Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ПЬЕЗОТРАНСФОРМАТОРОВ





Пьезокерамические трансформаторы

 

Пьезокерамические трансформаторы (ПТ) относятся к клас­су изделий электронной техники, в основе действия которых ле­жит пьезоэлектрический эффект. Для ПТ характерны простота технологии изготовления, планарность конструкции, отсутствие обмоток, высокие экономичность и надежность. Использование ПТ позволяют существенно улучшить массогабаритные ха­рактеристики и повысить технический уровень обширного класса полупроводниковых преобразовательных устройств и источников вторичного электропитания (ИВЭП) радиоэлектронной аппарату­ры. В частности, высоковольтные источники вторичного электропи­тания на базе ПТ малой и средней мощности (до 10 Вт) имеют в 4 ... 6 раз лучшие массогабаритные показатели, чем аналогичные ИВЭП с электромагнитными трансформаторами. Однако ряд специ­фических особенностей ПТ представляет до сих пор определенные трудности при создании на их основе широкого класса стабилизированных преобразователей для РЭА. Известные схемотехниче­ские методы построения ИВЭП с электромагнитными трансформа­торами в этом случае неприемлемы.Долгое время разработка и внедрение ИВЭП с ПТ сдержива­лись отсутствием высококачественной пьезокерамики с необходи­мыми электрофизическими свойствами и недостаточными усили­ями по развитию силовой пьезополупроводниковой техники.

Уже сегодня устройства, использующие ПТ, находят широкое применение в преобразовательной технике.

 

 

Пьезотрансформаторы (электромеханические преобразователи: энергии) представляют собой монолитные твердотельные конструкции, выполненные из пьезокерамики в виде стержня, пластины, диска или цилиндра.

 

 

Рисунок 24 - Основные типы и конструкции ПТ.

 

Особенностью пьезокерамических транс­форматоров является резонансный характер преобразования энер­гии в сравнительно узкой полосе частоты механического резонан­са, когда амплитуда механических внутренних напряжений дости­гает максимального значения.

По типу возбуждения объемных волн деформаций в ПТ их условно подразделяют на сдвиговые, изгибные и продольные.



Пьезотрансформаторы сдвигового и изгибного типов нашли применение при передаче малых уровней электрических сигналов: ПТ на сдвиговых волнах используют в области частот от 0,5 МГц и выше; ПТ на изгибных волнах используют в низкочастотной области — до единиц килогерц.

Наибольшее распространение получили ПТ пластинчатого типа с возбуждением объемных продольных колебаний в направлении ширины или длины пьезопластины.

В зависимости от направления вектора поля­ризации и направления распространения возбуждаемых колебаний пьезотрансформаторы подразделяют на поперечно-продольные, поперечно-поперечные, продольно-продольные и продольно-поперечные. В зависимости от назначения ПТ разделяют на повышающие и понижающие .

Одна из первых конструкций высоковольтных ПТ показана на рис. 1,а. Коэффициент трансформации такого ПТ достигает 100 в нагруженном состоянии и более 1000 при отсутствии нагрузки. На этом же рисунке даны распределение внутренних механических деформаций и смещение отдельных частей пьезоэлемента; такие ПТ эффективно работают как на основной, так и на второй гар­монике собственного механического резонанса.

 

Для преобразования повышенной мощности наиболее оптимальными являются ПТ с пьезоэлементом в виде цилиндра (рис. 1,г), отличающиеся высокой прочностью при работе в сильных динамических полях и моночастотностью амплитудно-частотных характеристик (АЧХ).

 

 

 

Рисунок 25 – Геометрические размеры пластинчатых ПТ

 

Зависимость скорости распространения упругих волн в ограниченной среде пьезопластины от ее геометрического (поперечного) размера может быть представлена выражением:

 

 

где σ — коэффициент Пуассона, b — поперечный размер, λ— длина продольной волны.

 

Рабочие частоты ПТ и его геометрические размеры можно определить из графика на рисунке 26.

 

 

Рисунок 26 – Зависимость изменения относительной скорости упругих волн от поперечного размера пьезопластины b.

 

К* - нормировочный коэффициент, равный отношению скорости звука в пьезопластине к скорости звука в неограниченной среде.

 

Зависимость коэффициента трансформации Ки для высоко­вольтного ПТ поперечно-продольного типа от его размеров b/l приведена на следующем рисунке:

 

Рисунок 27 – Экспериментальные графики изменения коэффициента трансформации ПТ поперечно-продольного типа от отношения ширины к длине.

 

1 – 2-я гармоника, Rн=200 Мом

2 – 1-я гармоника, Rн=200 Мом

3 – 2-я гармоника, Rн=50 Мом

4 – 1-я гармоника, Rн=50 Мом

 

 

Оптимальные геометрические соотношения для симметричного ПТ приведены на следующем рисунке:

 

Рисунок 28 – Области оптимальных соотношений геометрических размеров ПТ из пьезокерамики ПКД-124-1Т

 

Соотношения справедливы при условии слабых электрических полей и ненагруженном режиме (при >200 МОм).

 

Пьезопластина ПТ имеет конечные и соизмеримые размеры, поэтому возбуждение продольных волн сопровождается появлением дополнительных мод колебаний, например поперечных, изгибных и сдвиговых. Возникновение колебаний побочных типов и особенно изгибных приводит к дополнительным внутренним потерям и нередко к разрушению самой пьезопластины.

 

Выбор конструкции ПТ и его рабочей частоты определяется в основном требованиями его выходных электрических параметров (Ku, Pmax, КПД).

 

При разработке пьезоэлектронных ИВЭП необходимо обеспе­чить необходимую стабильность и устойчивость их работы в ши­роком диапазоне температур. Поэтому при разработке электрической схемы должна быть известна температурная нестабильность самого ПТ. Изменение выходных параметров ПТ в широком диапазоне температур зависит от стабильности электрофизических свойств материалов, из которых изготовлен ПТ.

 

Рисунок 28 – Зависимости изменения электрических параметров ПТ от температуры

Анализ результатов исследования температурных зависимостей показал, что:



резонансная частота ПТ изменяется не более чем на 1 %;

изменение коэффициента трансформации Ки не превышает20%;

КПД имеет максимум при комнатных температурах, а его изменение в диапазоне тем­ператур —60 ...+120° С не превышает 10%;

коэффициент электромеханической связи k33 практически постоянен;

эффективная добротность Qэф повы­шается не более чем на 10%.

 

Значительно (примерно в 1,5 раза) возрастает диэлектрическая проницаемость εтзз, увеличиваются и диэлектрические потери: tgδ (от 0,2% до 2%, т. е. в 10 раз).

 

Рост диэлектрических потерь при повышенной температуре приводит к появлению дополнительных внутренних потерь в объеме диэлект­рика, что снижает, в свою очередь, эффективность энергетических показателей ПТ.

 

В диапазоне температур —60...+120° С изменения tgδ приводят к снижению КПД и выходной мощности Рвых не более чем на 3 ... 5%.

 





Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 2373; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2021) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.005 сек.