Пъезогенератор Советский патент 1979 года по МПК H01L41/10 

Изобретение относится к области сильноточной импульсной технике,кон ретно, к импульсным генераторам тока может быть использовано в различных отраслях радиоэлектронной техники, -В частности, в телевизионной аппара туре . Известны генераторы пилообразного тока l . Недостаток известных генераторов состоит в синусоидальном характере изменения тока в нагрузке. Известен пьезогенератор, содержа пластинчатый пьезоэлеме.нт, имеющий на противоположных параллельных поверхностях электроды и генератор ударной волны с выходной поверхностью,, нормальной к поверхностям элек родов 2 .«. Недостатком известного устройства является искаженный характер нарастающего участка пилообразного импульса тока в индуктивной нагруз Цель изобретения состоит в .вырав низании нарастающего участка.импуль тока в индуктивной нагрузке. Указанная цель достигается тем, что один из электродов выполнен в виде фигуры, состоящей из двух частей, одна из которых имеет форму прямоугольника и расположена со стороны генератора ударной волны, а вторая ограничена с двух сторон отрезками прягжах, параллельных выходной поверхности генератора ударной волны, а две тфугйе ограничены экспоненциальными кривыми, описываемыми выражением: 13. У(2)-(е2т-1), где L индуктивность нагрузки, г; /г ,, 2 А - проводимость ударносжатоп пьезокерамики, см-м ; . V - скорость распростргьиения ударной волны в пьезокёрамике, м/с Хо- олщйна пьeзoэлeмeнтa,м; z - текущая координата по длине пластины; OiZsZo 2 VV , м; - параметр длины, м t --время работы пьезогенератора CS /l j5Vo(2PQV +otVor г t РО-.поляризация пьезокерамики, кл-м ; 3 . VQ- рабочее напряжение на электродах пьезогенератора, S; об е деУХо- Ф-с- -лл- -, (4) еГо- диэлектрическая проницаемомость вакуума, . ., дЕ(е-е) - разница относительных безразмерных диэлектрических проницаемостей пьезокерамики перед и за фронтом ударной волны. ha фиг.1 изображен пьезоэлемент в форме прямругол.ьного Параллелепипеда на фиг. 2 показана форма элек рода пьеэоэлемента, обеспечивающего линейное нарастание тока в индуктивной нагрузке; на фиг.З схематично изображены границы формирующей чгасти ёлектрода на поверхности прямоугольной пластины ий ПК;на фиг.4 - вид пьезоэлемента, повернуторо на 90° по от йошёййй к положению, показ а нному на фиг.З; на фиг.5 - гафик линейно нарастающего тока.пьезогенёратора в инд ктивной нагрузке; на фиг.6 график напрйженйя на электродах. пьезогенератора. Сущность: изобретения состоит в тсэм, что электрода пьезЬгёйё эЁтора выполнены в виде двух частей, за- Лускающёй и фор вирунадей, причем за пу скакяцая часть распояожена мёжд; гёиератором ув и формирую чей частью и имеет форму прямоугольника, а формирующая часть представляет собой фигуру, ограниченную с двух сто рой отрезками прямых, параллельных выходной поверхности УВ, меньший из которых служит границей раздела запускающей и формирующей частей L электрода, а двё д|ругйё 6гран1ячёны экспоненциальными кривыми (фиг,2). Количественно размеры запускающей и формируняцей частей электрода ощ еделяются электрофизическими параметрами ПК, йёлйчиной индуктивности нагрузки Ь и амплитудой диией но нараофающего тока Зд.. , . Рассмотрим подробно вывод формул для описания формы формирующей част электрода генератора. Для этого запшием в общем виде балансы потенциа лов и зарядов для электрической цеп пьезогенератора, полагая, что грани ца его электрода ест| функция от по ложения фронта УВ в ПК у-у (а ), где , а толщина пьеэоэлемента Хо(фиг.З и 4). При выводе соотношений будем учитывать, что на фронте УВ происходит деполяризация ПК, сопровождаю щаяся вьщелением связанного до этог заряда с поверхностной плотностью I изменением диэлектрической проницаемости и проводимости. Будем также учитывать то, что на электродах пьезогенератора, начиная с момента t« О , напряжение постоянно и равно VQ, поскольку только в

