Пьезотрансформаторы - раздел Философия, КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ По дисциплине ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ В Конструкциях Преобразования Энергии, Устройства Питания Источников Света Ши...
В конструкциях преобразования энергии, устройства питания источников света широко используются классические электромагнитные трансформаторы. Создание миниатюрного электромагнитного трансформатора связано со значительными трудностями, так как при уменьшении габаритных размеров в нем резко возрастают потери, связанные с поверхностным эффектом, малым сечением проводов и эффектом гистерезиса в материале сердечника. Кроме того, при уменьшении размеров увеличивается плотность магнитного излучения, что требует дополнительной экранировки. В настоящее время начинает использоваться новый класс трансформаторов, принцип работы которых основан на использовании явления пьезоэффекта, так называемые пьезотрансформаторы. В таких трансформаторах осуществляется двойное преобразование электромеханической энергии при достижении больших значений коэффициента трансформации и КПД более 95%. Пьезотрансформаторы имеют следующие преимущества:
- высокий коэффициент полезного действия размеры;
- возможность получения больших значений коэффициента трансформации;
- отсутствие электромагнитных помех от прибора;
- нечувствительность к внешним электромагнитным полям;
- возможность создания глубокой гальванической развязки в схеме;
- невозгораемость;
- простота конструкции;
- высокие надежность и износостойкость.
Впервые конструкция пьезотрансформатора была запатентована в 1956 году американским ученым Розеном. Пьезотрансформатор представляет собой монолитную конструкцию различной формы (прямоугольный, квадратный, кольцевой, цилиндрический), изготовленную из пьезокерамического материала. На часть внешних поверхностей наносятся методом вжигания серебряные электроды (толщина слоя 6-12 мкм). Для получения пьезоэлектрических свойств пьезотрансформатор поляризуется при его размещении в сильном электрическом поле.
В зависимости от направления поляризации пьезотрансформаторы подразделяются на поперечно-продольные, поперечно-поперечные и продольно-продольные. После поляризации к электродам припаиваются электрические контакты.
По аналогии с электромагнитными трансформаторами с помощью электродов формируются две секции - входная и выходная. Принцип действия основан на двойном преобразовании энергии: во входной секции (секции возбуждения) электрическая энергия преобразуется в механическую, а в выходной секции механическая энергия преобразуется в электрическую. Основной особенностью работы пьезотрансформатора является резонансный характер преобразования энергии в сравнительно узкой полосе частоты. Максимальные значения основных параметров пьезотрансформаторов - коэффициента трансформации, КПД, выходной мощности – достигаются при его работе на резонансной частоте.
В основном применяются два типа пьезотрансформаторов:
- пьезотрансформаторы Розена с продольно-поперечной поляризацией;
- пьезотрансформаторы с поперечно-поперечной поляризацией (квадрат- кольцо).
Конструкция пьезотрансформатора Розена из-за высокого внутреннего импеданса не пригодна для передачи больших мощностей на выходную нагрузку, но обеспечивает высокий коэффициент трансформации от 100 до 10000 при выходной мощности не выше 5–10 Вт.
Пьезотрансформаторы с поперечно-поперечной поляризацией имеют коэффициент трансформации 10 и менее, но обеспечивают на низкоомной нагрузке выходную мощность до 50 Вт.
В последние годы разработаны принципиально новые конструкции пьезотрансформаторов - многослойные. Конструкция многослойных пьезотрансформаторов состоит из чередующихся тонких слоев (пьезокерамика толщиной 100–200 мкм) и электродов (платина или платиново-палладиевый материал). Технология изготовления аналогична стандартной технологии изготовления многослойных конденсаторов. Данная конструкция позволяет обеспечить высокую плотность мощности пьезотрансформатора (до 40–50 Вт/см2), и соответственно уменьшить габариты в 3-5 раз по сравнению с традиционным пьезотрансформатором, а также позволяет работать на низкоомную нагрузку с высоким КПД.
| | | | | | |
| | |  |
| | | Однослойные пьезотрансформаторы
| |
| |
| |
| | | |
Области применения пьезотрансформаторов: портативные компьютеры, настольные жидкокристалличесик мониторы, цифровые камеры, видеотелефоны, копировальные машины, лазерные принтеры, портативные приборы для определения географических координат, ионизаторы и очистители воздуха, приборы ночного видения, медицинские терапевтические приборы, системы зажигания двигателей внутреннего сгорания.
На рисунке приведены зависимости выходного напряжения от частоты и коэффициента трансформации от величины сопротивления нагрузки.
Все темы данного раздела:
Цели и основные задачи современного конструирования электронных устройств
Главной целью конструирования электронной аппаратуры является создание малогабаритной, высокоэффективной и надежной аппаратуры, производство и эксплуатация которой требует ограниченного расхода тру
Структурное дробление конструкции современных электронных устройств
Структурное дробление конструкции дает экономические преимущества при разработке, производстве и эксплуатации электронной аппаратуры и преследует три цели: параллельное конструирование частей, пара
Эксплуатационные требования
Качество выполнения электронным устройством основных функций, для которых оно предназначено, определяется основными техническими параметрами, указанными в соответствующих документах (
Конструкторско-технологические требования
Защита от воздействия внешних факторов (влага, температура, вибрация и удары, микроорганизмы и др.) необходима не только для обеспечения нормальной работы ЭУ при эксплуатации, но и пр
Экономические требования
Экономичность конструкции в значительной степени закладывается на этапе разработки и определяется затратами на разработку, производство и эксплуатацию.
