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WO2011160751A1 - Hochspannungsgenerator - Google Patents

Hochspannungsgenerator Download PDF

Info

Publication number
WO2011160751A1
WO2011160751A1 PCT/EP2011/002583 EP2011002583W WO2011160751A1 WO 2011160751 A1 WO2011160751 A1 WO 2011160751A1 EP 2011002583 W EP2011002583 W EP 2011002583W WO 2011160751 A1 WO2011160751 A1 WO 2011160751A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezo
voltage
voltage generator
elements
piezoelectric elements
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/002583
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd SCHÜNEMANN
André PRACHTHÄUSER
Original Assignee
Rheinmetall Waffe Munition Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinmetall Waffe Munition Gmbh filed Critical Rheinmetall Waffe Munition Gmbh
Publication of WO2011160751A1 publication Critical patent/WO2011160751A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/537—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/183—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using impacting bodies

Definitions

  • the invention relates to a high voltage generator, in particular for use as a disturbance frequency generator, which comprises at least one consisting of a plurality n Piezo piezoelectric column for converting mechanical pressure into electrical voltage, wherein the number of piezoelectric elements is n> 3, and the Voltage can be short-circuited via at least one spark gap.
  • the piezoelectric elements are usually stacked arranged one above the other.
  • the mutually facing electrodes of adjacent piezoelectric elements are electrically conductively connected to each other, so that the piezoelectric elements of the corresponding piezo-column form a series circuit. Therefore, if pressure is exerted on the ends of the piezo-column, the result is a total voltage nx Uo, where Uo means the peak value of the surge voltage generated by the individual piezoelectric element.
  • Uo means the peak value of the surge voltage generated by the individual piezoelectric element.
  • a spark gap which may be ignited or spark ignited, the stored energy in the piezoelectric elements then discharges into a load (for example, an antenna of the jammer).
  • voltages of up to 250 kV can be generated by stacking serially connected piezo elements. Desirable or desirable, however, are voltages in the megavolt range.
  • a high-voltage generator in which two piezoelectric columns are electrically connected in opposite directions in series via an electrically conductive coupling piece.
  • electrodes extend from the front ends of the columns into the region of the coupling piece along the piezo columns and serve here as spark electrodes for spark gaps towards the coupling piece and between each other.
  • the two piezoelectric columns are formed by stacked piezoelectric elements, the electrodes of adjacent piezoelectric elements are electrically connected directly to each other, so in turn result series circuits with the disadvantages mentioned above.
  • the invention has for its object to provide a high voltage generator of the type mentioned, with the voltages can be generated by increasing the number of piezoelectric elements over a value of 250 kV.
  • the invention is based essentially on the idea of making the stacking of the individual piezoelectric disks on the principle of a Marx generator. Since the pressed piezo disks behave like charged ceramic capacitors, it is possible to discharge them like the capacitors in a Marx generator.
  • DE 199 59 358 C2 describes an autonomous RF radiation source which uses a Marx generator, by which a plurality of repetitive surge voltages are successively generated and emitted successively to the target via the UWB pulse generator and the broadband antenna.
  • the electrical circuit of the high voltage generator according to the invention thus resembles the circuit of a Marx generator for generating surge voltages.
  • a number of electrically parallel-connected capacitors are first charged and then connected in series at a predetermined point in time via spark gaps, in order thereby to generate a corresponding multiplication of the voltage.
  • the main difference is that no charging of the individual capacitors by high voltage electrical is necessary, but that the piezoelectric disks are compressed by a high pressure within milliseconds. Since individual disks at the same pressure hold higher voltages than a stack of disks, the stack is constructed so that each disk is insulated from each other and only when reaching a maximum voltage value at each disk by spark gaps a series circuit is formed and the voltage thus depends on the number of discs multiplied.
  • the addition of the impulse voltages generated by the individual piezo elements still occurs in the high voltage generator according to the invention by exerting a corresponding pressure on the piezo column, but only after reaching the SChaltprimarily on the piezo column by ignition the spark gaps between the electrodes of adjacent piezoelectric elements, the individual piezoelectric elements electrically form a series circuit, the voltage on the piezoelectric column is multiplied correspondingly in dependence on the number of piezoelectric elements. Surprisingly, this process substantially improves the high-voltage strength of the piezoelectric column compared with known arrangements.
  • the high voltage is generated only for (very short) the period of time by being needed.
  • the voltage at the antenna is thus increased again, so that lower input voltages stronger HPEM pulses (HPEM: High Power Electromagnetics) can be generated.
  • the high-voltage generator 1 comprises a piezo column 100 composed of a number n of stack-shaped piezo elements 2, which is connected to a load (antenna) 4 via a first spark gap 3.
  • the number of piezo elements should be 2 "n"> 3.
  • Each piezoelectric element 2 comprises a part 5 of a piezoelectric material (for example a ceramic), on which two opposite electrodes 6, 7 are applied.
  • a piezoelectric material for example a ceramic
  • Adjacent piezoelectric elements 2 of the high-voltage generator 1 are electrically separated from each other by an insulating disc 8.
  • the two electrodes 6, 7 of adjacent piezoelectric elements 2, which are separated by an insulating disk are electrically connected to one another via a second spark gap 9.
  • the electrodes 6 are connected via a discharge resistor 10 to ground 11 of the high voltage generator 1.
  • the pressure on the disk package 100 is freely selectable at the top, wherein the dielectric strength of the individual elements / disks 2 and the mechanical pressure resistance must be taken into account.
  • An increase in the energy content of the system can - regardless of the number of slices and / or the constant pressure on the discs 2- additionally be made by increasing the maximum open circuit voltage U 0 . This depends on the piezoelectric voltage constants, the pressure and the distance between the electrodes.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator (1), insbesondere zur Verwendung als Störfrequenz-Generator, der mindestens eine auseine Anzahl „n" Piezoelementen (2) bestehende Piezo-Säule (100) zum Wandeln von mechanischem Druck in elektrische Spannung umfasst, wobei die Anzahl der Piezoelemente (2) n > 10 beträgt, und die Spannung über mindestens eine erste Funkenstrecke (3) kurzschließbar ist. Um Spannungen durch Erhöhung der Anzahl der Piezoelemente (2) auch über einen Wert von 250 kV zu erzeugen, schlägt die Erfindung vor, die jeweils benachbarten Piezoelemente (2) der Piezo-Säule (100) elektrisch voneinander isoliert anzuordnen und die einander zugewandten Elektroden (6, 7) benachbarter Piezoelemente (2) jeweils über eine eigene zweite Funkenstrecke (9) miteinander zu verbinden, sodass sich eine Erhöhung der Gesamtspannung ergibt. Die Stapelung der einzelnen Piezoelemente (2) erfolgt hierbei nach dem Prinzip eines Marx-Generators.

