Пьезоэлектронное генераторное устройство Советский патент 1982 года по МПК H03K3/45 

Изобретение относится к импульсной технике, а также может быть использовано в качестве функционального МОДУЛЯ для устройств стабилизации с пьезокерамическими трансформаторами. Известны генераторы на пьезокерамических элементах, используемые в устройствах автоматики. В известных устройствах генераторный эффект достигается за счет применения тонкой пьезокерамической пластины (диска) с двумя парами электродов в качестве пассивного дву полюсника в цепи обратной связи генератора Колпитца, и желаемый эффект . достигается использованием зависимости проводимости подэлектродных областей пластины (диска) от степени остаточной поляризации, либо примене нием пьезокерамического трансформаiтора (ПЭТ) , входные электроды которого соединены с коллектором управляющего транзистора и общей шиной, а выходной электрод - с базой, и желаемый эффект достигается управлением входного питающего напряжения на резонансной или близкой к ней частоте Cl 1 Недостатками этих устройств являются применение ПЭТ, низкая амплитуда выходного сигнала, низкое быстродействие, а также недостаточная надежность работы. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является пьезоэлектронный автогенератор на основе ПЭТ, в котором генераторный эффект достигается применением МДП-транзистора с встроенным каналом п-типа, исток которого подключен к входным электродам ПЭТ, а подложка соединена с общей шиной, выходной электрод ПЭТ подключен к затвору, при этом питание подается на сток МДП-транзистора. Переход р-п истокподложка за счет отрицательного питающего напряжения смещен в прямом , 39 направлении. Он шунтирует вход ПЭТ и изменяет амплитуду напряжения на его входе в зависимости от«величины напряжения на затворе. Таким образом, соблюдаются условия возникновения автоколебаний на резонансной или близкой к ней частоте Г 2. Недостатками такого устройства являются применения ПЭТ, низкая частота , низкая амплитуда выходного сигнала, а также .недостаточная надеж ность работы устройства. Цель изобретения - увеличение надежности и быстродействия. Поставленная цель достигается тем НТО в пьезоэлектронное устройство, содержащее амплитудный детектор-фор мирователь, генератор с управляющим входом, введен пьезокерамический эле мент со сплошными элeктpoдa и на гра нях входнбй пластины, один из которых является общим с выходной плас тиной, и гальванически не связанными электродами на другой грани выходно пластины, при этом выход генера ора подключен к электродам входной плас тины, а его управляющий вход соедине с выходом амплитудного детектора-фор мирователя, вход которого соединен с одним из электродов выходной пластины другой электрод которой соединен с в ходной шиной пьезоэлектронного генераторного устройства. На фиг. 1 представлена схема пьезоэлектронного генераторного устройства; на фиг. 2 - характеристика пье зокерамического биморфного элемента (кривая 1) и зависимость частоты генератора от управляющего напряжения (кривая 2); на фиг, 3 - диаграммы входных и выходного напряжений генераторного устройства. Пьезоэлектронное генераторное устройство содержит пьезокерамический биморфный элемент, состоящий из входной 1 и выходной 2 пластин, связанных сплошным электродом 3 в акустически монолитную конструкцию, сплошной электрод 4 на другой грани входной пластины, гальванически не связанные электроды 5 и 6 ;на грани выходной пластины соответственно соединены с выходной шиной 7 и входом амплитудного детектораформирователя (АДФ) 8, выход которого подключен к входу генератора, управляемого напряжением (ГУН) 94Пьезоэлектронное устройство работает следующим образом. Условимся, что направление стрел.ки указывает направление положительной остаточной поляризации. Подэлектродные области электродов 5 и 6 выходной пластины 2 и электрода k входной пластины 1 с целью получения максимальной амплитуды выходных напряжений поляризованы как показано на фиг, 1. ГУН 9 настроен таким образом, что при включении питания устройства прямоугольные (синусоидальные) сигналы с амплитудой, значительно меньше амплитуды переполяризации пьезокерамического элемента и частотой возбуждения, равной или близкой резонансной частоте пьезокерамического элемента f,fp подаются на электроды k и 3 соединенной сшиной нулевого потенциала входной пластины 1, При этом за счет обратного пьезоэффекта пластина Тдеформируется. Эта деформация .передается выходной пластине 2 и, благодаря прямому пьезоэффекту, на шине 7 амплитуды выходных сигналов имеют максимальные (для данного способа включения пьезокерамического элемента) значения. Это соответствует рабочей точке А на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) пьезокерамического элемента (фиг. 2. кривые 1,2) и управляющему напряжению ГУН 9 U Uf, которое поддерживается АДФ 8, состоящим соответственно из амплитудного детектора и формирователя инверсных максимальным и минимальным значениям выходных напряжений амплитудного детектора управляющих сигналов ГУН 9 (формирователь может быть исключен ; из АДФ 8 за счет некоторого ухудшения стабильности генераторного устройства) . Выходное напряжение АДФ 8 pateHO Uj, и.в течение времени, определяемого инерционнобтью пьезокерамического элемента и постоянной времени амплитудного детектора..Когда выходное напряжение амплитудного детектора достигает максимального значения на выходе АДФ 8, управляющее напряжение ГУН 9 становится равным Uy, UQ, при котором частота пыходных сигналов ГУН 9 равна (, fp), рабочая точка на АЧХ смещается в точку В (фиг, 2, кривые 1,2) и, благодаря высокой добротности пьезокерамического элемента, амплитуда выходного напряжения на шине 7 уменьшается, (фиг. За,б,в). При этом уменьшается выходное напряжение амплитудного детектора и, по достижеНИИ минимального значения, на выходе АДФ 8 формируется управляющее напряжение ГУН 9, равное и. U , тем самым частота выходных сигналов ГУН 9 становится равной , paбочая точка на АЧХ-смещается в точку С (фиг. 2, кривые 1,2) и, благодаря высокой добротности пьезокерамического элемента, амплитуда выходного сигнала на шине 7 возрастает. Таким образом, обеспечивается автоколебательный режим генераторного устройства. Длительность выходных-сигналов с максимальными (минимальными) амплитадами определяется инерционностью пьезокерамического элемента и постоянной времени амплитудного детектора Следует отметить, что при построе-г НИИ генераторного устройства в качестве рабочего может.быть выбран правый склон АЧХ и в качестве рабочих точки А и С, а также, что на электроды 3 и 4 входной пластины 1от ГУН могут подаваться не только прямоугольные, но и синусоидальные сигналы (показано на фиг. За пунктиром), т.е. ГУН может представлять 1собой генератор синусоидальных напряжений. Такое генераторное устройство позволяет также осуществлять управление выходным напряжением на счет управляющего (модулирующего) сигнала подаваемого на гальванически не связанный электрод выходной пластины (поканазо пунктиром на фиг. 1).