.:„ том случае ток в индуктивной нагузке будет нарастать линейно 1чАг, де 2 - длительность линейно нарасающего импульса, равная времени проега УВ по формирующей части электро :. Заряд, выделяющийся при деполяризации ПК на электродах пьееоэлемента соответствии с фиг.З, равен (t)dt. (б) о . . . Заряд, перетекающий за счет проодимости у} в сжатой зоне ПК, есть . it я(Я ртЛ Jy(, ° (f) где. |Ь -:г--: . Заряд, перетекающий во внешней цепи генератора, , .2(8) л 1+ о .- у F . Емкость пластин пьезогенератора а момент -fc, с учетом изменения ди- . электрической проницаемости, есть ; t . / . Ctt) C(0)-ooJy ildtV . .: . - О . . - . . где. оС е: ДЕУКо. Напряжение иа электродах пьезоге нёратора;и, следовательно, на индуктивной ,на1 рузк-а, которое по ycлoi9ию является постоянным, может быть- заИсано исходя из условия баланса заядов и напряжения в виде; tV 2 jyttVt-pX ljy(t«|dtyt -M ,(o) uoi ,- CfOhoCJyltl t гдеЧоС(О) - заряд на электродах в момент . . . -... Проинтег-рировай полученное выражение и сгруппировав подое5нне чЛены, получим уравнение дяя расчета формы электродов: (11) iiЁ1 ц.Ло. dt 2PoVio(.Yo l2PoV4oLYoyL Решение этого уравнения при условии, что при , запишется в видеI , {12} где Т /&Vj,(2PoV+a.V0) в полученном решении (12) легко перейти от зависимости по времени к зависимости от координаты z , заменив t и Т на z и z. На ВИЯ полученного решения (12) влияет1только проводимость А (параметр . В случае, когда , т.е. проводимостью сжатой зоны можно пренебречь, полученное решение преобразуется к более простс у виду .: - ) . .у (2P-V-KiV-)b В ЭТОМ случае форма электрЪдов становится треугольной, в то время как в общем случае их геометрия описывается экспоненциальной функци ей. . Полученные решений справедливы только в случае, когда с момента t. О начала работы .пьезогенератора, нш1ряжение вашего электродах равно , а ток внагрузке П(0)0. В реальном случае выполнение ука за.нных. условий затруднительно. Практическое решение задачи пред полагает отклонение тока от линейно на начальном участке времени (ОД) работы пьезогейератора с тем, чтобы к моменту времени t j i- напряжение на электродах достигало рабочег значения Yjj, а ток - некоторого зна чения Dj., При этом часть электрода, соответствующая интервалу времени работ пьезогенератора (о, ij) , должна имет ФО1ЖУ, отличную от идеального случа (решения (12) и (13) , например прямоугольную, названную выше запуб кающей частью электрода. Геометрические раЗме 1ы: этой части электрод определяются следующим образом: высота ее равна , (14) а длина - 2у, параллельная выходНой поверхности генератора УВ, опре деляется как временем t, так и индуктивностью нагрузки, напряжением Vo и электр&физическими параметр ми ПК./ В общем случае, как и для y(t) / могут быть получены уравнения для тока tl (t) и напряжения V(t) пьезо генератора в интервале CO/t) из соотношения, аналогичного (10), толь ко в этом случае заданной будет фор ма электрода: (фиг.2). Уравнение запишутся в виде: uclt)3+-3 u 2PoaoV где C{t (et + де1)х; + с, T(t)42a,Y.iV.t.x; С - емкость формирующей части электродов. 06 С помощью уравнений (15) и (16) можно найти размер Уд, при.котором в момент tj напряжение на электродах достигает рабочего значения VQ, и определить ток D , протекающий в этот момент в индуктивно. нагрузке L . Поскольку для времени t i нaпpяжeниена электродах V(t), то и ток О (t) в нагрузке Ь будет нарастать медленнее, чем в идеальном случае, когда V(t) VQ с момента . Это означает, что на момент времени t ток в нагрузке L будет Меньше, чем в идеальном случае, когда он растет линейно с момента начала работы генератора. . .. D{t). -Это означает в свою очередь, что для интервала времени (1,1) линейно нарастающий ток в рассматриваемом случае должен описываться формулой: YO (18) Dlt)--(t-to), .. .- . .4-:--,- - . . . ., где временной параметр laV определяется из условия равенства I/ (i) току /J в момент t В соответствиис этим должны быть внесены поправки и в формулы (12) и (13), определяющие форму электрода, поскольку значения .у-(t) взаимно и однозначно связана со значениями тока D (t) в нагрузке. , Эти формулу должна быть записаны в виде: . ; .-.. 1 I ;: (t) ЦгРв Размеры сечеиий формирующего элек, - ,i- - --. P°«a .1 на момвнт времвни определяются:по формуле (20) или (21), а полная высота электрода ормулой: : 22 V (t+to). (22) В качестве Hpieiepa конкретного ыполнения рассмотрим конструкцию ьезогенератора, предназначенного ля формирования в инд:уктивной нарузке U 100 мкГ импульса пилообазного тока амплитудой 3 500 А, лительностью лжс и ,5MKC, удем также для простоты считать, то диэлектрическая проницаемость 1000 как за,так и перед фроном УВ (), проводимость 0() , поляризация ,3 Кл/м , рабочая напряженность поля в ПК 2,5 кВ/мм. В соответствии со Сделанными редположениями в данное частном лучае формируквдая часть электрода

