生產(chǎn)與應(yīng)用徑向多層壓電陶瓷變壓器的性能分析金光浪,潘玉安,范躍農(nóng),曹良足,胡鴻豪(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院,景德鎮(zhèn)333001)并詳細(xì)分析了它的效率、共振頻率、輸出功率、電壓變比等性能。
前言壓電陶瓷變壓器采用壓電陶瓷材料制成,最早于1956年由美國人C.A.Rosen提出,并研制出第一個單層壓電陶瓷變壓器,但限于當(dāng)時的科技水平,產(chǎn)品實(shí)用性極差。由于壓電陶瓷變壓器具有效率高、薄型化、重量輕、升壓比高、無電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),許多知名電子元器件廠家一直在該領(lǐng)域開展了大量研究。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展、制造工藝水平的極大提高,產(chǎn)品日益成熟,特別是近十年,電子產(chǎn)品小型化、薄型化、高效化的要求對它的需求越來越大,目前比較成熟的產(chǎn)品是Rosen型和厚度振動型,前者在液晶顯示器背光電源及一些小型高壓電源中得到廣泛應(yīng)用,后者在高頻開關(guān)電源中應(yīng)用較廣。
近來對橫向振動型壓電變壓器的研究取得了很大進(jìn)展,其中最典型的是徑向振動型壓電陶瓷變壓器,本文介紹了這種壓電陶瓷變壓器的工作原理、等效電路,并分析了其性能。
工作原理壓電陶瓷材料具有極化特性和壓電特性。所謂極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場作用下內(nèi)部電疇與外加電場取向一致;所謂壓電特性是指在一個極化好的壓電陶瓷材料上施加一個壓力,則有自由電荷流入外接電路,這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng);反之稱為逆壓電效應(yīng)。
壓電陶瓷變壓器將逆壓電效應(yīng)與壓電效應(yīng)結(jié)合起來,其基本原理是利用輸入交變電壓使壓電陶瓷片處在機(jī)械簡諧振動狀態(tài),再由輸出端電極利用正壓電效應(yīng)將簡諧振動的機(jī)械能換成同頻率的電能,從而完成電能一機(jī)械能一電能的能量傳遞過程。一般情況下要求輸入電壓頻率應(yīng)與壓電陶瓷的固有頻率一致,這樣瓷片會產(chǎn)生機(jī)械共振現(xiàn)象,從而能有效地傳遞能量。
單層徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)如所示:整個壓電變壓器可以分成兩部分:下半部分沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變,作為輸入端,稱為驅(qū)動部分;上半部分也沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變,作為輸出端,稱為感應(yīng)部分。當(dāng)正弦交變電壓加到輸入端時,壓電變壓器產(chǎn)生沿徑向振動;而感應(yīng)部分通過正壓電效應(yīng),產(chǎn)生電壓輸出。(b)是一多層變壓器結(jié)構(gòu)(n1=3,n2=1)的結(jié)構(gòu)示意圖。
徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)性能分析在分析壓電陶瓷變壓器時,利用如所示的等效電路,其中:R為壓電瓷片振動阻尼等效電阻;L為壓電瓷片質(zhì)量(慣性)等效電感;C為壓電瓷片彈性系數(shù)等效電容;Cd1、Cd2S輸入和輸出的平板電極電容。下面選取一個樣本,其參數(shù)分別為:R=11D、L9.50mH、=192pF、Cd1=1.47nF、Cd2=1.35nF、n=0.97,以該樣本參數(shù)為例對多層徑向壓電變壓器性能進(jìn)行分析,并用MATLAB繪制各自的特性曲線。
3.1變壓器效率徑向壓電陶瓷變壓器等效電路當(dāng)輸出端接上一個負(fù)載電阻時,如所示,變壓器效率,共振頻率變壓器輸出功率、電壓變比等性能如何是我們所關(guān)心的,我們采用將輸出端的負(fù)載與電容折算到輸人部分的辦法來進(jìn)行分析,如3⑴)所示,再將并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為串聯(lián)m抗,如(c)所示。輸人法中:容易證明:蒞給定負(fù)載不變的情況下,當(dāng)M―0,則n―1;當(dāng)W―'則n―0;當(dāng)R,=1/mCm時,有<1 h2WwRCmh效率與負(fù)載間的特性曲線如(b)所示。效率,頻率、負(fù)載三者之間的關(guān)系如(c)所示。
3.2共振頻率(b)的等效電路可知,當(dāng)Rl-0時的共振頻率為f=l/1)為共振頻率,可以證明:iRs=R時(此時的尺??!對應(yīng)了兩個值),輸出功率最大,Pmax=1/(4R);當(dāng)dRs/dRL=0,即RL=1/(2nfrCd2)時,輸出功率出現(xiàn)極小+RL)2;歸一化輸出功率與負(fù)載的m特性曲線如所示。
3.4電壓變化電壓變比為輸出電壓與輸入電壓之比,即Au=Uut/Uin,根據(jù)(b)的等效電路可知,在壓電陶瓷變壓器發(fā)生共振的情況下,電壓變比由下式?jīng)Q定時,電壓變比有最大值:Au=RL/(2n2R+RL);系曲線如所示。
結(jié)束語根據(jù)以上分析可知,多層徑向振動壓電陶瓷變壓器具有共振頻率低、效率高、輸出功能大等特點(diǎn),而且它的共振頻率更純,不像其它類型的壓電變壓器受各方向機(jī)械振動尺寸的不均勻影響而有雜波,加上它的體積更小,更薄、重量更輕、無電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因此有望在低頻或工頻領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,但是徑向振動型壓電變壓器的電壓變比不及Rosen型,因此較難以應(yīng)用到高壓領(lǐng)域。