По уровню затрат времени и средств Э
Краткая характеристика факторов, влияющих на условия работы электронных устройств
Факторы, влияющие на условия работы электронных устройств можно разделить на три группы:
- управляемые;
- слабоуправляемые;
- неуправляемые.
Управляемыми факт
Влияние климатический факторов на работу электронных устройств
Существует определенная связь между конкретным видом воздействия и ускоряемым с его помощью физико-химическим процессом в конструкции (табл.3.1).
Таблица 3.1
Климатические исполнения и категории размещения электронных устройств
Для защиты изделий от климатических воздействий предусмотрено девять основных исполнений:
1. Исполнение У – для районов с умеренным климатом со среднегодовыми экстремумами температуры от –
Работа трансформатора в режиме холостого хода
При работе трансформатора в режиме холостого хода вторичная обмотка его разомкнута, а первичная потребляет из питающей сети относительно небольшой ток холостого хода. В этом случае приложенное к эт
Работа трансформатора под нагрузкой
При включении нагрузки во вторичную обмотку трансформатора в ней появится ток I2 , который создает намагничивающую силу этой обмотки
Величина электромагнитной мощности
,
здесь f – частота сети, Гц;
В - индукция магнитного поля, Т;
j
Согласующие трансформаторы
Трансформаторы применяются в различных усилительных и измерительных устройствах для согласования электрических сигналов. По месту расположения в схеме трансформаторы согласования делятся на вход
РЯДЫ НОМИНАЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН СОПРОТИВЛЕНИЙ
Индекс ряда
Числовые коэффициенты, умножаемые на любое число, кратное 10
Допуск к номиналу
Е6
1,0
Для практических расчетов применяется формула
,
где U
Частотные свойства проявляются при работе резисторов на переменном токе, при этом полное сопротивление становится комплексным
Z = Ra+jRp,
где Z – полное сопротивление резистора на переменном токе;
Ra – активная составляющая сопротивления
Надежность.
Около четвертой части всех отказов ЭА происходит из-за отказов резисторов. Это объясняется тем, что резисторы составляют около половины общего числа элементов схем ЭА.
Статистика отказов с
Система условных обозначений и маркировка резисторов
В соответствии с действующей системой сокращенных и полных условных обозначений сокращенное условное обозначение, присваиваемое резисторам, должно состоять из следующих элементов:
Резисторы постоянного сопротивления
А) Углеродистые резисторы(тип С1) –резисторы поверхностного типа, проводящим элементом которых является пиролитический углерод.
Пленку пиролитического угл
Резисторы переменного сопротивления
Подгонка или периодическая регулировка некоторых параметров электрической цепи осуществляется с помощью резисторов переменного сопротивления. Например, резистор переменного сопротивления должен с з
Основные параметры конденсаторов
Конденсаторы постоянной емкости характеризуются такими параметрами, как номинальной емкостью, электрической прочностью, реактивной мощностью, качеством изоляции, потерями, коэффициентом абсорбции,
Под воздействием влажности изменяются диэлектрическая проницаемость воздуха и гигроскопичных диэлектриков, сопротивление изоляции, потери.
Влагостойкость конденсаторов обеспечивается за счет
-применения негигроскопичных диэлектриков, например, конденсаторной керамики;
-пропитки гигроскопичных диэлектриков негигроскоп
Надежность
Современные конденсаторы характеризуютcя следующими средними значениями интенсивности отказов для конденсаторов постоянной емкости от 1,0×10-6 1/ч до 4×10-6 1/ч и
Постоянной емкости
Конденсаторы разделяются на различные группы.
По назначению - общего назначения, специального назначения.
По характеру изменения емкости
Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком
А) Слюдяные конденсаторы.
Слюдяные конденсаторы представляют собой конструкции, состоящие из металлических обкладок и слюдяных пластин, выполняющих ро
Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком
А) Бумажные конденсаторы (например, типа КБГ)
Бумажные конденсаторы состоят из двух длинных полос алюминиевой или свинцово-оловянной фольги, разделенн
Электролитические конденсаторы
Электролитические конденсаторы отличаются высокой удельной емкостью, обусловленной использованием в качестве диэлектрика тонкой оксидной пленки, образованной из вентильного металла электродов (алюм
Параметры и характеристики конденсаторов переменной емкости с механическим управлением
Основными параметрами конденсаторов переменной емкости (КПЕ) являются:
1. Постоянная времени управления подвижной системы пластинКПЕ, которая определяется временем
Резонаторы
Необходимость применения вместо широко используемых колебательных контуров с электрическими индуктивностями и конденсаторами пьезоэлектрических и механических резонаторов вызвана тем, что с их помо
Фильтры
Частотным фильтром называется устройство (четырехполюсник), обладающее различной величиной затухания для разных
Сравнение аналоговых фильтров с цифровыми.
