ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01L41/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано, в частности, при производстве вторичных источников питания радиоприборов, видео- и аудиомагнитофонов, ЭВМ и т.д.

Наиболее близким к изобретению является вторичный источник питания, содержащий блок генерации электрического сигнала с частотой преобразования, пьезоэлектрический дисковый трансформатор и выпрямитель. Электрический сигнал, поступающий с выхода блока генерации на вход пьезотрансформатора, возбуждают в нем механические колебания. Это приводит к возникновению электрического переменного сигнала в выходной секции тpансформатора, которое может быть преобразовано в постоянное выходное напряжение с помощью выпрямителя.

Недостатками данного вторичного источника питания являются низкий КПД и, следовательно, невозможность обеспечения передачи большой мощности.

Задачей изобретения является создание вторичного источника питания, позволяющего повысить КПИД и обеспечить максимум передаваемой энергии при фиксированных размерах пьезотрансформатора.

Для этого во вторичном источнике питания, содержащем последовательно соединенные блок генерации электрического сигнала с частотой преобразования, пьезоэлектрический дисковый трансформатор с входной и выходной секциями электродов и выпрямитель, входная секция пьезоэлектрического трансформатора образована электродами, нанесенными в центре обеих плоских поверхностей пьезоэлектрического диска в виде круга с радиусом, равным 0,34 радиуса круга диска, а выходная секция электродами, нанесенными на обеих плоских поверхностях пьезодиска в области, ограниченной окружностями с радиусами, равными 0,5 и 0,97 радиуса диска, пьезоэлектрический диск механически закреплен в центральной точке с обеспечением в ней также электрического соединения блока генерации и входной секции трансформатора и в точках, отстоящих от центральной точки на 0,7 радиуса диска, с обеспечением в них также электрического соединения выходной секции трансформатора и выпрямителя.

На фиг. 1 приведена схема вторичного источника питания; на фиг.2 эквивалентная электромеханическая схема пьезотрансформатора; на фиг.3 зависимость коэффициента К₁ электромеханической связи трансформатора по входу от размеров входной секции; на фиг.4 зависимость коэффициента К₂электромеханической связи трансформатора по выходу от места расположения выходной секции.

Вторичный источник питания состоит из последовательно соединенных блока 1 генерации электрического сигнала, пьезоэлектрического дискового трансформатора 2 и выпрямителя 3.

Пьезоэлектрический трансформатор 2 выполнен в виде пьезоэлектрического диска 4, на который нанесены электроды входной и выходной секций 5 и 6 соответственно.

Контакты 7 и 8, предназначенные для механического крепления электрического пьезодиска 4, являются также электрическими контактами. При помощи центрального контакта 7 осуществляется электрическое соединение блока 1 генерации и электродов входной секции 5 пьезотрансформатора 2. Электрическое соединение электродов выходной секции 6 пьезотрансформатора 2 с входом выпрямителя 3 осуществляется с помощью периферийных контактов 8.

Электроды входной секции 5 дискового пьезотрансформатора 2 нанесены в центре обеих плоскостей пьезоэлектрического диска 4 на площади, ограниченной окружностью с радиусом 0,34 радиуса R диска, а электроды выходной секции 6 нанесены на тех же поверхностях диска на площади, ограниченной окружностями с радиусами 0,5 и 0,97 радиуса R диска.

Периферийные контакты 8 обеспечивают крепление пьезоэлектрического диска 4 в точках, отстоящих от центра на 0,7 его радиуса (R).

Вторичный источник питания работает следующим образом.

Электрический сигнал, поступающий с выхода блока 1 генерации электрического сигнала на электроды входной секции 5 пьезотрансформатора 2, возбуждает в нем механические колебания, что приводит к возникновению электрического переменного сигнала на электродах и выходной секции 6 пьезотрансформатора 2, преобразуемого с помощью выпрямителя 3 в постоянное электрическое напряжение.

Выбор точек крепления диска пьезотрансформатора 2 с помощью контактов 7 и 8, а также размеры и расположение электродов входной и выходной секций 5 и 6 обеспечивают максимальные значения КПД и передаваемой мощности при фиксированных значениях пьезокерамического диска.

