Elektrisches Wellenfilter. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Wellenfilter, bei denen me chanische Schwingungselemente benützt wer den.
Die Erfindung bezweckt die Erweiterung des Frequenzbereiches solcher Filter, .die Herabsetzung ihrer Herstellungskosten und der Zahl der für ihren Bau erforderlichen Schwingungselemente.
Es ist bekannt, dass Wellenfilter dritter Art in bezug auf die bei ihnen erhältlichen Übertragungskenngrössen den Vorteil der all gemeinen Verwendbarkeit besitzen. Dieser Vorteil ist jedoch vom Nachteil begleitet, dass sie eine sehr grosse Anzahl von Impe- danzelementen und zwischen den Impedanz elementen gewisser Zweige einen hohen Ab gleichungsgrad erfordern.
Wo zur Gewähr leistung der aus ihrem geringen Energie verbrauch hervorgehenden Vorteile mecha- nisehe Schwingungsvorrichtungen, beispiels weise piezoelektrische Kristalle, in den Filterstromkreis eingefügt werden, lassen die Herstellungskosten und der Aufwand beider Einstellung @dieser Vorrichtungen es wüün- sehenswert erscheinen,
ihre Anzahl auf ein Mindestmass; herabzusetzen.
Das elektrische Wellenfilter nach der Er findung, welches zwei Paare von Impedanz zweigen aufweist, die zwischen ein Ein gangsklemmenpaar und ein Ausgangsklem- menpaar derart eingeschaltet sind, dass sie ein symmetrisches Kettenglied dritter Art bilden, wobei je die beiden zu einem Paar zusammengehörigen Impedanzzweige gleich sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches 'Schwingungselement symme trisch mit beiden Zweigen des einen Paares elektromechanisch gekoppelt ist,
und dass ein zweites mechanisches Schwingungselement in gleicher Weise mit beiden Zweigen des an dern Paares gekoppelt ist, wobei die genann ten Schwingungselemente verschiedene Reso nanzfrequenzen besitzen. Die elektromecha- ni.sehe Kopplung kann entweder elektrosta tisch oder elektromagnetisch sein, wobei sich die erste Art dort eignet, wo piezoelektrische Kristalle als mechanische Schwingungs elemente verwendet werden, und die zweite Art, wo metallische Resonatoren verwendet werden.
Ferner können für den Bau der Fil ter piezoelektrische Kristalle verwendet wer den, die Biegtings.schwingungen ausführen können, wodurch der Frequenzbereich erheb lich erweitert wird. Zu diesem Zwecke kön nen Kristallelemente verwendet werden. die entweder in Form eines Stabes oder einer Stimmgabel zugeschnitten sind und die vor zugsweise in oder in der -Nähe ihrer Sch -inrungsknoten gehalten werden.
Nachstehend werden Ausführungsbei spiele der Erfindung, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind. beschrieben. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 schematisch ein Wellenfilter, in welchem als mechanische Impedanzelemente piezoelektrisehe Kristalle verwendet werden, Fio-. 2 einen piezoelektrischen Schwing- körper.
Fig. 3 das Ersatzschema der Vorrichtung nach Fit' o-.<B>2</B>, Fig. 4 eine auf dem Prinzip der Magneto- striktion beruhende Schwingungsvorrichtung, Fin. 5 das Ersatzschema der Vorrichtung der Fig. 4, Fig. t; die Kennlinien dieser Vorrichtung, Fig. -7 eine schematische Darstellung eines Filters mit magnetostriktiven Schwingungs vorrichtungen.
Fig-.8 und 9 Kennlinien des Filters der Fig. 7, Fig. 10 ein piezoelektrisches Kristall element. das in der Form eines Stabes zu geschnitten ist und Biegungsschwingungen ausführen kann, Fig.1l eine Seitenansicht des Kristall elementes der Fig. 10, aus welcher ersicht lich ist, in welcher Weise das Element durch mit den einzelnen Elektroden kontakt machende Klemmen getragen wird, Fig. 12 ein piezoelektrisches Kristall- element,
das in der Form einer Stimmgabel zugeschnitten ist, Fig. 13 einen Schnitt in der Ebene 4-4 des Kristallelementes der Fig. 12, Fig. 14, wie die Elektroden .der Elemente der Fig. 10 und 12 angeschlossen werden müssen, damit diese Biegungsschwingungen ausführen können, Fig. 15 Kurven, die bei der Berechnung derartiger Filter vorteilhaft angewendet wer den können, Fig. 16 ein Kettenglied dritter Art. in welchem zwei Kristallelemente nach Fig. 111 oder 12 verwendet werden.