С распространением цифровой техники аналоговые фильтры активно вытеснялись цифровыми фильтрами, однако существуют приложения, в которых использование цифровых фильтров нецелесообразно.
Паразитные связи на печатных платах
Паразитные связи на печатных платах возникают вследствие наличия паразитной емкости С и паразитной взаимоиндуктивности М между печатными прово
Механическая обработка печатных плат
Механическая обработка печатных плат включает:
-раскрой листового материала на полосы
-получение заготовок ПП;
-выполнение фиксирующих технологических, переходных и монта
Установка навесных изделий на печатной плате
Размещение навесных элементов на печатной плате согласовывается с конструктивными требованиями на печатный узел, блок и прибор в целом. При расположении элементов необходимо предусматривать необход
Способы охлаждения электронных устройств
В процессе переноса тепловой энергии в аппаратуре участвуют все три механизма теплопередачи
В зависимости от конкретных режимов работы и условий эксплуатации относительный вклад каждого из
Предварительный выбор системы охлаждения
Предварительный выбор системы охлаждения производится на ранней стадии конструирования. Для этого используются графики, характеризующие области целесообразного применения различных способов охлажде
Охлаждающие устройства современных компьютеров
Производители компьютеров ограничивают рабочую температуру процессоров: компания Intel - +66…780С, AMD - +85…900C. Считается, что при температуре в помещении +230C
Защита с помощью изоляционных материалов
Защита с помощью изоляционных материалов применяется для изделий или его частей наиболее уязвимых для влаги.
В настоящее время известны следующие способы защиты: пропитка, заливка, обволак
Защита электронных устройств от механических воздействий
Механические воздействия на электронные устройства в общем случае имеют случайный характер. Для упрощения расчетов при оценке влияния реальных воздействий используют упрощенные модели, называемые
Понятие, основные термины и определения
Надежностью называют свойство системы сохранять величины выходных параметров в пределах установленных норм при заданных режимах и условиях в течение требуемого интерв
Показатели надежности
6.2.1 Показатели безотказности.
Вероятность безотказной работы.
Под вероятностью безотказной работы (ВБР) элеме
Оценка надежности по внезапным эксплуатационным отказам
Внезапные эксплуатационные отказы (ВЭО) представляют собой внезапные отказы полноценной по надежности электронной системы, возникающие в период нормальной эксплуатации, когда приработка устройства
Оценка надежности по износовым отказам
Износовые отказы и отказы старения (ИСО) представляют частный случай постепенных отказов, вызванных процессами электрического и механического износа и старения и появляются в третий период эксплуат
Оценка надежности по приработочным отказам
Приработочные отказы (ПРО) представляют внезапные отказы, возникающие в период приработки, предшествующий периоду нормальной эксплуатации.
ПРО возникают вследствие
- ошибок, допущ
Способы обнаружения неисправностей
В связи с тем, что основное время ремонта составляет поиск неисправностей, рассмотрим способы их обнаружения. Следует отметить, что в общем случае выбор способа обнаружения неисправности определяет
Способы обеспечения ремонтопригодности
Ремонтопригодность в общем случае определяется применением стандартных и унифицированных сменных составных частей, ограничением их номенклатуры, легкосъемностью, взаимозаменяемостью, отсутствием сл
Понятие о технологическом процессе изготовления электронных устройств
Предприятие, выпускающее готовую продукцию, характеризуется производственным процессом, состоящим из действий, в результате которых сырье, материалы или полуфабрикаты, поступающие на предпри
Параметры технологического процесса изготовления электронных устройств
К основным параметрам технологического процесса изготовления электронного устройства, а также его частных технологических процессов относят: точность, надежность, экономичность и производительность
Основы теории точности технологического процесса изготовления электронных устройств
Любой технологический процесс производства электронного устройства характеризуется циклом последовательных операций. В процессе каждой из них функциональный узел (или блок) приобретает новое качест
Методы анализа производственных погрешностей
Для анализа производственных погрешностей используется два основных метода: статистический и расчетно-аналитический.
Статистический
Статистический метод анализа производственных погрешностей.
Статистический метод можно разделить на ряд действий:
1) собственно наблюдения изучаемого узла (измерение параметров, определение свойств и т.п.);
2) группировка полученного при н
Экспериментальный метод.
При использовании этого метода данные получаются по результатам эксперимента. Сущность метода вытекает из рассмотрения уравнения погрешности выходного параметра
Расчетный метод.
Метод частных производных. Этот метод предполагает наличие аналитического выражения, связывающего выходной параметр с производственными погрешностями. Разложив уравнение (4) в ряд
Точность и устойчивость технологических процессов
Оценка точности ТП основывается на определении погрешности соответствующих параметров, а точнее характера его распределения, которое наиболее полно может быть представлено в виде кривой распределен
Новости и инфо для студентов