Description

BESCHREIBUNG
Hochspannungsgenerator
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsgenerator, insbesondere zur Verwendung als Störfrequenz-Generator, der mindestens eine aus eine Vielzahl n Piezoelementen bestehende Piezo-Säule zum Wandeln von mechanischem Druck in elektrische Spannung um- fasst, wobei die Anzahl der Piezoelemente n > 3 beträgt, und die Spannung über mindestens eine Funkenstrecke kurzschließbar ist.
Durch die zunehmende Komplexität von Sensorik, Elektronik, Mikroelektronik in modernen intelligenten Verteidigung-, Kommunikations- und Überwachungssystemen steigt zum einen die Leistungsfähigkeit dieser Systeme, zum anderen können diese aber aufgrund ihrer Baueigenschaften sehr anfällig für elektromagnetische Felder hoher Leistungsdichte sein (HPME- High Power Electromagnetics). Diese in der Praxis verbringbaren Quellen ermöglichen es, die Sensorik und / oder Elektronik mit geringen kollateralen Schäden zu stören bzw. sogar zu zerstören (DE 103 42 7360 A1).
Neben Explosivstoffen als Energiequelle (DE 100 44 867 A1) ist die Umsetzung der mechanischen in elektrische Energie mittels piezoelektrischen Keramiken bekannt. Durch Druck auf eine solche Keramik wird elektrische Spannung erzeugt, die Keramik verhält sich wie ein einfacher geladener Keramikkondensator. Die Energiedichte ist zwar um eine Größenordnung niedriger, als im Explosivstoff, aber immer nach ausreichend für das gegebene Volumen.
Bei derart bekannten Hochspannungsgeneratoren werden die Piezoelemente üblicherweise stapeiförmig übereinander angeordnet. Dabei sind die einander zugewandten Elektroden benachbarter Piezoelemente elektrisch leitend miteinander verbunden, sodass die Piezoelemente der entsprechenden Piezo-Säule eine Serienschaltung bilden. Wird daher auf die Enden der Piezo-Säule Druck ausgeübt, so ergibt sich eine Gesamtspannung n x Uo, wobei Uo der Scheitelwert der von dem einzelnen Piezoelement erzeugten Stoßspannung bedeutet. Über eine Funkenstrecke, die fremd gezündet oder selbstzündend sein kann, entlädt sich die in den Piezoelementen gespeicherte Energie dann in eine Last (beispielsweise eine Antenne des Störsenders).
Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, lassen sich durch die Stapelung seriell geschalteter Piezoelemente Spannungen bis maximal 250 kV erzeugen. Erwünscht bzw. erstrebenswert sind jedoch Spannungen im Megavoltbereich.
Aus der DE 101 50 636 C2 ist ein Hochspannungsgenerator bekannt, bei dem über ein elektrisch leitendes Koppelstück zwei Piezo-Säulen elektrisch gegensinnig in Serie geschaltet sind. Dabei erstrecken sich längs der Piezo-Säulen Elektroden von den Stirnenden der Säulen in den Bereich des Koppelstückes und dienen hier als Funkenelektroden für Funkenstrecken zum Koppelstück hin und zwischen einander.
Auch bei diesem Hochspannungsgenerator werden die beiden Piezo-Säulen durch übereinander gestapelte Piezoelemente gebildet, wobei die Elektroden benachbarter Piezoelemente elektrisch direkt miteinander verbunden sind, sodass sich wiederum Serienschaltungen mit den vorstehend erwähnten Nachteilen ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsgenerator der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem Spannungen durch Erhöhung der Anzahl der Piezoelemente auch über einen Wert von 250 kV erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, die Stapelung der einzelnen Piezoscheiben nach dem Prinzip eines Marx- Generators vorzunehmen. Da die gepress- ten Piezoscheiben sich wie geladene Keramikondensatoren verhalten, ist es möglich, sie wie die Kondensatoren in einem Marx- Generator zu entladen. - Die DE 199 59 358 C2 beschreibt eine autonome RF- Strahlenquelle, die einen Marx- Generator verwendet, durch den nacheinander mehrere repetierte Stoßspannungen erzeugt und über den UWB- Pulser sowie die Breitbandantenne nacheinander auf das Ziel abgestrahlt werden. - Die elektrische Schaltung des erfindungsgemäßen Hochspannungsgenerators ähnelt somit der Schaltung eines Marx -Generators zur Erzeugung von Stoßspannungen. Allerdings werden bei dem hier verwendeten Marx- Generator zunächst eine Anzahl elektrisch parallelgeschalteter Kapazitäten aufgeladen und dann zu einem vorbestimmten Zeitpunkt über Funkenstrecken in Serie geschaltet, um dadurch eine entsprechende Vervielfachung der Spannung zu erzeugen.
Demgegenüber erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungsgenerator keine parallele Aufladung von Kapazitäten, sondern elektrisch isolierte, aber mechanisch parallel zueinander angeordnete Piezoelemente erzeugen durch Ausübung eines entsprechend hohen Druckes jeweils eine Stoßspannung mit dem Scheitelwert U0. Durch Zünden der Funkenstrecken zwischen den Elektroden benachbarter Piezoelemente erfolgt anschließend, ähnlich wie bei dem Marxgenerator, eine entsprechende Vervielfachung der Spannung an der Piezo-Säule in Abhängigkeit von der Anzahl der Piezoelemente.
Der wesentliche Unterschied ist also, dass keine Aufladung der einzelnen Kondensatoren durch elektrische Hochspannung notwendig ist, sondern, dass die Piezoscheiben durch einen hohen Druck innerhalb von Millisekunden zusammengepresst werden. Da einzelnen Scheiben bei gleichem Druck höhere Spannungen als ein Stapel von Scheiben halten, wird der Stapel so aufgebaut, dass jede Scheibe gegeneinander isoliert ist und erst beim Erreichen eines maximalen Spannungswertes an jeder einzelnen Scheibe durch Funkenstrecken eine Reihenschaltung entsteht und die Spannung sich somit abhängig von der Anzahl der Scheiben vervielfacht. Im Gegensatz zu den bekannten Hochspannungsgeneratoren der gattungsgemäßen Art, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Hochspannungsgenerator bei Ausübung eines entsprechenden Druckes auf die Piezo-Säule noch keine Addition der durch die einzelnen Piezoelementen erzeugten Stoßspannungen, sondern erst wenn nach Erreichen der SChaltspannung auf die Piezo-Säule durch Zünden der Funkenstrecken zwischen den Elektroden benachbarter Piezoelemente die einzelnen Piezoelemente elektrisch eine Serienschaltung bilden, wird die Spannung an der Piezo-Säule in Abhängigkeit von der Anzahl der Piezoelemente entsprechend vervielfacht. Überraschenderweise wird durch diesen Vorgang die Hochspannungsfestigkeit der Piezo-Säule gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich verbessert.
Es ist dabei angedacht, die jeweils benachbarten Piezoelemente einer Piezo-Säule elektrisch voneinander isoliert anzuordnen und die einander zugewandten Elektroden benach- barter Piezoelemente jeweils über eine eigene Funkenstrecke miteinander zu verbinden, sodass sich erst nach Zündung der Funkenstrecken eine Serienschaltung der Piezoelemente und damit eine Erhöhung der Gesamtspannung ergibt.
