Wandler

Überblick über den Wandler

 

„Wandler“ ist der Oberbegriff für Geräte, die in der Lage sind, eine Energieform

(das sogenannte „Eingangssignal“) in eine andere (das „Ausgangssignal“) umzuwandeln, während eine erkennbare und stabile Beziehung zwischen den beiden erhalten wird. Der Aktor ist der Teil des Geräts, der die eingehende Energie empfängt und in eine Form von Bewegung umwandelt. Der Aktor in einem Elektromotor, zum Beispiel, empfängt eine elektrische Eingangsleistung und wandelt diese in eine mechanische Bewegung um, wie es in der Tat der Aktor in einem Lautsprecher macht, obwohl die Form der Bewegung in den einzelnen Fällen sehr unterschiedlich ist.

 

Wandler können grundlegend in drei große Gruppen unterteilt werden. Eingangswandler wandeln eine Quelle physikalischer Energie (z. B. Druck, Temperatur oder Schallwellen) in ein lesbares Signal um: Mikrofone, beispielsweise, wandeln die Schallwellen, die ihre Membran in Schwingung versetzen, in elektrische Signale um, die dann über Leitungen weitergegeben werden können. Aktoren-Wandler wandeln dagegen ein elektrisches Eingangssignal in physische Energie um: Die Lautsprecher eines Soundsystems wandeln beispielsweise das von einer Tonaufzeichnung stammende elektrische Eingangssignal in physikalische Schallwellen um.

 

„Kombinationswandler“ wie zum Beispiel Ultraschallgeräte sind in der Lage, Bewegung zu erzeugen und zu empfangen. Der Ultraschallsensor oszilliert beispielsweise zwischen seiner Aktorfunktion (Ultraschallwellen produzieren und diese in den Körper übertragen) und seiner Sensorfunktion (durch die er die übertragenen Ultraschallwellen empfängt, wenn sie von anatomischen Strukturen im Körper zurückprallen). Diese Oszillation findet mehrfach pro Sekunde statt. Die Übertragungs- und Empfangssignale werden dann verarbeitet und zu einem sichtbaren Bild verbunden, das auf einem elektronischen Bildschirm angesehen werden kann.

 

Geschichte

 

Ein Wandler ist einfach der Oberbegriff für jedes Gerät, das eine Energieform in eine andere und diese in ein lesbares Signal umwandelt. Eine der frühesten Formen eines Wandlers ist die berühmte Erfindung des englischen Physikers Robert Hooke, der akustische Energie (das gesprochene Wort) in kinetische Schwingungen eines Stück Drahtes umwandelte: Eine Person sprach in einen Becher an einem Ende. Die Stimme wurde in Schwingungen des Kabels umgewandelt und als Stimme am „Ausgangsende“ des Kabels, das ebenfalls ein Becher war, wiedergegeben. Faktisch hatte er eine frühe Version des Mikrofons erschaffen.

 

Im 19. Jahrhundert wurden zahlreiche Entdeckungen über Materialien gemacht, die in der Lage sind, einen Wandlereffekt zu erzeugen. Der deutsch-baltische Physiker Thomas Johann Seebeck fand zum Beispiel 1821 heraus, dass zwei unterschiedliche Metalle, die als Schaltkreis angeordnet sind, eine elektrische Spannung erzeugen, die, wenn sie an der Stelle, an der sie sich berühren, erwärmt werden, in der Lage ist, einen Magnet abzulenken: Das Prinzip des modernen Thermoelements war entdeckt. Der englische Physiker John P. Joule, ein Zeitgenosse Seebecks, entdeckte im Jahr 1842, dass, wenn ein Magnetfeld an einen Eisenstab angelegt wird, dieser sich zusammenzieht, ein Phänomen, das als „Joule Magnetostriktion“ bekannt wurde. Im Jahr 1880 hatten Jacques und Pierre Curie die Piezoelektrizität entdeckt: Wenn eine physikalische Kraft auf einen Quarzkristall wirkt, produziert dieser eine elektrische Ladung.

 

Bis zum 20. Jahrhundert wurden zahlreiche hochwertige Wandlermaterialien entdeckt und hergestellt. Auf Nickel und piezoelektrischer Keramik basierende Sonargeräte waren bis zum Ende des Jahrhunderts veraltet, was zur Herstellung neuer, auf Lanthaniden basierenden Legierungen führte. Letztere können verhältnismäßig starke magnetostriktive Effekte aufweisen. Heute werden die meisten piezoelektrischen Wandler aus Blei-Zirkon-Titanat gefertigt.

 

Heutzutage werden hunderte verschiedener Wandler in zahllosen gewerblichen, industriellen und Haushaltsanwendungen eingesetzt.

