Hallo allerseits, bei einigen piezoelektrischen Transformatoren kommt es zu Rückkopplungen zwischen Primär- und Sekundärkreis. In solchen Fällen wird der Strom im primären Kreis beeinflusst vom Laststrom auf der sekundären Seite. Bei klassischen elektromagnetischen Transformatoren ist mir der Grund bekannt. Aber wie kann ich mir diesen Effekt physikalisch bei piezoelektrischen Transformatoren erklären? Vielleicht kann mir ja jemand eine überzeugende Antwort liefern. Grüße WR
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Piezoelektrische Transformatoren unterscheiden sich grundlegend von elektromagnetischen Transformatoren, da sie auf dem piezoelektrischen Effekt basieren. Der piezoelektrische Effekt tritt in Materialien auf, die sich bei Anwendung von mechanischem Druck verformen oder verzerren und dabei elektrische Ladungen erzeugen. Umgekehrt erzeugen Spannungsunterschiede mechanische Verformungen. Rückkopplungen zwischen Primär- und Sekundärkreisen in piezoelektrischen Transformatoren können aufgrund der mechanischen Kopplung und der elektrischen Eigenschaften des Materials auftreten. Der Ausgang kann, z.B. bei einem Kurzschluß, auf den Eingang zurückwirken.
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WR schrieb: > kommt es zu Rückkopplungen > zwischen Primär- und Sekundärkreis. Hallo, liest man diese Abhandlung hier: (vorletzte Seite) https://ei.uni-paderborn.de/fileadmin-eim/elektrotechnik/fg/lea/Forschung/Publikationen/2002/02in-wiss-kolloquium-kauczor-schulte-grotstollen.pdf "Aufgrund ihrer ausgeprägten Resonanzeigenschaften wirken PT stärker als konventionelle Transformatoren auf ihre Speiseeinrichtungen zurück und erfordern eine deutlich stärkere Berücksichtigung ihres Betriebsverhaltens beim Entwurf der leistungselektronischen Schaltungen." Wird leider nur nebenbei auf die Rückkopplung eingegangen. Letztendlich handelt es sich um eine mechanische Schwingung bei Resonanz und es wird so sein wie bei Leitungen, daß wenn ausgangsseitig die Energie der Schwingung nicht vollständig aufgenommen wird, sich eine stehende Welle ausbildet, die dann auf den Eingang zurück reflektiert wird abzüglich der Verluste und dort sich mit der Anregung überlagert. Prinzip Energiererhaltung. mfg
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Vielen Dank für deine Antwort, aber das stellt mich noch nicht so ganz zufrieden. Die Deformation – in Folge der primärseitigen Erregung durch die Erregerspannung - wird gemäß des direkten Piezoelektrischen Effektes von einer Ladungstrennung begleitet. Im Resonanzfall eilt die mechanische Schwingung der Erregerfrequenz um 90° nach. Die sekundärseitige Spannungsdifferenz ist demnach -90° phasenverschoben zur Erregerfrequenz. Wird die Sekundärseite nun durch einen Lastwiderstand belastet hat dies einen Einfluss auf den Strom im Primärkreis. Aber wie genau kommt das zustande? Rege ich durch den Stromfluss auf der Sekundärseite wiederum das piezoelektrische Material an und erzeuge Schwingungen, die der ursprünglichen mechanischen Schwingung entgegenwirken?
WR schrieb: > Rege ich durch den Stromfluss auf der > Sekundärseite wiederum das piezoelektrische Material an und erzeuge > Schwingungen, die der ursprünglichen mechanischen Schwingung > entgegenwirken? Das kann man so sehen. Selbstverständlich treten durch den hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Rückwirkungen auf. Auch ein Fahrraddynamo läuft schwerer, wenn man ihn elektrisch belastet. Im Prinzip ist so eine Piezotrafo ja auch nur eine Laufzeitleitung, in der stehende Wellen auftreten, wenn sie nicht nicht mit der richtigen Impedanz abgeschlossen wird.
Hp M. schrieb: > Auch ein Fahrraddynamo läuft > schwerer, wenn man ihn elektrisch belastet. Wie Rückkopplung auf den Primärkreis aussehen, wird in dieser Veröffentlichung aufgezeigt: https://www.ee.bgu.ac.il/~pel/pdf-files/conf77.pdf Eine exakte Erklärung wird allerdings nicht gegeben. Hier hinkt der Vergleich mit dem Fahrraddynamo etwas. Im Fall eines sekundärseitigen Kurzschlusses sinkt nur die Resonanzfrequenz im Primärkreis die Amplitude bei Resonanz bleibt gleich. Der Piezotrafo läuft nicht schwerer nur die Frequenz ändert sich. Hat jemand eine gute Erklärung warum die mechanische Schwingung (repräsentiert durch den Reihenschwingkreis) nur die Frequenz, nicht aber die Amplitude des Ausschlags bei Belastung mit einer Last gegen 0 Ohm ändert? Beste Grüße WR
Der Unterschied liegt vielleicht im Betriebspunkt. Konventionelle Trafos werden nicht resonant betrieben. Vielleicht liegts auch am Übersetzungsverhältnis. Im Paper ist eine Ersatzschaltung drin, die man in SPICE werfen kann.