Das in der Fig. 1 gezeigte Filter dritter Art besitzt zwei piezoelektrische Kristalle 10 und 11. welche als mechanische Schwin;.n igs- elemente wirken und so mit dem elektrischen Teil gekoppelt sind, dass jeder Kristall in zwei gleich angeordneten Zweigen des Ketten- gliedes dritter Art liegt. Auf diese Wehe ist der Kristall 10 in beide Leitungszweige und der Kristall Il in beide l@reuzz-uveige ein geschaltet.
Die Eingangsklemmen des Fil ters sind mit 1 und 2 und die Ausgangs klemmen mit 3 und 4 bezeichnet.
Die Kristalle können als rechtwinklige Platten ausgebildet sein, die so zugeschnitten sind, dass die grösste Fläche senkrecht zur elektrischen Achse des Kristallen und die längere Seitenfläche parallel zur mecha nischen Achse des Kristallen liegt. Dabei ist unter der mechanischen Achse diejenige zu verstehen, die senkrecht zu den ihrer seits senkrecht zueinander stehenden elek trischen und optischen Achsen steht und längs welcher die Hauptschwingungen eines longitudinal schwingenden Niederfrectuenz- kristalles auftreten.
Kristalle, die so ge schnitten und deren grosse Flächen mit Elek troden versehen sind, schwingen bei elek trischer Erregung longitudinal und be sitzen, wenn sie für den beim Trägertelepho- niebetrieb benützten, verhältnismässig nied rigen Frequenzbereich bemessen -orden sind, Abmessungen, die einen zweckmässigen me chanischen Einbau erlauben. Andere be kannte Formen von Kristallen können jedoch auch verwendet und unter Umständen sogar bevorzugt werden. Das in der Fig. 1 .gezeigte Filter ist jedoch mit den oben beschriebenen rechteckigen Kristallen versehen, die von der Seite gezeigt sind.
Der Kristall 10 ist mit zwei Elektroden paaren 1'2, 121 und 13, 131 versehen, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kristallgis liegen, das Paar 12, 121 in der obern Kri stallhälfte und das Paar 13, 131 in der un tern. Diese Elektroden können aus Silber be stehen, das direkt auf den Kristall auf gebracht ist, beispielsweise so, dass die bei- der. :u belegenden Flächen zuerst ganz mit Silber überzogen werden, worauf in der Mitte jeder Fläche ein schmaler Streifen des Sill rüberzuges entfernt wird.
Im allgemei nen empfiehlt es sich, auch an den Kanten einen schmalen Streifen zu entfernen. Der Kristall 11 ist in gleicher Weise mit zwei entsprechenden Elektrodenpaaren 14, 14' und 15, 151 versehen. Die Elektroden 12 und 12' des Kristallgis 10 sind mit den Klemmen 1 bezw. 3 verbunden und die Elektroden 13 und 131 mit den Klemmen 2 bezw. 4. Die Elektroden 14 und 141 des Kristallgis 11 sind mit den Klemmen 1 bezw. 4 und die Elek troden 15 und 151 mit .den Klemmen 3 bezw. 2 verbunden. Die Fig. 2 zeigt eine perspekti vische Ansicht des Kristallgis 10 und die An ordnung der Elektroden und ihrer An schlüsse.
Obschon jeder Kristall als einheitliches Schwingungsgebilde arbeitet, lässt sieh sein Verhalten im Filterstromkreis am besten da durch betrachten, dass man ihn als gleich wertig zu zwei Kristallen auffasst, die da durch erhalten werden, dass man ihn zwi schen zwei benachbarten Elektroden durch schneidet. Dadurch würde man zwei gleiche Leitungszweigkristalle und zwei gleiche Kreuzzweigkristalle erhalten.
Würden vier getrennte Kristalle benützt, so müsste man der Verbindungsweise der Elektroden und der Filterklemmen keine Beachtung schen ken, dagegen muss man, wenn sie wie in Fig.1 und 2 .gepaart sind und so einheitliche Gebilde bilden, darauf achten, dass die Er- regungsspannungen, die jeder Hälfte an gelegt werden, eine derartige gegenseitige Beziehung aufweisen, dass beide Hälften gleichzeitig in der gleichen Richtung schwin gen.
