährt .

Der Ein- und Ausgangsteil sind vorzugsweise mechanisch aneinander gekoppelt und galvanisch voneinander getrennt. Die galvanische Trennung der beiden Teile ist durch das Isolierteil erreichbar.

Ein elektrisches Eingangssignal wird im Eingangsteil des piezoelektrischen Transformators in mechanische Schwingungen des Grundkörpers des Transformators umgewandelt. Aufgrund der mechanischen Kopplung zwischen Eingangsteil und Ausgangsteil sind beide Teile von der mechanischen Schwingung betroffen. Die Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie erfolgt aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts im Ausgangsteil, wo die mechanischen Schwingungen aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts zurück in ein elektrisches Signal verwandelt werden.

Mit Hilfe der Eingangselektroden kann bei Anlegen einer Spannung an die Eingangselektroden eine mechanische Verformung des Grundkörpers hervorgerufen werden. Mit Hilfe der Ausgangselektroden kann eine bei mechanischer Verformung des Körpers auftretende elektrische Spannung abgegriffen werden.

Beim Anlegen einer WechselSpannung an die Eingangselektroden kann eine periodisch wiederkehrende Deformation des Körpers erzeugt werden. Diese periodisch wiederkehrende Deformation des Körpers kann wiederum in den Ausgangselektroden eine sich periodisch ändernde Spannung hervorrufen. Durch eine geeignete Anordnung der Elektroden kann erreicht werden, dass die AusgangsSpannung von der Eingangsspannung verschieden ist . In diesem Fall erhält man einen Transformator mit einem dem Verhältnis der Spannungen entsprechenden übersetzungsverhältnis.

Der Eingangsteil und der Ausgangsteil werden vorzugsweise jeweils durch Stapeln von keramischen Grünschichten mit anschließendem Sintern erzeugt. Diese Schichten enthalten vorzugsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder ein anderes Material mit geeigneten piezoelektrischen Eigenschaften.

Das Material des Isolierteils besitzt vorzugsweise ein hohes Isolationsvermögen > 10 kV/mm.

Die Durchschlagspannung des Materials des Isolierteils übersteigt vorzugsweise diejenige des Ein- und Ausgangsteils. Der Unterschied beträgt vorzugsweise mindestens den Faktor drei . Die Durchschlagspannung von keramischen Transformatorteilen beträgt üblicherweise nicht mehr als 2-4 kV/mm, während die Durchschlagspannung des Isolierteils 10-20 kV/mm oder mehr betragen kann.

Es wird außerdem als Vorteil betrachtet, wenn die Dielektrizitätskonstante des Materials des Isolierteils kleiner ist als diejenige des Ein- und Ausgangsteils . Dadurch gelingt es, eine parasitäre kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden verschiedener Transformatorteile zu verringern.

Vorzugsweise ist mindestens ein Bereich des Isolierteils zwischen dem Ein- und Ausgangsteil angeordnet. Der Eingangsteil, der Ausgangsteil und der zwischen diesen angeordnete Bereich des Isolierteils bilden zusammen einen Transformatorkörper. Der zwischen dem Ein- und Ausgangsteil angeordnete Bereich des Isolierteils ist vorzugsweise in einem Bereich des Transformators angeordnet, in dem minimale Auslenkungen des Körpers auftreten (Wellenknotenbereich) . Der Körper vibriert vorzugsweise in einer Richtung, die senkrecht zu den Haupt-

flächen des zwischen dem Ein- und Ausgangsteil angeordneten Bereichs des Isolierteils angeordnet ist.

Das Isolierteil weist vorzugsweise eine erste Vertiefung auf, in der der Eingangsteil angeordnet ist. Der Eingangsteil ist vorzugsweise in der ersten Vertiefung versenkt. Das Isolierteil kann auch eine zweite Vertiefung aufweisen, in der der Ausgangsteil angeordnet (und vorzugsweise versenkt) ist. Vorzugsweise ist der Boden der ersten Vertiefung zwischen dem Eingangsteil und dem Ausgangteil angeordnet. Möglich ist aber auch, eine Seitenwand der ersten Vertiefung zwischen dem Ein- und Ausgangteil anzuordnen.