принимает треугольную форму, являющуюся предельной по отношению к экспоненциальной форме, характерной для общего случаяр О. Уравнение для тока, генерируемого в рассматриваемом случае прямоугольной запускающей частью, может быть представлено в виде:

.у„лг, (23) o-C.-Jo-t где С .емкость пьезо .генератора. , . . . . -., Решение этого уравнений находим при начальных условиях 3(0)0и 3(о)0 t5(t) 2P-yoV(i-cosa)l) Напряжение соответственно ейть ряжение.соответстве Y(t) 2 yo J smcot, где со (LC)2 . В интервале времени (1,) реше1 ие имеет вид{ .W.lt-4, U И V(t) VQ.. (27) Для этого необходимо, чтобы най жение на нагрузке (25) в момент t достигало величины YO , т.е. длина прямоугольной части электрода равнялась о Г . sinotj а временной параметр в соответствие (18) определяется в виде (l-COSWli)(29) stnoolj по заданным значениям амплитуды линейно нарастающего тока, длитель йости импульса и индуктивности нагрузки определяется напряжение на электродах пьезогенератора: V-b Толщина пьезоэлемента в соответ аии с Этим напряжением и рабочей н пряженностью поля в ПК может быть определена по формуле: у 5аЬ 0 Количественный расчет, выполнен по формулам (14), (30), (28), (29) (22), (21) дает, соответственно, следующие значения для ископаегшх параметров: Zi 0,5 см Vo 510®B, Хо.0,2 см, УО 0,7 см, ,2 мкс Zj 5,1 см, У) 0,5 см, У2, 17 см. Для иллюстрации на фиг.5 и б приводятся графики тока и напряжен реализуемые в электрической цепи р считанного пьезогенератораi Отклонение от линейности режима работы пьеэогенератора рассматрива

мой конструкции принципиальны, но незначительны по времени и составляют 5% от общего времени его работы.

Использование изобретения позволяет успешн о решать ряд экспериментальных задач, связанных с необходимостью возбуждения импульсных магнитных полей с линейным характером нарастания поля. Формула изобретения Пьезогенератор, содержащий , пластинчатой пьезоэлемёнт, имеющий йа противоположных параллель.ных поверхностях электроды, и генератор ударной волны с выходной поверхностью, нормальной к поверхностям электродов, отлйчающийся тем, что, с целью выравнивания нарастающего участка импульса тока в индуктивной нагрузке, по крайней мере, один электрод выполнен в виде фигуры,состоящей из двух частей, одна из.которых имеет форму прямоугольника и расположена со стороны генератора ударной волны, а вторая ограничена с двух сторон отрезками прямых, параллельных выходной поверхности генератора ударной волны, а две другие ограничены экспоненциальными кривыми, описываемыми выражением: 1 I 7.. (e.--i),. где L - индуктивность нагрузки. Г; /э глу/Хо,м- г-ЧЯ - пройодимость ударносжатой пьезокерамики, См«м ; V - скорость расйростраНеНия , ударной волны, в пьезокерамике,/с; Хд - толщина пьезоэлемента, м; Z - текущая координата по длине пластины Ой Zi ZoJ -Zo tV ,. м ; , f Zj TV - .параметр длины, м; t - время раВоты пьезогенератора с; T-i |5Yo(2Po-V4oc.VJ-l,c-i-, РО - поляризация пьезокерамики, Кл. Vo - рабочее напряжение на электродах пьезогенератора. В; ос,Б,йеТХДф-С-.М о диэлектрическа.я проницаемость вакуума, . д(-е: - разница относительных безразмерных диэлектрических проницаемостей перед и за фронтом ударной волны. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Справочник по импульсной технике, Под ред.: Яковлева ВЛ1. М., 1972, с.481-488. 2.J.Appe.Phy5.Yoe,46,№ 4, р.1522;:1975.

о у, у о у г .2

с О

fuz-S