Andernfalls wü.rd-e die Schwingung jeder Hälfte diejenige der andern aufzuheben versuchen, und es würde eine Durchbiegung längs der Längsachse des Kristallgis auf treten. Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ver bindungsweise werden die richtigen gegen seitigen Polaritätsverhältnisse für die Er regungsspannungen erhalten, so dass jede Hälfte des Kristallgis in der richtigen Weise schwingt.
Aus der Fig. 1 geht hervor, dass im Falle des Kristallgis 10 die untern Elek troden 13 und 131 gegenüber den Elektroden 12 und 121 in umgekehrter- Weise mit den Eingangsklemmen und den Ausgangsklem inen verbunden sind. Das gleiche gilt auch für die Elektrodenpaare des Kristallgis 11.
Die Fig. 3 zeigt den elektrischen Ersatz stromkreis für den Kristall 10. Er umfasst zwei gleiche Impedanzen, von denen jede aus einem einfachen Resonanzstromkreis besteht, zu dem eine Kapazität in Nebenschluss ge legt ist, wobei die eine Impedanz zwischen die Klemmen 1 und 3 und die andere zwi schen die Klemmen 2 und 4 eingeschaltet ist. Die beiden Impedanzen des Ersatzstrom kreises sind keiner gegenseitigen Kopplung unterworfen, obgleich in Wirklichkeit der gleiche mechanische .Schwingkörper in jedem Stromweg wirkt.
Die Werte der im elektrischen Ersatz stromkreis vorhandenen Induktanzen und Kapazitäten können aus den Kristallabmes sungen bestimmt werden, indem man zuerst das elektrische Äquivalent des ganzen Kri stallgis unter der Annahme bestimmt, dass die beiden Elektroden einer jeden Fläche eine praktisch die ganze Fläche bedeckende ein zige Elektrode bilden. Die Impedanz jeder Hälfte des Kristallgis ist dann zweimal so gross wie jene des ganzen Kristallgis. In der Fig. 3 besteht jede Impedanz aus einem Resonanzzweig mit einer Induktanz 2 L1 und einer Kapazität von
EMI0003.0044
dem eine Kapazität von
EMI0004.0001
parallelgeschaltet ist.
Als Funktio nen der Abmessungen des Kristalles können diese Grössen wie folgt dargestellt werden:
EMI0004.0006
worin l., zc und<I>t</I> die Länge, Breite und Dicke des Kristalles in Zentimetern sind.
Für die Kombination zweier Paare piezo- elektrischer Kristalle in einem Kettenglied dritter Art, das nur ein einziges Übertra gungsband aufweisen soll, gilt, dass die Lei tungszweig- und die Kreuzzweig-Kristall- impedanzen ungleiche Frequenzcharakteristi- ken besitzen müssen, die eine solche Be ziehung zueinander aufweisen, dass die Reso nanz der Leitungszweige mit der Antireso nanz der Kreuzzweige zusammenfällt oder umgekehrt. Die Gleichungen (1) ermöglichen ec:, die Kristalldimensionen so zu bemessen, dass diese Bedingung erfüllt, wird.
Fig. 1 zeigt vier gleiche Reihenindukta.n- zen vom Wert ?!, L", die in die Zuleitungen zum Kettenglied eingeschaltet sind und durch die ein breiteres Übertragungsband er halten wird, ohne dass die Schärfe der Selek tivität leidet.
Fig. 4 zeigt eine andere Art von elektro mechanischen Impedanzen, die sich zur Ver wendung in derartigen Filtern eignet. Bei dieser Vorrichtung besteht das Schwingungs element aus dem rohrförmigen Glied 16 aus magnetostriktivem Material, das in der Mitte durch die Schneiden 17 und 171 getragen wird und mit den zur Aufnahme der Wechselströme dienenden Erregerspulen 18 und 19 versehen ist.
Wie dargestellt, be decken diese Spulen die ganze Länge der Röhre, doch können sie auch nur halb so lang gemacht >erden. Das Schwingen der Röhre 1.6 wird durch magnetostriktive Kräfte hervorgerufen, die durch die Ströme in den Wicklungen bewirkt -#\,erderi. und damit diese Kräfte die gleiche Frequenz wie die Erregungsströme erhalten, muss die Röhre durch ein einseitig gerichtetes magnetisches Feld magnetisch polarisiert werden.
