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.

10.5	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.

10.6	Хемотроника

Среди нетвердотельной электроники следует выделить такое направление, как хемотронику. Хемотроника, называемая иногда ионикой, основана на достижениях электрохимии и электроники. Содержание хемотроники – теория и практика электрохимических преобразователей для новых типов управляющих, информационных, вычислительных и измерительных устройств.

Первыми электрохимическими приборами явились гальванические элементы и аккумуляторы, а также электролитические конденсаторы. В начале развития хемотроники были созданы приборы, являющиеся аналогами диодов и триодов, но в них подвижными носителями заряда являлись ионы в жидких электролитах, а не электроны. На основе этих приборов удалось осуществить выпрямление и усиление. Поскольку масса ионов во много раз больше, а подвижность во много раз меньше, чем масса и подвижность электронов, приборы хемотроники весьма инерционны и пригодны только для очень низких частот. В этом состоит их существенный недостаток. Но в некоторых устройствах автоматики процессы протекают медленно, и в этих случаях «низкочастотность» приборов хемотроники не имеет значения. Преимущества данных приборов по сравнению с электровакуумными и полупроводниковыми приборами:

· многофункциональность, поскольку в жидкостях могут протекать различные физико- химические процессы;

· в этих приборах можно сравнительно легко перестраивать внутреннюю структуру, т.е. осуществлять внутреннее управление;

· высокая устойчивость вместе с возможностью внутренней перестройки.

Как правило, хемотронные приборы имеют герметичный корпус, в котором находятся электролит и электроды, Материалы электродов и корпуса не должны вступать в химическое взаимодействие с электролитом.

Значительная часть приборов хемотроники – это концентрационные электрохимические преобразователи (преобразователи диффузионного типа). Их работа основана на изменении концентрации активных компонентов электролита. Эти компоненты содержатся в электролите в двух видах: окисленном и восстановленном. Кроме того, в электролите имеется еще и пассивный (индифферентный) компонент, не участвующий в химических реакциях, а лишь увеличивающий проводимость электролита.

Распределение активных компонентов зависит от нескольких процессов, протекающих в электролите. Диффузия- распространение ионов вследствие разности концентраций. Конвекция – перемещение самого раствора за счет разности плотности. Миграция- перемещение ионов под действием электрического поля, созданного разностью потенциалов на электродах. Главную роль играет диффузия.

Простейший электрохимический прибор – симметричная плоская электрохимическая ячейка, отличительной особенностью которой является наличие одинаковой площади электродов из одного и того же материала. Вольтамперная характеристика такой ячейки также симметрична. У несимметричной ячейки площади электродов различны, и вольтамперная характеристика также несимметрична, следовательно, такая ячейка обладает выпрямляющими свойствами. Можно получить выпрямляющий эффект и при одинаковой площади электродов, если разделить весь объем электролита на две неравные части с помощью диффузионного барьера, которым может быть пористая или сплошная перегородка с тонкой щелью или капилляром, соединяющим отсеки.

В отличие от полупроводниковых, электрохимические диоды работают уже при очень низких напряжениях, могут быть очень малых размеров, обладают низким уровнем собственных шумов, просты в изготовлении, дешевы и имеют высокую надежность. Пригодны для низких и инфранизких частот.

Хемотронные диоды с диффузионным барьером могут применяться в качестве интеграторов тока, т.е. счетчиков количества электричества. При протекании тока изменяется концентрация компонентов электролита и его цвет. Поэтому возможно визуальное определение количества электричества, но погрешность составит не менее 10%. Если в диод ввести дополнительный электрод, то можно количество электричества определить по току в цепи дополнительного электрода.

В электрохимических датчиках давления имеется три или четыре электрода, и часть корпуса делается в виде гибкой мембраны. Внешнее давление передается через мембрану на электролит, который приходит в движение, и тогда на один из электродов попадает больше ионов. Ток этого электрода возрастает, и по нему можно судить о давлении. Такие датчики применяются только для измерения переменного давления. Подобно такому датчику работают электрохимические микрофоны, в частности, применяемые для подводной акустической связи и называемые гидрофонами.