WR schrieb: > Im Fall eines sekundärseitigen > Kurzschlusses sinkt nur die Resonanzfrequenz im Primärkreis die > Amplitude bei Resonanz bleibt gleich. Der Piezotrafo läuft nicht > schwerer nur die Frequenz ändert sich. Selbstverständlich. Ein Kurzschluss oder Leerlauf koppeln ja auch keine Leistung aus, aber die Resonanzfrequenz ändert sich. Beim Kurzschluss tritt eine Reflexion am starren Ende auf, während der Leerlauf einer Reflexion am losen Ende entspricht. Da im ersten Fall bei der Reflexion ein Phasensprung von 180° auftritt, hat ein solcher Resonator eine Länge von λ/4 (90° hinlaufend + 180° Phasensprung + 90° rücklaufend = 360° = 0° wenn die Welle wieder am Erzeuger eintrifft). Die leerlaufende Leitung gleicher Länge hingegegen hat ihre Resonanz bei einer Länge von λ/2, also der doppelten Frequenz (180° hinlaufend +0° (kein Phasensprung) + 180° rücklaufend = 360°) .
WR schrieb: > https://www.ee.bgu.ac.il/~pel/pdf-files/conf77.pdf Ganz am Ende des Papiers steht eine dem Resultat deiner Überlegung sehr kongruente Formel für den optimalen Betriebsbereich. Könnte man in SPICE mit einer Transmission Line vergleichen.
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Hp M. schrieb: > Beim Kurzschluss tritt eine Reflexion am starren Ende auf, während der > Leerlauf einer Reflexion am losen Ende entspricht. Ehrlich gesagt verstehe ich diese Erklärung in Bezug auf die Funktionsweise des piezoelektrischen Transformators nicht. Bei einem klassischen elektromagnetischen Transformator ist eine physikalische Erklärung für die Rückkopplungen auf den Primärkreis vermeintlich einfacher: Im Sekundärkreis wird eine Spannung induziert, die der Erregerspannung 90° nacheilt. Durch einen Stromfluss im Sekundärkreis bzw. in der Sekundärwicklung induziere ich wiederum eine Spannung in der Primärwicklung, die der ursprünglichen Spannung (im Primärkreis) 180° entgegengerichtet ist. Ich kann sicherlich parallelen zu Laufzeitleitungen oder elektromagnetischen Transformatoren ziehen, aber dadurch erhalte ich auch keine fundierte Begründung über die elektromechanischen Ursachen, die eine entsprechende Modellierung von piezoelektrischen Transformatoren rechtfertigt. Mit der Begründung „Das ist ebenso“ möchte ich mich nicht zufrieden geben.
WR schrieb: > Bei einem klassischen elektromagnetischen Transformator ist eine > physikalische Erklärung für die Rückkopplungen auf den Primärkreis > vermeintlich einfacher: Im Sekundärkreis wird eine Spannung induziert, > die der Erregerspannung 90° nacheilt. Du solltest dich erst einmal mit den Grundlagen befassen, bevor du solche Bretter bohrst.
Hp M. schrieb: > WR schrieb: >> Bei einem klassischen elektromagnetischen Transformator ist eine >> physikalische Erklärung für die Rückkopplungen auf den Primärkreis >> vermeintlich einfacher: Im Sekundärkreis wird eine Spannung induziert, >> die der Erregerspannung 90° nacheilt. > > Du solltest dich erst einmal mit den Grundlagen befassen, bevor du > solche Bretter bohrst. Der Erregerstrom. Pardon. So zurück zum eigentlichen Thema: Der Piezoelektrische Transformator wird angeregt (in Resonanz). Der Erregerstrom ist in Phase mit der Erregerspannung. Die mechanische Schwingung eilt der Erregerfrequenz 90° nach. Die mechanische Deformation bzw. die auftretenden mechanischen Spannung rufen, gemäß der konstitutiven Gleichungen der Piezoelektrizität, elektrische Polarisationen von gleicher Natur hervor. Das - infolge der Polarisationen - hervorgerufene Potential bzw. das elektrische Feld regt wiederum das piezoelektrische Material an, deren Schwingung der ursprünglichen mechanischen Schwingung 180° phasenverschoben ist. Die elektrische Energie, die ich in den piezoelektrischen Transformator zuführe, wird in kinetische und potentielle Energie umgeformt, wobei letztere noch in elastische und elektrostatische Energie aufgetrennt werden kann. Wird der Transformator nun durch einen Widerstand belastet sinkt der Erregerstrom, um das „System“ im Gleichgewicht zu halten. Lässt du mich damit die Bretter zusammen schrauben, oder muss ich neue Löcher bohren oder doch besser den Fachmann kommen lassen? Über Anmerkungen und Anregungen wäre ich sehr erfreut. Beste Grüße WR
Das sekundär unbelastete Piezoelement biegt sich stärker durch als das belastete.
Dieter D. schrieb: > Das sekundär unbelastete Piezoelement biegt sich stärker durch als das > belastete. Merci!
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