Zu diesem Zweck ist ein Polarisierungs magnet 21 vorgesehen, dessen Polflächen vor den Enden des 'Schwingungselementes liegen und der somit mit letzterem einen praktisch geschlossenen magnetischen Kreis bildet. Die zwischen den Enden des Rohres 16 und dem Polarisierungsmagnet vorhandenen schmalen Luftspalte ermöglichen ein freies Schwingen. Das @1-fagnetfeld wird durch eine Wicklung ?2 hervorgerufen. die von der Batterie 23 oder einer sonstigen Gleichstromquelle über einen einstellbaren Widerstand 24 gespeist wird.
Um zu verhindern, dass unter der Ein wirkung der Erregungsströme in der Röhre 16 ein Wirbelstromfluss auftreten kann, ist diese bei 20 in der Längsrichtung geschlitzt.
Die elektrische Impedanz eines magneto- striktiven Elementes der gezeigten Art, ge messen an den Klemmen einer der Erre@,c,r- w-icklungen, entspricht derjenigen der Fig. 5, die eine Induktanz L" besitzt, zu der ein Reilienresonanzstromkreis L, Cl in Neben schluss gelegt ist.
Die Induktanz L" ent- ,cpricht der Induktanz L" der Erregerwick lung bei fehlender Mmnnetotriktionswirkung oder bei derart befestigter Reihre 16, dass sie nicht schwingen kann. Die Induktanz L, und die Kapazität Cl besitzen Werte, die von den körperlichen Abmessungen, den mechanischen Konstanten der Röhre 16 und dem Magneto- striktionskraftfaktor abhängig sind.
Näheres darüber findet sich in einem Artikel von ssutterworth in den "Proceedings of ehe Phy- sical Societv" vom<B>1.</B> März 1931, Seite 166. Es ist zu erwähnen, dass die. Resonanz von L, und Cl der ersten mechanischen Resonanz frequenz des Rohres bei Längsschwingungen entspricht.
Die Reaktanz-Frequenzkennlinie der Im pedanz ist durch die Kurve 25 der Fi g. 6 dargestellt. Sie zeigt ns,ci kritische Fre- quenzwerte, den einen bei fo, bei welchem Antiresonanz vorhanden ist, und eine höhere Frequenz f,, die der Resonanzfrequenz von L, und C,, das heisst der mechanischen Reso nanz des Schwingkörpers entspricht.
Infolge der durch die iVIagnetostriktion bewirkten, verhältnismässig geringen elektromechani schen Kopplung liegen die beiden Frequen zen f" und f, sehr nahe beieinander, so dass die Verwendung der Vorrichtung auf Filter mit sehr schmaler Bandbreite beschränkt zu sein scheint. Ein grösserer Frequenzabstand zwischen den kritischen Frequenzwerten lässt sich jedoch durch Hinzufügen einer Kapa zität in Reihe zur Erregerwicklung erzielen, wobei die Reaktanzkennlinie etwa den Ver lauf der Kurve 26 der F'ig.6 besitzt.
Es tritt dann eine unterhalb f" liegende neue ldesonanzfrequenz f 2 auf, und die obere Reso nanzfrequenz wird vom Wert f, nach fa ver schoben. Der Abstand der Frequenzen f2 und A von der Antiresonanzfrequenz f o kann durch Andern der Reihenkapazität beein flusst werden.
Fig. 7 zeigt die Anwendung von magneto- striktiven Schwingkörpern von der oben be schriebenen Art in einem Breitbandfilter. Es werden dabei zwei \Schwingungselemente 27 und 28 benützt, von denen das Element 27 zwei gleiche Erregerwicklungen W3, und T/Va' besitzt, die in die Leitungszweige des Ketten- gliedes dritter Art eingeschaltet sind.
Das Element \?8 besitzt zwei gleiche Wicklungen 13'b und TVb', die in die Kreuzzweige ein äeschaltet sind. In Reihe zu den Wicklun gen Ww und Wa' sind gleichgrosse Kapazi täten C", und Ca' eingeschaltet, und ein ent sprechendes Paar gleichgrosser Kapazitäten C,, und Cb' ist in die Kreuzzweige eingefügt. Die Schwingungselemente sind in dieser Figur nur sehr schematisch dargestellt,
und die Polarisierungsmagnete und ihre zugehö rigen Stromkreise sind der Einfachheit hat-, ber nicht gezeigt.