Распределение колебательных скоростей v в теле пьезоэлектрического диска для второй моды колебаний может быть представлено в виде
v A·I r, (1) где А константа, зависящая от размеров диска и величины возбуждающего напряжения;
I₁ функция Бесселя;
ω_р частота резонанса;
С скорость звука;
r текущая координата по радиусу.

Известно, что для второй моды 5,39, а функция Бесселя I(x) проходит через нуль в точках Х 0, Х 3,75 и т.д.

Колебательная скорость обращается в нуль при r 0 и r R 0,7R.

Следовательно, пьезоэлектрический диск, возбуждаемый на второй гармонике, не колеблется в точках с координатами r 0 и r 0,7 R. Поэтому механический контакт в этих точках не приводит к отводу механических колебаний от диска, т.е. "паразитный" отвод энергии в данной конструкции отсутствует.

Для эквивалентной электромеханической схемы пьезотрансформатора, представленной на фиг. 2, приняты следующие обозначения: C₀₁ и С₀₂ электрическая емкость входной и выходной секций соответственно при отсутствии механических колебаний диска; А₁ и А₂ идеальные электромеханические трансформаторы с соответствующими коэффициентами трансформации; С₁, L₁ и R₁ механические гибкость, масса и сопротивление внутреннего трения диска соответственно; R₁ сопротивление нагрузки.

Коэффициенты электромеханической связи трансформатора по входу и выходу соответственно могут быть представлены в виде
K21

Анализ представленной на фиг.2 схемы показывает, что максимум передаваемой энергии и КПД достигаются при условии
R и K₁ ˙ K₂ max.

Решение электромеханической задачи для колеблющегося на второй моде пьезоэлектрического диска с различными областями электродов представлены на фиг.3, 4. Здесь же показаны и экспериментальные значения (х).

Для представленной на фиг.4 зависимости К₂ от места расположения выходной секции переменной координатой является внутренний (меньший) радиус выходной секции при фиксированном внешнем радиусе, равном r/R 0,97. Точные расчеты показывают, что К₁ достигает максимума r 0,34 R, а К₂ при расположении электрода в области r₁ 0,5 R и r₂ 0,97 R.

Использование изобретения обеспечивает создание компактных и экономичных источников питания для различной радиоэлектронной аппаратуры, в частности для видеомагнитофонов.

Использование: в радиотехнике при производстве вторичных источников питания. Сущность изобретения: вторичный источник питания содержит последовательно соединенные блок 1 генерации электрического сигнала с частотой преобразования, пьезоэлектрический дисковый трансформатор 2 и выпрямитель 3. Электроды входной секции 5 трансформатора нанесены в центре обеих плоских поверхностей пьезодиска 4 в виде круга с радиусом, равным 0,34 радиуса диска, а электроды выходной секции 6 нанесены на тех же поверхностях диска 4 в области, ограниченной окружностями с радиусами, равными 0,5 и 0,97 радиуса диска. Диск 4 пьезотрансформатора 2 закреплен механически в центральной точке, где осуществляется электрическое соединение блока 1 генерации и электродов входной секции 5, и в точках, отстоящих от 0,7 радиуса диска, в которых осуществляется электрическое соединение электродов секции 6 и выпрямителя 3. 4 ил.

ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, содержащий последовательно соединенные блок генерации электрического сигнала с частотой преобразования, пьезоэлектрический дисковый трансформатор с входной и выходной секциями электродов и выпрямитель, отличающийся тем, что входная секция пьезоэлектрического трансформатора образована электродами, нанесенными в центре обеих плоских поверхностей пьезоэлектрического диска в виде круга радиусом, равным 0,34 радиуса круга диска, а выходная секция электродами, нанесенными на обеих плоских поверхностях пьезоэлектрического диска в области, ограниченной окружностями радиусами, равными 0,5 и 0,97 радиуса диска, пьезоэлектрический диск механически закреплен в центральной точке с обеспечением в ней также электрического соединения блока генерации и входной секции трансформатора и в точках, отстоящих от центральной точки на 0,7 радиуса диска, с обеспечением в них также электрического соединения выходной секции трансформатора и выпрямителя.