II.Пьезоэлектрические трансформаторы (ПЭТ)

I. Кварцевый резонатор, имеющий очень высокую стабильность частоты колебаний.

Применяется в качестве эталонов частоты и при разработке образцовых средств измерений частоты. Особенно высокая стабильность достигается, если кварцевый резонатор поместить в термостат. Существует также особый срез кварцевой пластинки (относительно кристаллографических осей), при котором и без термостата стабильность частоты очень высока.

В данных устройствах пьезоэлемент имеет три или большее число электродов, подключенных к источнику переменного напряжения и нагрузке, либо к нескольким источникам и нескольким нагрузкам. Так же, как и обычные трансформаторы с обмотками, ПЭТ могут усиливать сигнал по напряжению или по току, преобразовывать нагрузочное сопротивление, осуществлять фазовый сдвиг на 180^о.

В большинстве случаев ПЭТ являются трансформаторами напряжения, но если они рассчитаны на большие значения токов (в несколько Ампер), то их называют трансформаторами тока. Часть ПЭТ, подключенных к источнику переменного напряжения, называется возбудителем, а часть, подключенная к нагрузке – генератором. В возбудителе за счет обратного пьезоэффекта энергия электрических колебаний переходит в энергию акустических волн, которые распространяются по направлению к генератору. В нем за счет прямого пьезоэффекта энергия механических колебаний преобразуется в электрическую. Так как амплитуда механических колебаний максимальна при резонансе, то именно на резонансных частотах коэффициент трансформации, равный отношению вторичного напряжения к первичному, будет максимальным.

В простейшем виде ПЭТ делается из двух пьезокерамических брусков, склеенных друг с другом. Один брусок служит возбудителем, другой – генератором. Оба бруска сделаны из пьезокерамики различного состава, так как к материалам возбудителя и генератора предъявляются разные требования. В зависимости от расположения электродов на возбудителе и генераторе возможны трансформаторы различных типов. Наибольшее применение получили трансформаторы поперечно- продольного типа. У него в возбудителе электрическое поле направлено поперек, а в генераторе – вдоль. В зависимости от соотношения размеров коэффициент трансформации напряжения в режиме холостого хода может достигать нескольких тысяч.

Кроме «брусковых», применяются и другие ПЭТ: дисковые, цилиндрические. Особенности пьезоэлектрических трансформаторов: отсутствие обмоток, простота устройства, низкая стоимость, малая масса, возможность микроминиатюризации. Недостаток ПЭТ – отсутствие проводимости для постоянной составляющей тока, что не позволяет применять их в некоторых практических схемах.

11.2	Физические основы акустоэлектроники

Акустоэлектроника – это область электроники, содержание которой – теория и практика создания устройств, основанных на акустоэлектронном взаимодействии и служащих для преобразования и обработки сигналов. К приборам акустоэлектроники относятся: преобразователи временные (устройства задержки сигналов или изменения их длительности), частотные и фазовые (преобразователи частоты и спектра, устройства фазового сдвига), амплитудные (усилители, модуляторы). В ряде случаев использование акустоэлектронных устройств преобразования сигнала оказывается более предпочтительным, чем электрических преобразователей.

В акустоэлектронике для преобразования акустических в электрические колебания и обратно широко используется прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Таким образом, акустоэлектроника тесно связана с пьезоэлектроникой.

Под акустоэлектронным взаимодействием понимают взаимодействие ультразвуковых волн частотой от 10⁷ до 10¹³ Гц с электронами проводимости в металлах или полупроводниках. Ультразвуковые волны, распространяясь в твердом теле, воздействуют на внутрикристаллические электрические поля. Последние существуют вследствие того, что поля, созданные положительными и отрицательными ионами в промежутках между атомами и молекулами кристаллической решетки, не скомпенсированы, причем напряженность их может быть существенной (до 10⁸ В/см) и более.

Действие ультразвуковых волн состоит в том, что они вызывают колебания кристаллической решетки, и это приводит к изменению напряженности внутрикристаллических полей, которые, в свою очередь, изменяют свое действие на электроны проводимости. Иначе акустоэлектронное взаимодействие называют электрон- фононным взаимодействием. Такое название дано в связи с тем, что ультразвуковые волны и упругие колебания кристаллической решетки можно рассматривать, как и электромагнитные волны, в виде потока квантов энергии. Эти кванты называются фононами. Распространение звуковых волн в кристаллах представляет собой поток фононов. Энергия звуковых волн (фононов) передается электронам проводимости, т.е. происходит электронное поглощение.

Возникновение в металле или полупроводнике тока или ЭДС под действием ультразвуковых волн называется акустоэлектрическим эффектом. Ультразвуковая волна как бы «увлекает» за собой электроны. Ток протекает в направлении распространения звука. Этот эффект выражен сильно в пьезополупроводниках . При интенсивности звука 1Вт/см² ЭДС достигает нескольких В/см.

При воздействии на кристалл внешнего электрического поля, создающего дрейф электронов в направлении распространения звуковой волны, возможны два случая преобразования:

· скорость дрейфа электронов меньше скорости волны. В этом случае энергия звуковой волны поглощается электронами, и волна затухает,

· скорость дрейфа электронов больше скорости ультразвуковой волны. Тогда электроны отдают свою энергию волне, и ее амплитуда возрастает, т.е. происходит усиление волны. Коэффициент усиления может достигать десятков дБ.

Акустоэлектрический эффект вызывается действием либо объемных ультразвуковых волн в толще кристалла (звукопровода), либо поверхностных акустических волн (ПАВ). ПАВ – это упругие волны, распространяющиеся на свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другой средой и затухающие при удалении от границы. ПАВ могут иметь вертикальную поляризацию, когда смещение частиц в волне происходит параллельно границе, но перпендикулярно направлению распространения волны. Чаще всего используются ПАВ с вертикальной поляризацией на границе твердого тела с вакуумом или газом (волны Рэлея).

Важнейшие свойства ПАВ – сравнительно небольшая (1,6- 4,0 км/с) скорость распространения и возможность взаимодействия с планарными структурами в виде пленок на поверхности звукопровода. Этим обеспечивается преобразование ПАВ в электрический сигнал и обратно, а также изменение направления распространения волн, их отражение, усиление, затухание.

Рассмотрим устройство и принцип действия основных приборов акустоэлектроники.

Акустоэлектронные преобразователи (АЭП) на ПАВ (линии задержки, полосовые фильтры, датчики)

Схема простейшего АЭП приведена на рис. 11.3.

Дата добавления: 2014-01-07