Использование предлагаемого устроства имеет самостоятельное значение, как элемента импульсной техники, а также оно может быть использовано в качестве функционального модуля в yc

ройствах стабилизации напряжения с пьезокерамическими трансформаторами. Это позволяет повысить точность и стабильность работы, увеличивает КПД и надежность, а также делает устройство повышенной серийноспособности. При этом используются сигналы-низкого уровня , узлы схемы выполняются на основе интегральных микросхем (имеют с ним сопряженные уровни сигналов).

Формула изобретения

/

Пьезоэлектронное генераторное .устройство, содержащее пьезокерауический элемент, амплитудный детекторформирователь, генератор с управляю-ч щим входом, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и быстродействия, пьезокерамический элемент выполнен в виде биморфного элемента со сплошными электродами на гранях входной пластины, один из которых является общим с выходной пластиной, и гальванически не связанными электродами на другой грани выходной пластины, при этом выход генератора подключен к электродам входной пластины, а его управляющий вход соединен с выходом амплитудного детектора-формирователя, вход последнего соединен с одним из элект родов выходной пластины, другой электрод которой соединен с выходной шиной пьезоэлектронного генераторного устройства.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Лавриненко В. В. Пьезокерамические трансформаторы. М., Энергия, 1975, с. 97.

2.Авторское свидетельство СССР № 57097, кл. Н 03 В 5/36, 1977 (прототип).