Большую группу приборов хемотроники составляют электрохимические преобразователи. Они основаны на использовании электрокинетического движения. Это движение под действием электрического поля частиц жидкого вещества, заряженных положительно и отрицательно. Как уже указывалось, движение ионов под действием поля называется миграцией. Движение в электрическом поле более крупных частиц, чем ионы, называется электрофорезом. Движение жидкости через пористую перегородку или капилляр под действием поля носит называние электроосмоса. Работа электрохимического прибора на основе электрофореза или электроосмоса носит называние насосного режима. Но возможен и другой – генераторный режим. Он состоит в том, что под действием давления жидкость проходит через пористую перегородку и тогда между противоположными сторонами перегородки возникает разность потенциалов.

Принцип работы электрокинетического прибора в генераторном режиме пояснен на рис.11.2. Пористая перегородка 1, на которой с двух сторон имеются электроды 2 и 7 в виде металлических сеток, делит прибор на две камеры 3 и 6, заполненные электролитом. Внешнее давление может быть передано на электролит через гибкие мембраны 4 и 5. Давление на одну из мембран вызывает проталкивание жидкости через пористую перегородку, и тогда на электродах появляется разность потенциалов. Подобный прибор служит для измерения переменного давления, и на его основе могут быть построены электрокинетические микрофоны, гидрофоны, виброметры, т.е. приборы для измерения переменных перемещений (вибраций), акселерометры – приборы для измерения ускорений. Диапазон рабочих частот у подобных приборов может быть от 0,1 до 100000 Гц.

Интересны электрохимические приборы для накопления электрического заряда, называемые иониксами, или ионисторами. Они эквивалентны конденсаторам сверхбольшой емкости. Устройство ионикса показано на рис. 11.3.

Серебряный и угольный электроды разделены твердым электролитом, в качестве которого используется рубидий – йодид серебра или сульфид- йодид серебра. При пропускании тока на поверхности угольного электрода, являющегося анодом, образуется двойной электрический слой, аналогичный системе двух разноименных зарядов в конденсаторе. Удельная емкость у иониксов может достигать 10 Ф/ см³, т.е. на три порядка выше, чем у оксидных (электролитических) конденсаторов. Удельное сопротивление утечки у них очень велико (до 10¹⁰ Ом ^. см). Поэтому иониксы могут сохранять заряд один – два года с уменьшением его всего лишь на 3-5 %. Недостаток иониксов – очень низкое рабочее напряжение, не более 0,5 В. Кроме того, это инфранизкочастотные приборы, так как уже при частоте 20 Гц их емкость уменьшается в 100 раз. Рабочие температуры у них от –60 до 175 ^о С. Для более высоких напряжений иониксы соединяют последовательно. Например, для получения емкости 5Ф при рабочем напряжении 5В надо соединить последовательно 10 иониксов емкостью по 50 Ф. Такая батарея иониксов может использоваться, как источник тока, и давать, например, ток 1мА в течение 5000 с при снижении напряжения с 5 до 4 В.

Особую группу представляют визуальные электрохимические индикаторы. В простейшем случае они имеют два электрода в электролите, находящемся в небольшом стеклянном баллончике. Электролит применяют такой, чтобы он изменял свой цвет при подаче напряжения на электроды. Подаваемое напряжение может быть постоянным, или переменным, или импульсным. Важно, что оно может быть низким. На основе таких индикаторов созданы матричные индикаторные панели. В них имеются две взаимно перпендикулярные системы электродов – каждая в виде параллельно расположенных металлических полос. Подача напряжения на ту или иную пару электродов (полос) вызывает изменение цвета электролита.

Основные достоинства электрохимических индикаторов: низкий уровень управляющих сигналов и малая потребляемая мощность (от сотен милливатт до сотен –микроватт); большой динамический диапазон – до 80 дБ; большой срок службы (десятки тысяч часов); возможность работы на низких и инфранизких частотах.

Дата добавления: 2014-01-07