Пьезокерамический трансформатор Советский патент 1980 года по МПК H01F30/00 H01L41/00 

(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в низковольтных преобразователях постоянного тока,

Известны пьезокерамические трансформаторы в форме прямоугольных пластин с активными областями (с поляризованными покрытиями и электро,дами) , составля о1дими по 0,5 длины пластины 1. Врежиме максимума КПД входное сопротивление большинства из них имеет значительную емкостную реактивную составляющую, а, следовательно, малое отношение активной потребляемой мощности к полной входной (cos ). Для компенсации входной емкости обычно используют индуктивность, подключенную параллельно или последовательно входу. Ее применение создает дополнительные трудности, связанные с изготовлением качественных индуктивностей, рассчитанных на большие токи. При отклонении нагрузки от нокшнальной компенсирующая индуктивность должна перестраиваться. Наличие намоточного элемента/ который фактически может выполнять роль трансформатора при незначительных изменениях (изготой-

ление вторичной обмотки) снижает преимущества пьезоэлектрических трансформаторов, как безнамоточных.

Известенпьезоэлектрический трансформатор, содержа1аий прямоугольную , пластину с поперечно поляризованной пьезоактивной областью, имеющей электроды, нанесенные на поверхности пластины, и продольно поляризованtoной -пьззоактивной областью, которая примыкает к поперечно поляризованной, имеет один электрод, расположенный на торце пластины перпендикулярно боковым граням пластины 2.

15

Недостатками этого устройства являются невысокие КПД и отношение активной входной мощности к полной входной мощности в широком диапазоне меняющихся нагрузок.

20

Цель изобретения состоит в повышении КПД и увеличейии отношения активной входной мощности к полной входной мощности в широкой диапазоне меняющихся нагрузок..

25

Цель достигается тем, что пластина выполнена с пассивной областью, расположенной у торца пластины, противоположного торцовому электроду продольно поляризованной области; а

30

также тем, что пластина выполнена полуволновой вдоль направления продольной поляризации, продольно поляризованная область имеет размер 0,2-0,32 длины пластины в направлении продольной поляризации, а пассиная область имеет размер 0,14-0,23 от той же длины; а также тем, что .пьезотрансформатор содержит две четвертьволновые вдоль направления продольной поляризации пластины, жестк соединенные между собой по торцовым электродам продольно поляризованной области, общая длина продольно поляризованной области составляет 0,10,26 длины пластины в направлении продольной поляризации, а общая длина пассивной области составляет 0,03-0,09 от той же длины.

На фиг, 1 изображен предлагаемый пьезотрансформатор с боковым расположением продольно поляризованной области; на фиг. 2 - то же, с централным; на фиг. 3 - заштрихованными областями обозначены пределы изменени частотной характеристики фазового ула между током и напряжением для пьезотрансформатора с пассивными областями (левый уклол штриховки) и традиционного, без пассивных областей .(правый уклон штриховк -) , при изменении сопротивления нагрузки; на фиг. 4 показана зависимость коэффициентов передачи по напряжению и току от частоты; на Фиг. 5 приведены экспериментальные зависим ти отношения активной входной мощности к полной входной мощности (cos Р ) на частоте самокомпенсации входной емкости при разных значенияхсопротивления нагрузки.

Пьезотрансформатор (фиг. 1) имее поперечно поляризованную область 1 с электродами 2 и продольно поляризованную область 3 с торцовым электродом 4, Пассивная область 5 расположена у края пластины, противоположного торцовому электроду 4. продольно поляризованной области Зо Генератор синусидального напряжения подключается к зажимам б и 7, нагрузка - к зажимам 7 и 8. На фИг. 2 показан пьезоэлектрический трансформатор состоящий из двух пластин, связанных между собой по торцовому электроду 4 и продольно поляризованной области 3. Электроды поперечно поляризованных областей 2 соединены друг с другом. Назначение частей этого пьезотрансформатора такое же как и у трансформатора, изображенного на фиг, 1.

После подключения к зажимам б и 7 электрического/ напряжения за счет пьеэоэффекта в пластине начинает распространяться продольная волна в направлении вектора продольной поляризации. Она создает на электродах 2 поперечно поляризованной области 1 разность потенциалов, которую снимают с зажимов 7 и 8, Для максимизации эффективных коэффициентов связи необходимо отрегулировать размеры пассивных и активных областей. Они определяются статичес-, кими коэффициентами связи К- и К пьезоматериала. Выбор рабочей частоты генератора иллюстрируется графиком на фиг. 3. На нем заштрихованной областью 9 обозначены пределы изменения фазового угла между током и напряжением на входе пьезотрансформаторов, изображенных на фиг. 1 и 2. Область 9 имеет одну точку, соответствующую частоте самокомпенсации, обозначенной на графике f, , в которой фазовый угол равен нулю и не меняется при колебаниях нагрузки. Поэтому выбор этой частоты в качестве рабочей является оптимальным именно для настоящих пьезотрансформаторов потому, что у известного продольно-поперечного трансформатора частота самокомгтенсации изменяется при колебаниях нагрузки (область 10 на фиг. 3, определяющая пределы изменения фазового угла ф , в отличие от области 7 не стягивается в точку на, прямой Р О) .

Следует отметить, что частота самркомпенсадни находится между максимумами коэффициентов передачи по напряжению и току (кривые И и 12 на фиг. 4) ,

Результаты экспериментов показали более высокую эффективность трансформаторов, изготовленных из различных марок пьезокерамики, размеры которых выбирают согласно изобретению, сравнительно, с известными техническими решениями.

Формула изобретения

у торца пластины, противоположного торцовому электроду продольно поляризованной области.

.выполнена полуволновой вдоль направления продольной поляризации, продольно поляризованная область имеет размер 0,2-0,32 длины пластины в направлении продольной поляризации, а пассивная область имеет размер 0,14-0,23 от той же цлины.

но поляризованной области (составляет 0,1-0,26 длины пластины в направлекии продольной поляризации, а общая длина пассивной области составляет 0,03-0,09 от той же длины.

Источники информации, принятые во внимание пои экспертизе

с. 197.

F5

Частоте

ЙЙ.-1