Пьезотрансформаторы

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.