Die Wicklung TV" ist zwischen .die Klem men 1 und 3 des Filters und die Wicklung W.;' zwischen die Klemmen 2 und 4 ge schaltet. Die Wicklungen W., und WJ müs sen so gepolt sein, dass der sie durchfliessende Strom den Kern in der gleichen Richtung magnetisiert. Die Wicklungen Wb und Wb' sind in gleicher Weise gepolt. Infolge der Gleichheit der zwei Wicklungen eines jeden Schwingungskörpers werden in di4 beiden Leitungszweige gleiche Impedanzen ein geführt und ebenso in die Kreuzzweige.
Damit das Filter ein einziges Übertra gungsband liefert, müssen die Kreuzzweig impedanzen eine Frequenzkennlinie besitzen, die von derjenigen der LLeitungszweigimpe- daDzen verschieden ist, jedoch eine solche gegenseitige Beziehung zueinander aufwei sen, dass die kritischen Frequenzwerte zu sammenfallen. Die Antiresonanzfrequenzen .der Leitungszweige müssen mit den Reso nanzfrequenzen der Kreuzzweige zusammen fallen und umgekehrt, und zwar innerhalb des Frequenzbereiches des Übertragungs bandes, während im Dämpfungsbereich die Übereinstimmung zwischen kritischen Fre quenzen gleichen Charakters liegen muss.
Dies ist für das Filter .der Fig. 7 an den zwei in .den Fig. 8 und 9 gezeigten Beispielen dargestellt. In der Fig. 8 entspricht die voll ausgezogene Kurve 27 der Reaktanz der Lei tungsimpedanzen und die gestrichelte Kurve 2.8 der Reaktanz der Kreuzzweige.
In die sem Falle erstreckt sich das Übertragungs band von der untersten kritischen Fre quenz f,, nach der höchsten Frequenz fb. Die Kurven 29 und 30, die den Leitungs- und Kreuzzweigimpedanzen entsprechen, zeigen ein .direktes Zusammenfallen zweier Reso nanzen bei der Frequenz fe und die Koinzi denz einer Resonanz- und einer Antireso- nanzfrequenz beim Wert fg. Das Band er streckt sich in diesem Falle von der unter sten kritischen Frequenz f ,# nach der dritten kritischen Frequenz<B>f d,
</B> und die Frequenz f e liegt ausserhalb des übertragenen Bandes. In beiden Figuren ist die Lage des Bandes durch die schraffierten Streifen angedeutet.
Das piezoelektrische Kristallelement der Fig. 10 umfasst ein Parallelep.iped 61 mit einem auf der einen Grossfläche angeordneten E.lektrodenpaar 62 und 63 und einem auf der gegenüberliegenden Fläche liegenden Elektrodenpaar 64@ und 65.
Wenn ein @ol.cher Stab, wie weiter unten beschrieben, zum Aus führen von Biegungsschwingungen veranlasst wird, so schwingt er um die beiden Knoten linien 66 und<B>67,</B> die von den Enden des Stabes um ungefähr den 0,224ten Teil der Länge entfernt sind.
Damit die Haltüeinrich- tun- nur eine --eringe Dämpfung der Sehwin- en el ),uncren bewirken kann, muss der Stab an die- 11 sen Stellen oder in der Nähe derselben ge halten werden.
Dies kann beispielsweise in der in der Figur gezeigten Weise geschehen, -o auf der einen Seite des Kristalles die Klemmen 70 und 71 die Elekt.rorlen. Fit und <B><I>63</I></B> fassen und die Klemmen 7 2 und 73 die auf der andern Seite befindlichen Elektroden 64 und 65, und zwar in nächster Nähe der Linie<B>67.</B> In gleicher Weise sind zwei wei tere Klemmenpaare, von denen die Klemmen 74 und 75 sichtbar ,sind. in nächster Nähe der Linie<B>66</B> angeordnet.
'NZ'ie aus der Fig. 11 hervorgeht., können die oben beschriebenen Klemmen beispiels weise als :Metalleinsätze ausgebildet sein, die in die aus Isoliermaterial bestehenden Träger 76 und 77 eingebettet sind. Die Anschluss- drähte, die an den Stellen 78, 19, 80 und 81 gezeigt sind, können angelötet oder sonstwie mit den Klemmen verbunden sein.