Die jeweilige Vertiefung ist vorzugsweise in Form eines Sacklochs ausgebildet..

Das Isolierteil umfasst in einer bevorzugten Variante einen vorzugsweise relativ dünnwandigen Becher, dem die erste Vertiefung zugeordnet ist. Das Isolierteil kann auch zwei Becher mit einem gemeinsamen Boden umfassen, wobei ein erster Becher die erste Vertiefung zur Aufnahme des Eingangsteils und ein zweiter Becher die zweite Vertiefung zur Aufnahme des Ausgangsteils aufweist.

Die Stärke des Bodens der jeweiligen Vertiefung kann weniger als 2,5 mm betragen. Sie ist vorzugsweise kleiner als die Wandstärke der Vertiefung. Beide Vertiefungen haben vorzugsweise einen gemeinsamen Boden, der vorzugsweise in einem WeI- lenknotenbereich des Transformators angeordnet ist.

Der Eingangsteil und der Ausgangsteil sind vorzugsweise ausschließlich vom Bereich des Isolierteils getragen, der zwischen Ein- und Ausgangsteil angeordnet ist . Vorzugsweise ist

der in der jeweiligen Vertiefung angeordnete Transformatorteil von den Seitenwänden dieser Vertiefung beabstandet.

Das offene Ende der jeweiligen Vertiefung ist in einer Variante mit einem Deckel verschlossen, der erste und zweite e- lektrische Kontaktflächen aufweist. Die ersten Kontaktflächen sind dem Transformator zugewandt und an seine Elektroden angeschlossen. Die zweiten Kontaktflächen können mit Anschluss- drähten verbunden sein. Die ersten und zweiten Kontaktflächen können miteinander über elektrische Durchkontaktierungen leitend verbunden sein, die vorzugsweise im Deckel angeordnet sind.

Das Isolierteil kann ein leistungsfestes Keramikmaterial, insbesondere Al ₂ O ₃ enthalten. Das Isolierteil kann auch einen Kunststoff enthalten. Der Deckel kann auch ein Keramikmaterial oder einen Kunststoff enthalten.

An der Oberfläche der jeweiligen Vertiefung kann eine Leiterbahn angeordnet sein, die mit einer Elektrode des in dieser Vertiefung angeordneten Transformatorteils leitend verbunden ist. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn eine E- lektrode des Ein- und/oder Ausgangsteils zumindest einen Bereich aufweist, der an der Stirnseite des jeweiligen Transformatorteils angeordnet ist und einer an der Oberfläche des Isolierteils angeordneten Leiterbahn zugewandt ist.

Die Transformatorteile können jeweils mit dem Isolierteil beispielsweise mittels -Verklebung oder Zementierung verbunden werden. Andere Verbindungstechniken kommen auch in Betracht. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, eine Elektrode des Transformatorteils mit einer an der Oberfläche des I- solierteils angeordneten Leiterbahn durch eine Lötverbindung

oder eine ähnliche Verbindung (dazu zählt auch das Einbrennen einer zur Bildung der Leiterbahn oder der Elektrode aufgetragenen Metallpaste) zu verbinden. Zwischen dem Eingangsteil (oder Ausgangsteil) und dem Isolierteil ist in einer vorteilhaften Variante eine Haftschicht angeordnet, deren Steifigkeit vorzugsweise diejenige der Transformatorteile nicht unterschreitet. Somit kann mechanischen Verlusten an der Schnittstelle zwischen dem Transformatorteil und dem Isolierteil vorgebeugt werden. Ein nichtelastisches, nichtorganisches Material ist für die Haftschicht bevorzugt.

Die jeweilige Vertiefung kann einen beliebigen - beispielsweise runden oder rechteckigen - Querschnitt haben, der vorzugsweise an denjenigen des darin angeordneten Transformatorteils angepasst ist.

Der angegebene Piezotransformator wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 im Querschnitt eine Transformatoranordnung, bei der das Isolierteil für einen Transformatorteil ein Gehäuse bildet;

Figur 2 im Querschnitt eine weitere Transformatoranordnung, bei der das Isolierteil für beide Transformatorteile ein Gehäuse bildet;

Figur 3 ausschnittsweise in einer Draufsicht ein Isolierteil mit Rippenstrukturen.