 

Technische Aspekte

 

Wenn eine Energieform in eine andere durch den Einsatz eines Wandlers umgewandelt wird, ist es zwangsläufig so, dass ein Teil dieser Energie einfach verloren geht. Einige Wandler sind jedoch effizienter als andere. Funkantennen speichern unter optimalen Bedingungen mehr als 80% der Energie der Funkfrequenzen, die sie empfangen, wenn sie diese in ein elektromagnetisches Feld umwandeln. Elektromotoren dagegen sind normalerweise deutlich weniger effizient, da sie im Allgemeinen mehr als die Hälfte der Energie, die sie erhalten, während der Umwandlung verlieren. Unter den am wenigsten effizienten Wandlern sind die herkömmlichen Glühbirnen, die häufig mehr als 90% der elektrischen Energie, die sie in Licht umwandeln sollen, in Form von Wärme verlieren.

 

Es gibt hunderte verschiedene Arten von Wandlern. Elektroakustische Wandler transformieren beispielsweise entweder elektrische Signale in akustische Leistung um oder akustische Leistung in elektrische Signale (z. B. das Hydrophon, ein Gerät, das in der Lage ist, durch Wasser übertragene akustische Energie aufzunehmen und diese in elektrische Signale umzuwandeln - ein unschätzbares Gerät für die Schallortung von U-Booten). Piezoelektrische Wandler wandeln elektrische Spannung in Bewegung oder physikalische Belastung über ein integrales piezoelektrisches Element in elektrische Signale um. Sie werden üblicherweise in Dehnungsmessstreifen, piezoelektrischen Schwingungssensoren und Beschleunigungsmessern verwendet. Einer der am weitesten verbreiteten Typen ist der elektromagnetische Wandler. Beispiele dafür sind der Hall-Effekt Wandler (der Magnetfelder in elektrische Signale umwandelt), der Induktivitätswandler und Speicherdrosseln.

 

Elektrische Wandler, wie zum Beispiel das Thermoelement, wandeln über zwei unterschiedlich leitende Metalle, die verschiedene thermoelektrische Eigenschaften besitzen, Wärmeenergie in elektrische Spannung um. Dies ist ein Beispiel eines „aktiven“ Wandlers, da er als Reaktion auf das Eingangssignal Energie (in diesem Fall Strom) erzeugt. Andere, die als passive Wandler bekannt sind, reagieren auf die Stimulation durch ein eingehendes Signal durch die proportionale Veränderung einer passiven elektrischen Eigenschaft, wie zum Beispiel Induktivität, Widerstand oder Kapazität. Der lineare Verschiebungswandler verändert beispielsweise die Position eines Kontaktes auf einem Stück elektrisch leitfähigen Materials, wobei sich der Widerstand zum elektrischen Strom, der hindurch fließt, ändert. Normalerweise kann die Verschiebung des Kontaktes verstärkt werden, indem ein gedruckter Schaltkreis, Dünnschichtschaltkreis oder drahtgewickelter Schaltkreis so verwendet wird, dass eine relativ kleine physikalische Verschiebung der Kontaktposition eine messbare Änderung des Widerstandes erzeugt. Physikalische Positionsveränderungen werden, mit anderen Worten, in elektrische Signale umgewandelt.

 

Pneumatische Wandler arbeiten mit Druckluft, die sie in ein lesbares Signal umwandeln. Solch ein Wandler nutzt eine Druckluftströmung aus einer Düse, die auf eine bewegliche Prallwand gerichtet wird, wodurch die Prallwand unter der Kraft der Luft zurückweicht. Dabei wird dahinter ein Luftdruck erzeugt, den der Wandler dann in ein Signal umwandelt. Ein ähnliches Prinzip wie die pneumatischen Wandler besitzen die hydraulischen Ausführungen, bei denen durch die Änderung eines Flüssigkeitsdrucks ein Signal erzeugt wird, anstatt des Luftdrucks.

 

Einsatzgebiete der Wandler in der Produktion

 

Elektromagnetische Wandler sind für zahlreiche Anwendungen in der Produktion geeignet, von Beschleunigungsmessern in bewegungssensitiven Mobiltelefonen bis zu Rotations- und Linearmotoren und Dehnungsmessstreifen. Elektrooptische (oder photoelektrische) Dioden umfassen Leuchtdioden (LED), die aufgrund ihres niedrigen Energieverbrauchs und der wesentlich höheren Effizienz gegenüber Neonleuchten, zunehmend in Beleuchtungssystemen verwendet werden. Thermoelemente werden benutzt, um die Umgebungstemperatur in Heizungssystemen von Wohnhäusern und Geschäftsgebäuden zu regulieren, in der Industrie um hohe Temperaturen in Industrieöfen und Chemiewerken zu überwachen.