Die Fig. 12 zeigt eine zweite Form eines Kristallelementes, das die Form einer Stimm gabel mit zwei Zinken 32 und 33 und einem Rücken 34 besitzt. Auf der einen Seite der Stimmgabel befindet sich eine Elektrode 35, die längs den äussern. Kanten der Zinken und dem untern Teil des Rückens verläuft. Eine zweite Elektrode 36 verläuft längs den innern Kanten der Zinken und dem obern Teil des Rückens. Auf der gegenüberliegenden Seite der Stimmgabel ist ein gleiches Elektroden paar 3 7 und 38 angeordnet. Eine derartige Stimmgabel besitzt eine Knotenlinie, die parallel zu den Zinken verläuft und den Rückenteil in zwei Teile teilt.
Sie ist in Fig. 12 mit 39-40 bezeichnet. Die Stimm gabel wird vorzugsweise längs dieser Linie gehalten, was beispielsweise mittelst eines Paares von Klemmen 41 und 42 auf der einen Seite und eines Klemmenpaares 43 und 44 auf der andern Seite erfolgen kann.
Wie aus der Fig. 1;3 zu entnehmen ist, können diese Klemmei Metalleinsätze sein, die in ein Trägerpaar aus Isoliermaterial eingelas sen sind und an die Anschlussleiter angelötet oder sonstwie befestigt sind.
Die Fig. 14 zeigt, in welcher Weise das Kristallelement der Fig. 10 zu schalten ist, damit der Stab Biegungsschwingungei aus führt. Die Elektrode 62 und die diagonal gegenüberliegende Elektrode 65 sind mit der Klemme 45 verbunden und die beiden andern Elektronen mit der Klemme 46. Wenn den Klemmen 45 und 46 eine Weehsel-E. M. K. aufgedrückt wird. so wird das Element 61 in Biegungsschwingungen versetzt.
Die Kurve 4 7 der Fig. 15 veranschau licht die Abhängigkeit der Biegungssehwin- gungsfrequenz eines 1 ein langen, "N-ge- sehnittenen" 0'-Kristalles vom Verhältnis der Längen der optischen und mechanischen Achse, wobei in dieser Figur die Ordinate die Frequenz in Kilohertz und die Abszisse die Werte der gewählten Verhältnisse zeigt.
Unter einem "Y-geschnitteneri" 0 "-Kristall versteht man einen Kristall, dessen Haupt fläche, das heisst die grösste Fläche, senkrecht zu einer Fläche des Mutterkristalles geschnit ten wird und dessen Breitseite mit der optischen Achse den Winkel 0 Grad ein schliesst. Die Kurve 48 zeigt dasselbe für einen "N-geschnittenen" 18 '-Kristall, das heisst einen Kristall, dessen Breitseite mit der optischen Achse einen Winkel von<B>18'</B> einschliesst. Die in der Richtung der elek trischen Achse verlaufende Dicke spielt bei der Bestimmung der Frequenz keine Rolle.
Für einen Kristall irgendwelcher anderer Länge kann die Frequenz nach dem Ähnlich- keitsprinzip bestimmt werden, nach welchem für einen Kristall von gegebener Form die Resonanzfrequenz irgendwelcher Schwin gungsart umgekehrt proportional zur Grösse irgendeiner Dimension ist. Für einen 5 cm langen 0'-Kristall mit einem Verhältnis der Längen der optischen Achse zur mecha nischen Achse von 0,2 findet man in der Kurve 47 für die Frequenz beispiels- weise den Wert von 20 Kilohertz. Das ist nur ungefähr ein Drittel der Frequenz für den gleichen Kristall, falls er LängescUwin- gungen durchführt.
Für einen 18'-Kristall ist die Frequenz, wie die Kurve 48 zeigt, etwas geringer, da der Youngsche Modul für diese Schnittart kleiner ist.
Wie bereits erwähnt worden ist, besteht ein bekannter gleichwertiger Ersatzstrom- hreis für einen piezoelektrischen Kristall aus einer Kapazität C,, die in Nebenschlüss zu der Reihenschaltung einer Induktivität und einer Kapazität C2 liegt. Der Wert des Ver- hältnieses
EMI0007.0013
für einen 18'-Kristall, bei wel chem die Elektroden einer Seite etwa "j3 bis der Oberfläche bedecken, liegt bei 180 und für einen 0'-Kristall bei 150.
