Piezoelektrischer Transformator

Ein piezoelektrischer Transformator ist eine Bauform eines Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt. Er dient dazu, um eine zugeführte elektrische Wechselspannung einer bestimmter Frequenz, welche von den mechanischen Abmessungen des Transformators bestimmt wird, in eine höhere oder niedrigere Wechselspannung umzusetzen. Anwendungsbereiche liegen bei Resonanzwandlern zur Erzeugung der Hochspannung für die Versorgung der Leuchtröhren (CCFL), welche häufig zur Hintergrundbeleuchtung in TFT-Monitoren eingesetzt werden.^[1][2]

Allgemeines

Aufbau eines piezoelektrischen Transformators mit Piezokristall und elektrische Ersatzschaltung

Erste Arbeiten zur elektromechanischen Energieumsetzung mittels Piezoelektrizität gehen auf Charles A. Rosen aus dem Jahr 1958 zurück, wovon sich auch die Bezeichnung Rosen-Transformator für eine Bauform ableitet und welcher in nebenstehender Abbildung schematisch dargestellt ist.^[3] Zu der damaligen Zeit waren allerdings noch nicht passende Werkstoffe, sogenannte Ferroelektrika wie das Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) für den praktischen Einsatz verfügbar. Piezoelektrische Transformatoren erreichten erst in den 1990-Jahren in verschiedenen Nischenanwendung wie bei Hintergrundbeleuchtung von TFT-Displays im Bereich der Resonanzwandler eine gewisse wirtschaftliche Bedeutung.^[4]

Bei piezoelektrischen Transformatoren wird die primärseitig zugeführte Wechselspannung U_p über die an den Kristall aufgedampften Elektroden zunächst in eine mechanische Schwingung umgewandelt. Die Frequenz ist dabei wesentlich von der Geometrie und den mechanischen Aufbau abhängig. Dadurch bildet sich innerhalb des Ferroelektrikums eine mechanische Welle aus, welche durch den piezoelektrischen Effekt auf der sekundärseitigen Elektrode eine Ausgangsspannung U_s erzeugt. Je nach Geometrie des Kristallplättchens und Position der Elektroden am Kristall ist diese Ausgangsspannung höher oder niedriger als die Eingangsspannung. Eine galvanische Trennung ist bei dem Rosen-Transformator nicht möglich.

Piezoelektrische Transformatoren eignen sich nur zur Übertragung kleiner Leistungen. Typische Leistungsbereiche liegen im Bereich einiger weniger Watt bis zu einigen 10 W bei Resonanzfrequenzen um einige 10 kHz bis zu einigen 100 kHz.^[1] Es lassen sich damit, vergleichsweise einfach, hohe sinusförmige Wechselspannungen erzeugen, wie sie zur Versorgung von Leuchtröhren benötigt werden. Bei herkömmlichen magnetischen Transformatoren stellt insbesondere bei hohen Ausgangsspannungen die Isolation der Wicklungen eine technologische Schwierigkeit bzw. einen hohen Kostenfaktor dar, da es bei Spannungsüberhöhungen leicht zu elektrischen Überschlägen zwischen den Wicklungen kommen kann. Bei piezoelektrischen Transformatoren besteht dieses Isolationsproblem prinzipbedingt nicht, womit sich kostengünstige und mit hohen Standzeiten ausgestattete Resonanzwandler für CCFL-Beleuchtungen herstellen lassen.^[5]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} C. Kauczor, T. Schulte, H. Grotstollen: Piezoelektrische Transformatoren - Schaltungen und Anwendungen. 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Technische Universität Ilmenau, 23.-26. September 2002 (online, abgerufen am 4. Oktober 2010).
2. ↑ Comparing magnetic and piezoelectric transformer approaches in CCFL applications. Application Note Texas Instrument, 2005 (engl.).
3. ↑ Charles A. Rosen: Electromechanical Transducer, US-Patent Nr. 2,830,274, 1958
4. ↑ Piezo Transformer Element. Fuji & Co, abgefragt am 3. Oktober 2010 (engl.).
5. ↑ S. Ben-Yaakov, M. Shvartsas, G. Ivensky: A Piezoelectric Cold Cathode Fluorescent Lamp Driver Operating from a 5 Volt Bus. In: Proceesings. of PCIM 2000. Nürnberg 2000, S. 379–383.