П'єзокерамічні трансформатори

Використання прямого та зворотного п'єзоефектів дає змогу реалізовувати таку важливу функцію електричних пристроїв, як перетворення електричного сигналу одного рівня в сигнал іншого, нижчого чи вищого. При цьому дається можливість гальванічно розв'язати входи та виходи кола.

В найпростішому випадку п'єзоелектричний трансформатор (ПЕТ) являє собою монолітну або складену керамічну пластину, яка складається з двох секцій: вхідної (збудження) та вихідної (або генераторної) (рисунок 1.4). Обидві секції поляризовані, а значить, мають п'єзоактивність.

Рис. 1.4. Конструкція ПЕТ

Напрям поляризації може бути вибраний такий, який збігається у збуджуючій та генераторній секціях (рисунок 1.4 а) або який є взаємно перпендикулярним (рисунок. 1.4 б).

В першому випадку трансформатор називається трансформатором кільцевого типу, в другому – поперечного.

Декілька варіантів конструкції ПЕТ зображені на рисунку 1.5.

а) б)

Рис. 1.5. а) Конструкція радіального ПЕТ. б) Конструкція прямокутного ПЕТ

Для радіального ПЕТ (рисунок 1.5 а)) на рисунку 1.6 зображена еквівалентна електрична схема, де R_г та R_н – опори генератора та навантаження; С_к та С_ц – ємності з боку центрального та кільцевого електродів, які вимірюються на низькій частоті при замкнутих на коротко вихідних чи вхідних зажимах; С_к/С_ц – коефіцієнт трансформації

Рис. 1.6. Еквівалентна електрична схема радіального ПЕТ

Опис установки

Вимірювання резонансної частоти резонатора з достатньою для практики точністю можна виконати за схемою зображеною на рисунку 1.7. Резистори R₁ та R₃ використовуються для забезпечення роботи генератора в режимі узгодженого навантаження при низькому вихідному опорі (R₁ = 560 Ом), (R₃ = 50 Ом). Напруга з опору R₃ подається в коло, яке складається з резонатора ВQ та додаткового резистора R₂. На резонансній частоті опір резонатор набуває найменшого значення, при цьому струм в колі резонатора та напруга на резисторі R₂ різко зростають.

Рис. 1.7. Схема для зняття амплітудно-частотної характеристики п’єзорезонатора (ПЕР)

При вимірюванні резонансної частоти можна одночасно розрахувати опір резонатора

, (1.10)

де U₁ – напруга на опорі R₃; U₂ – максимальне значення напруги на опорі R₂.

Опір R₂ необхідно брати якомога меншим, наскільки це дозволяє чутливість вольтметра, a (R₂+R₃)<R.

Антирезонансну частоту вимірюють за тією ж схемою (рис. 1.7), фіксують за мінімальним показником стрілки вольтметра.

Амплітудні та амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) ПЕТ вимірюють за схемою зображеною на рисунку 1.8.

Рис. 1.8. Схема для зняття амплітудно-частотної характеристики ПЕТ

Коефіцієнт передачі ПЕТ на заданій частоті визначають за формулою

. (1.11)

Амплітудну характеристику вимірюють на резонансній частоті, і вона має вигляд

. (1.12)