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.

Основные типы и конструкции пьезотрансформаторов

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 Rн >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 ε^т_зз, 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%.