Die Neben schlusskapazität C, des Ersatzkreises ist die elektrostatische Kapazität zwischen den bei den Plattensätzen. Für einen Biegungs- s c Uwingungen t' ausführenden Stab lassen sich daraus die Werte der R.eaktanzen des Ersatz kreises bestimmen.
Mit stabförmigen Kristallelementen, die zur Ausführung von Biegungsschwingungen angeregt werden, können Frequenzen her unter bis zu 16 oder 17 Kilohertz erzielt werden. Noch niedrigere Frequenzen lassen sich mit stimmgabelförmig zugeschnittenen piezoelektrischen Kristallen erzielen. Damit dieser Kristall zum .Schwingen kommt, müs sen die Elektroden wie in der Fig.14 an geschlossen werden, wobei die Elektroden 62, 63, 64 und 65 die Elektroden 35, 36, 37 und 38 der Stimmgabel der Fig.l2 darstellen.
Die beiden Aussenelektroden 35 und 37 be wirken bei einer gewissen Spannungspola rität, .dass sich die Aussenseite der Zinken ausdehnt, während gleichzeitig die den Innenelektroden 36 und 38 aufgedrückte Spannung bewirkt, dass sich die Innenseite zusammenzieht, so dass sich die Zinken gegen innen verbiegen und wie bei einer Stimm gabel schwingen.
Die Frequenz f einer Stimmgabel in Perioden pro Sekunde ist durch folgende Gleichung gegeben:
EMI0007.0038
worin K eine Konstante, W die Breite einer Zinke und l ihre Länge bedeuten. Diese For mel setzt voraus, dass der Rücken verhältnis mässig breit ausgeführt ist, andernfalls eine Korrektur vorgenommen werden muss. Aus Messungen an einem "X-geschnittenen" V-Kristall hat man für K den Wert 65,000 ermittelt.
Füreinen konkreten Fall mit einem stimmgabelförmigen Kristall von 6 cm Länge mit 4,5 cm langen und 0,4 cm breiten Zin ken ergibt sich demnach die folgende Fre quenz:
EMI0007.0045
Mit einem 6 cm langen Kristall von noch ausführbarer Breite kann man deshalb auf Frequenzen von der Grössenordnung 1 Kilo liertz heruntergehen.
Auf diese Weise ist es durch gleichzeitige Verwendung von stab- und von stimmgabelförmigen Kristallelemen ten möglich, einen Frequenzbereich von 1 bis 50 Kilohertz zu erhalten, ohne dass dabei ein breiterer Kristall verwendet werden muss, als er für Längsschwingungen von 50 Kilo hertz erforderlich ist.
Der Wert des Verhältnisses von C, und Cl liegt für einen stimmgabelförmigen 0'-Kristall ungefähr bei 300. Damit können .die Reaktanzen des Ersatzkreises bestimmt werden. Aus zwei Paaren stimmgabelför migen Kristallen kann ein Kettenleiter dritter Art gebildet werden.
Die Fig. 1.6 zeigt, wie die piezoelek- trischen Kristallelemente von der in Fig. 10 oder 12 gezeigten Art in einem Filter ver wendet werden können. Wie aus der Figur hervorgeht, sind zwei Kristallelemente 55 und 56 zwischen einem Eingangsklemmen paar 5 7 und 58 und einem Ausgangsklemmen- paar 59 und 60 derart angeordnet, dass sie ein Kettenglied dritter Art bilden.
Das eine Paar gegenüberliegender Elektroden des Kri- stalles 55 ist in den zwischen den Klemmen 57 und 59 liegenden obern Leitungszweig eingeschaltet, während das andere Elektro- denpaar zwischen die Klemmen 58 und 60 geschaltet ist. Die Kreuzzweigimpedanzen -erden durch das andere Kristallelement 56 gebildet, dessen eines Elektrodenpaar zwi schen die Klemmen 58 und 59 geschaltet ist, während das andere Elektrodenpaar zwischen den Klemmen 57 und 60 liegt.
Wenn, wie in der Fig. 16, zwei Elemente verwendet wer den, so sind die Übertragungskenngrössen der resultierenden Filter gleich, wie wenn in jedem Impedanzzweig einzelne Impedanz elemente verwendet würden; dagegen ist der Wellenwiderstand des Filters doppelt so gross.