П’єзотрансформатор

Лорисна модель належить до радіоелектронної галузі техніки, а саме до п'єзоелектричних приладів і може бути використана, як п'єзотрансформатор у вторинних джерелах живлення різної апаратури, особливо такої, що потребує високоякісного симетричного двополярного живлення. Наприклад, таких як малошумлячі попередні підсилювачі з динамічним діапазоном більшим ніж 120 дб для біофізичних, сейсмічних, акустичних пристроїв та таке інше. Відомий п'єзотрансформатор (Розена) з поперечно-повздовжньою поляризацією містить довгу прямокутну п'єзокерамічну пластину з трьома електродами у вигляді тонкого шару срібла, нанесеного методом плавлення. При цьому два протилежні електроди нанесено на широких сторонах від краю до середини пластини, а третій - на протилежному від ни х торці. Матеріал пластини поміж протилежними електродами поляризований поперечно, а друга половина пластини поляризована поздовжньо. За допомогою електродів формуються дві секції трансформатора - вхідна та ви хідна. Принцип дії трансформатора полягає у подвійному перетворенні енергії: у вхідний секції збудження з протилежними електродами електрична енергія коливань напруги певної частоти перетворюється в механічну, а у другій секції з торцевим електродом - вихідній, механічна перетворюється у електричну з напругою більшої амплітуди. Перетворення енергії відбувається на одній з резонансних частот пластини. До причин, які перешкоджають використанню описаного п'єзотрансформатора є можливість отримання лише однополярної напруги з великим коефіцієнтом трансформації при невеликій потужності [1, 2, 3]. Найбільш близьким до об'єкта, що заявляється є п'єзотрансформатор з поперечною поляризацією, який містить квадратну пластину з п'єзокерамічного матеріалу, на обидві сторони якої нанесено три тонкі електроди зі срібла. При цьому на одній стороні електрод виконано суцільним, а на другій, подібний електрод, розділено на два електроди різної форми за допомогою симетричного кільцевого зазору. ІГєзокерамічну пластину заполяризовано поперек товщі матеріалу. Вхідна секція трансформатора утворена суцільним електродом та протилежним з кільцевим вирізом, а вихідна - суцільним електродом та протилежним дисковим електродом. Принцип дії трансформатора полягає у подвійному перетворенні енергії: у вхідній секції збудження електрична енергія коливань напруги певної частоти перетворюється в механічну, а у другій секції з дисковим електродом - вихідній, механічна енергія коливань перетворюється у електричну з напругою більшої амплітуди. Перетворення енергії відбувається на одній з резонансних частот квадратної пластини. До причин, які перешкоджають широкому використанню п'єзотрансформатора описаної конструкції є можливість отримання лише однієї вихідної напруги [4]. В основу корисної моделі поставлено задачу отримання від п'єзотрансформатора двох вихідних напруг рівної величини шляхом зміни конфігурації його електродів. Поставлена задача вирішується тим, що в п'єзотрансформаторі, що містить квадратну пластину з поперечно поляризованого п'єзокерамічного матеріалу з електродами з обох сторін, один з яких є суцільним, згідно з винаходом, що заявляється, електроди на протилежній стороні виконано у вигляді чотирьох рівних квадратів, при цьому два діагонально протилежні квадратні електроди утворюють вхідн у секцію, а два інші електроди разом з суцільним електродом - дві вихідні секції. Підведення змінної напруги певної частоти до двох діагонально розташованих електродів вхідної секції викликає резонансні коливання у поляризованому п'єзокерамічному матеріалі пластини. П'єзотрансформатор у вигляді пластини квадратної форми з п'ятьма електродами та зовнішніми колами збудження та навантаження утворюють складну електромеханічну систему коливань, яка має декілька резонансних частот. В залежності від частоти збудження змінюються параметри перетворення первинної енергії збудження у енергію вторинних ланцюгів навантаження. Дослідно та теоретично показано, що максимальний ефект перетворення енергії у квадратній пластині досягається при збудженні коливань на частоті, яка відповідає першій та третій резонансним модам коливань Ламе. На першій моді коливань максимальний коефіцієнт трансформації дорівнює шести, а на третій - чотирьом. Механічні переміщення поляризованого матеріалу пластини приводять до генерації електричних напруг у ви хідних секціях між суцільним електродом однієї сторони пластини та двома іншими з другого. Таким чином ми отримуємо два джерела змінного струму рівної величини з однією загальною точкою, які є гальванічно розв'язаними від вхідної секції. На кресленні Фіг. 1 зображено зовнішній вигляд п'єзотрансформатора. На кресленні Фіг. 2 зображено схему підключення п'єзотрансформатора до зовнішніх кіл. П'єзотрансформатор містить квадратну пластину 1 з поперечно поляризованого п'єзокерамічного матеріалу, суцільний електрод 2, чотири квадратні електроди 3. Два діагонально протилежних електроди 3 утворюють вхідн у секцію, а два інших електроди 3 разом з суцільним електродом 2 - дві ви хідні секції. (Фіг. 1). П'єзотрансформатор датчик працює таким чином. Від генератора 1 (Фіг. 2) у вхідну секцію збудження 2 подаються коливання змінної напруги на одній з резонансних частот пластини. При цьому відбувається перетворення електричної енергії генератора у механічну енергію коливань пластини 3. Механічні напруги, які виникають в п'езоматеріалі пластини на електродах 4 вихідних секцій відносно суцільного електрода 5 генерують дві змінні напруги рівної величини, які живлять секції навантаження 6. Джерела інформації: 1. Лавриненко В.В. Пьезоелектрические трансформатори. М.; Енергия, 1975. 2. Карташов И.А., Марченко Н.Б. Пьезокерамические трансформаторы тока. Киев, Техніка, 1978. 3. Ерофеев А.А., Данов Г.А., Фролов В.Н. Пьезоелектрические трансформаторы и их применение в радиоелектронике. М.; Радио и связь, 1988. 4. В.М. Климашин и др. Новые области применения пьезотрансформаторов. Компоненты и технологии. №1, 2004.