Vorteilhafterweise wird die Hochspannung lediglich für (sehr kurzen) den Zeitraum erzeugt, indem sie benötigt wird. Zugleich ist es möglich, durch die Funkenstrecken an einer Induktivität ein resonantes Umladen in einen kapazitiven Resonator mit Antenne zu erzeugen. Die Spannung an der Antenne wird dadurch nochmals erhöht, sodass mit niedrigeren Eingangsspannungen stärkere HPEM-Pulse (HPEM: High Power Electromagnetics) erzeugt werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand einer Figur erläuterten Ausführungsbeispiel.
In der Figur ist mit 1 ein Hochspannungsgenerator bezeichnet. Der Hochspannungsgenerator 1 umfasst eine aus eine Anzahl n stapeiförmig angeordneten Piezoelementen 2 sich zusammensetzende Piezo-Säule 100, die über eine erste Funkenstrecke 3 mit einer Last (Antenne) 4 verbunden ist. Dabei sollte die Anzahl der Piezoelemente 2„n" > 3 sein.
Jedes Piezoelement 2 umfasst ein Teil 5 aus einem piezoelektrischen Material (beispielsweise einer Keramik), auf den zwei gegenüberliegende Elektroden 6, 7 aufgebracht sind.
Benachbarte Piezoelemente 2 des Hochspannungsgenerators 1 sind elektrisch voneinander jeweils durch eine Isolierscheibe 8 getrennt. Dabei sind die jeweils beiden durch eine Isolierscheibe getrennten Elektroden 6, 7 benachbarter Piezoelemente 2 elektrisch über eine zweite Funkenstrecke 9 miteinander verbunden. Außerdem sind die Elektroden 6 über einen Entladewiderstand 10 mit Masse 11 des Hochspannungsgenerators 1 verbunden.
Wird nun in Richtung des mit 12 bezeichneten Pfeils Druck auf die„n" übereinander gestapelten Piezoelemente ausgeübt, so ergibt sich an den Elektroden 6, 7 jedes der Piezoelemente 2 eine Stoßspannung mit dem Scheitelwert U0.
Zündet nun eine Funkenstrecke 9, wovon eine oder mehrere fremd gezündet sein können, verschiebt sich die Spannung des nächsten Piezoelementes so, dass eine Addition erfolgt. Die Spannung erhöht sich an der darauf folgenden (zweiten) Funkenstrecke 9 dabei schlagartig. Eine Kettenreaktion setzt ein und innerhalb von Nanosekunden sind alle Funkenstrecken 9 durchgeschaltet und die maximale Spannung des gesamten Stapels von n Piezoelementen 2 beträgt Uges = n x U0.
Die im elektrischen Feld gespeicherte Gesamtenergie entlädt sich nun über die Funkenstrecke 3 in die Last 4.
Durch eine geschickte Wahl der Induktivität in der Zuleitung zur Last 4 ist es möglich die Spannung an der Last 4 zusätzlich zu erhöhen, sodass es möglich ist eine Spannung ULast > Uges zu erreichen.
Der Druck auf das Scheibenpaket 100 ist nach oben hin frei wählbar, wobei die Spannungsfestigkeit der einzelnen Elemente / Scheiben 2 und die mechanische Druckfestigkeit berücksichtig werden müssen. Eine Steigerung des Energiegehaltes des Systems kann - unabhängig der Anzahl der Scheiben und / oder des konstanten Drucks auf die Scheiben 2- zusätzlich durch die Steigerung der maximal möglichen Leerlaufspannung U0 vorgenommen werden. Diese hängt von der piezoelektrischen Spannungskonstanten, dem Druck und dem Abstand der Elektroden ab.
Bezugszeichenliste
1 Hochspannungsgenerator
2 Piezoelement
3 (erste) Funkenstrecke
4 Last
5 Teil
6,7 Elektroden
8 Isolierscheibe
9 (zweite) Funkenstrecke
10 Entladewiderstand
11 Masse
12 Pfeil
100 Piezo-Säule