Figur 1 zeigt eine Transformatoranordnung mit einem Piezotransformator, der einen Eingangsteil 2 und einen Ausgangs-

teil 3 aufweist . Der Ein- und Ausgangsteil können gegeneinander ausgetauscht werden.

Die Transformatoranordnung umfasst ein Isolierteil 1, dessen Bodenbereich, zur mechanischen Kopplung und gleichzeitig zur galvanischen Entkopplung des Eingangsteils 2 und des Ausgangsteils 3 dient. Das Isolierteil 1 hat die Form eines Bechers, d. h. es weist eine Vertiefung auf, in der der Eingangsteil 2 angeordnet ist. Alternativ kann dort der Ausgangsteil angeordnet sein. Das Isolierteil 1 schirmt den in der Vertiefung angeordneten Transformatorteil sowie eine Kontaktstelle zwischen diesem Transformatorteil und Anschlussdrähten 15, 16 eines Anschlusskabels 17 vor Umwelteinflüssen. Der Anschlusskabel 17 verbindet den Transformator mit einer in der Figur nicht gezeigten elektrischen Schaltung.

Der Eingangsteil 2 umfasst Eingangselektroden 4, 5 und eine zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Schicht 6. Der Ausgangsteil 3 umfasst Ausgangselektroden 7, 8 und eine zwischen diesen angeordnete piezoelektrische Schicht 9. Der jeweilige Transformatorteil kann auch, wie in Figur 2 angedeutet, eine Vielzahl von leitend miteinander verbundenen Eingangselektroden aufweisen, wobei zwischen zwei aufeinander folgenden Elektroden eine piezoelektrische Schicht 6 bzw. 9 angeordnet ist. Die Richtung der Polarisationsachse P der jeweiligen Piezoschicht ist in den Figuren mit Pfeilen gekennzeichnet. Die Polarisationsachse ist senkrecht zu Elektrodenflächen des Transformators gerichtet .

Die offene Seite der Vertiefung ist mittels eines Deckels 10 verschlossen, der auf seiner ersten Hauptfläche erste Kontaktflächen 11, 12 und auf seiner zweiten Hauptfläche zweite Kontaktflächen 13, 14 aufweist. Jede erste Kontaktfläche ist

- S -

mittels einer durch den Deckel hindurch gehenden Durchkontak- tierung mit jeweils einer zweiten Kontaktfläche leitend verbunden .

Die Kontaktfläche 12 ist mittels eines Anschlussdrahtes 19 mit der Elektrode 5 des Eingangsteils 2 verbunden. An der Innenseite der Vertiefung ist eine Leiterbahn 20 angeordnet, die die Eingangselektrode 4 mit der Kontaktfläche 11 leitend verbindet. Die Ausgangselektrode 8 ist mit einer weiteren, auf der Außenseite des Isolierteils 1 angeordneten Leiterbahn leitend verbunden, die als Kontaktfläche dient und an die ein Anschlussdraht 22 angeschlossen ist. Ein weiterer Anschlussdraht 21 ist direkt an die Ausgangselektrode 7 angeschlossen. Die Anschlussdrähte 21, 22 sind an eine in der Figur nicht gezeigte elektrische Last angeschlossen.

Die zweiten Kontaktflächen 13, 14 sind mit Anschlussdrähten 15, 16 eines elektrischen Kabels 17 verbunden. Das vorzugsweise für Hochspannungsanwendungen ausgelegte Kabel 17 ist in der Halterung 18 fixiert, die teilweise in die Vertiefung hineinragt und gleichzeitig diese verschließt. Das Material der Halterung 18 hat vorzugsweise elastische Eigenschaften. Die Halterung 18 weist Vorsprünge auf, die gegen die Innenfläche der Sacklochvertiefung drücken.

Die Anschlussdrähte 15, 16 können im Prinzip durch eine öffnung des Deckels 10 zur Innenseite des Deckels herausgeführt und an die Kontaktflächen 11, 12 angeschlossen werden.