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Hochspannungsgenerator (1), insbesondere zur Verwendung als Störfrequenz- Generator, der mindestens eine aus eine Anzahl„n" Piezoelementen (2) bestehende Piezo-Säule (100) zum Wandeln von mechanischem Druck in elektrische Spannung und eine damit funktional verbundene Last (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils benachbarten Piezoelemente (2) der Piezo-Säule (100) elektrisch voneinander isoliert angeordnet und die einander zugewandten Elektroden (6, 7) benachbarter Piezoelemente (2) jeweils über eine Funkenstrecke (9) miteinander verbunden sind.
Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolierung benachbarter Piezoelemente (2) zwischen diesen jeweils eine Isolierscheibe (8) angeordnet ist.
Hochspannungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung einer Elektrode (7) jedes der Piezoelemente (2) über einen Widerstand (10) erfolgt.
Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente (2) aus piezoelektrischer Keramik bestehen.
Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Piezoelemente (2) n > 3 beträgt.
Hochspannungsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelung der einzelnen Piezoelemente (2) nach dem Prinzip eines Marx- Generators erfolgt.
PCT/EP2011/002583 2010-06-23 2011-05-25 Hochspannungsgenerator WO2011160751A1 (de)

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DE102010024845.2A DE102010024845B4 (de) 2010-06-23 2010-06-23 Hochspannungsgenerator
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WO (1) WO2011160751A1 (de)

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