Die Sacklochvertiefung weist vorzugsweise eine Stufe beziehungsweise einen Bereich mit einem kleineren Durchmesser und einen Bereich mit einem größeren Durchmesser auf. Der kleinere Durchmesser ist insbesondere kleiner als derjenige des De-

ckels 10, wobei der größere Durchmesser dem Deckeldurchmesser im Wesentlichen gleich ist. Die zwischen den beiden Bereichen gebildete Stufe dient als eine Gegenlehnflache (Auflagefläche) für den Deckel 10.

Die jeweilige Vertiefung kann anstelle einer Stufe eine Verjüngung aufweisen, wobei ihre Seitenflächen schräg auf den Ein- oder Ausgangsteil zulaufen.

In der Figur 2 ist eine weitere Transformatoranordnung gezeigt, bei der das Isolierteil 1 zusätzlich eine zweite Vertiefung aufweist, in der der Ausgangsteil 3 angeordnet ist. Beide Vertiefungen haben einen gemeinsamen Boden, der zum Teil zwischen dem Ein- und Ausgangsteil 2, 3 angeordnet ist. Diese Transformatoranordnung zeichnet sich verglichen mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch ein noch höheres Isolationsvermδgen aus.

Das Isolierteil 1 ist bezogen auf eine Ebene, die durch die Mitte des Isolierteils durchgeht, vorzugsweise symmetrisch ausgebildet .

Die zweite Vertiefung ist vorzugsweise ähnlich ausgebildet wie die erste Vertiefung. Zumindest ein Bereich der Vertiefung kann ebenfalls mit einem Deckel 10 verschlossen werden. Zwischen dem Deckel 10 und dem durch diesen abgeschlossenen Teil der jeweiligen Vertiefung ist ein Hohlraum gebildet, in dem der jeweilige Transformatorteil angeordnet und von äußeren Einflüssen geschützt ist. Der übrige, in der Figur 2 (noch) nicht abgeschlossene Bereich der Vertiefung nimmt einen Teil eines Anschlusskabels 17 auf.

In Fig. 2 ist angedeutet, dass der Eingangsteil 2 mehrere parallel zueinander angeordnete Eingangselektroden 23, 24 und der Ausgangsteil 3 mehrere parallel zueinander angeordnete Ausgangselektroden 25, 26 aufweisen kann. Erste und zweite Elektroden des jeweiligen Transformatorteils können wie die Eingangselektroden 23 bzw. 24 an eine erste bzw. zweite Sammelelektrode 27 bzw. 28 angeschlossen sein, die an der Oberfläche dieses Transformatorteils angeordnet ist.

Erste und zweite Elektroden des jeweiligen Transformatorteils können aber auch wie die Ausgangselektroden 25 bzw. 26 mittels einer im Körperinneren des Transformators angeordneten Durchkontaktierung 29 bzw. 30 leitend miteinander verbunden sein. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass beide elektrische Anschlüsse des jeweiligen Transformatorteils zur selben Stirnfläche herausgeführt werden können, was ihre Kontaktie- rung von außen erleichtert.

Die Außenoberfläche des Isolierteils 1 kann durch Rippenstrukturen 31 vergrößert werden (Fig. 3) .

Eine konkrete Ausführung der angegebenen Transformatoranordnung ist auf die in den Figuren gezeigten Beispiele nicht beschränkt, sondern kann an Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform erläuterten technischen Merkmale sind ohne Weiteres auf andere Ausführungsformen übertragbar.

Bezugszeichenliste

1 Isolierteil

2 Eingangsteil

3 Ausgangsteil

4 , 5 Elektroden des Eingangsteils

6, 9 piezoelektrische Schicht

7, 8 Elektroden des Ausgangsteils 10 Deckel

11, 12, 13, 14 Kontaktflächen

15, 16 Anschlussdrähte

17 Kabel mit Anschlussdrähten

18 Halterung

19, 21, 22 Anschlussdrähte

20 Leiterbahn

23, 24 Innenelektroden des Eingangsteils

25, 26 Innenelektroden des Ausgangsteils

27, 28 an der Oberfläche des Körpers angeordnete

Sammelelektrode

29, 30 Durchkontaktierung

P Polarisationsachse