О выборе рациональных размеров сегнетоэлектрического тела импульсного генератора напряжения

О выборе рациональных размеровсегнетоэлектрического рабочего тела импульсного генератора напряженияк.т.н. Д.В. Третьяков1. ВведениеВ статьерассматривается генератор электрического напряжения, преобразующий энергиюмеханического удара в электрическую энергию. Основным элементомрассматриваемого генератора является сегнетоэлектрическое рабочее тело, покоторому в процессе функционирования генератора движется ударная волна.Нагрузкой для рассматриваемого генератора является конденсатор, а индуктивностьи активное сопротивление нагрузки незначительны.В настоящейстатье предлагаются оценочные эмпирические зависимости, по которым может бытьпроведен предварительный выбор геометрических размеров сегнетоэлектрическогорабочего тела. Также указываются методы уточнения параметров генератора впроцессе его конструкторской отработки.2. Конструкция генератораКак ужеуказывалось выше, основным элементом рассматриваемого генератора являетсясегнетоэлектрическое рабочее тело. В общем случае, в рабочем теле возможноформирование ударной волны, движущейся в направлении коллинеарном илиперпендикулярном направлению спонтанной поляризации сегнетоэлектрическогоматериала.

Отличие в физических процессах при различных направлениях движенияфронта ударной волны анализируется в работах 1,2 . Окончательный выборрационального направления движения фронта ударной волны может быть сделантолько с учетом конкретного типа и назначения проектируемого взрывногогенератора. Так, при разработках малогабаритных источников СВЧ v излучения вомногих удачных конструкциях направление движения фронта ударной волны былоколлинеарно направлению спонтанной поляризации рабочего тела 3 . Длярассматриваемого в настоящей статье взрывного генератора электрическогонапряжения, как следует из предшествующих работ и как показали эксперименты,проведенные автором, предпочтительным является направление движения фронтаударной волны перпендикулярное направлению спонтанной поляризации рабочеготела. При указанном выборе направления движения фронта ударной волны, рабочее тело представляет собой параллелепипед из сегнетоэлектрического материала, противоположные грани которого имеют металлическое покрытие.

Обозначение размеров рабочего тела приведено на рис. 1. Существуют различные известные методы для формирования в рабочем теле ударной волны, заданной формы. Минимальная масса конструкции генератора может быть достигнута при формировании ударной волны за счет срабатывания небольшого заряда взрывчатого вещества 4,5 массой 1-3 грамма. http www.laboratory.ru articl tech rat071.htm Рис. 1. Сегнетоэлектрическое рабочее тело. 3. Эквивалентная схема генератораВозможны дваподхода к описанию процессов происходящих в генераторе. Во-первых, это модельпроцесса, основанная на описании пьезоэлектрического эффекта.

Для большогочисла применяемых на практике сегнетоэлектрических источников электрическогонапряжения единственно применимой является только эта модель.

Во-вторых, следуетотметить модель, предполагающую, что по рабочему телу движется ударная волна,которая имеет интенсивность, достаточную для перевода материала изсегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние.

В этой модели именноизменение состояния материала обуславливает генерацию электрическогонапряжения.

В частности, этот подход описан в работах 1-5 и ряде другихработ. Такой подход предполагается и в настоящей статье. http www.laboratory.ru articl tech rat072.htm Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема генератора. В реальной конструкции, даже при наличии в рабочем теле достаточно сильной ударной волны, в нем, тем не менее, обязательно будет присутствовать и пьезоэлектрический эффект.

Кроме того, рассматриваемая модель не учитывает весьма сложную картину реальной системы ударных и акустических волн, распространяющихся по рабочему телу. Все эти неточности модели, обусловленные принятыми допущениями, могут быть компенсированы выбором величин эмпирических коэффициентов.

При указанном подходе к моделированию процесса, эквивалентная электрическая схема сегнетоэлектрического генератора может быть представлена в виде, показанном на рис. 2. Обоснование представленной эквивалентной электрической схемы дано в работе 5 . Интенсивность процесса деполяризации сегнетоэлектрического рабочего тела будет характеризоваться параметрами источника тока i0. Емкость сегнетоэлектрического рабочего тела обозначена на схеме Cg. Переменное сопротивление Rg, в обобщенном виде характеризует различного рода утечки заряда.

Зависимости величин i0 и Rg от времени могут быть взяты, например, из работы 5 . Нагрузкаможет быть представлена в виде последовательно соединенных между собойактивного сопротивления R, индуктивности L и емкости C. Характеристики нагрузкиобычно бывают хотя бы примерно известны до начала проектирования генератора.На рис. 3, заимствованном из работы 5 , приведена типичная зависимость напряжения на емкости нагрузки от времени.

Сплошная кривая на этом рисунке получена при испытаниях сегнетоэлектрического рабочего тела, в котором площадь ударной волны составляла 4,8 см2, а путь ударной волны по рабочему телу 20 мм. Материал рабочего тела v пьезоэлектрическая керамика ЦТС-19. Конструкция генератора монтировалась в пластмассовом корпусе цилиндрической формы с внешним диаметром 40 мм и длиной 42 мм. Масса заряда взрывчатого вещества составляла около 3 г. Генератор подключался к нагрузке с емкостью 1000 пФ, индуктивностью 30 мкГн и с активным сопротивлением несколько десятков Ом. При функционировании генератора напряжение на емкости нагрузки повышалось до 35 кВ. Пунктирная кривая на рис. 3 была рассчитана по программе, написанной в соответствии с изложенной в работе 5 методикой. http www.laboratory.ru articl tech rat073.htm Рис. 3. Экспериментальная и теоретическая зависимости напряжения на емкости нагрузки от времени. 4. Предварительная оценка параметров сегнетоэлектрическогорабочего телаПредполагается,что заданными до начала проектирования являются емкость конденсатора нагрузкиC, энергия,запасаемая в конденсаторе нагрузки на момент окончания работы генератора, идлительность функционирования генератора. Длительность функционированиягенератора можно принять равной времени движения фронта ударной волны порабочему телу.В качестве первого приближения можетбыть взято сегнетоэлектрическое рабочее тело в виде параллелепипеда соследующими геометрическими размерами рис. 1 - расстояние между контактнымиповерхностями - площадь контактной поверхности где - напряженность электрического поля, при котором происходит пробойматериала рабочего тела скачек поляризации на фронте ударной волны -безразмерные эмпирические коэффициенты обобщенно характеризующий различныепотери энергии при функционировании генератора.Размер рабочего тела в в направлениидвижения ударной волны ,где -скорость движения фронта ударной волны.Ширина рабочего тела.Площадь фронта ударной волны Значения, и зависятот давления на фронте ударной волны.

Однако, при отсутствии данных по этойзависимости, за величину можетбыть принято значение статической электропрочности.

При отсутствии значенийскачка поляризации на фронте ударной волны илискорости движения фронта ударной волны ониприближенно могут быть заменены на , соответственно, остаточную поляризацию искорость звука в материале рабочего тела. При этом при проведении расчетовцелесообразно корректировать значения и.Масса сегнетоэлектрического рабочеготела может быть оценена по зависимости где плотностьматериала рабочего тела.5. ЗаключениеДляполучения рациональной конструкции сегнетоэлектрического генератора напряжениягеометрические размеры его рабочего тела могут быть выбраны исходя изприведенных в разделе 4 зависимостей. http www.laboratory.ru articl tech rat074.htm Рис. 4. Испытание четырех соединенных между собой генераторов, смонтированных в обном корпусе.

Корпус генератор в виде тора лежит на земле.

Вверху видно соленоид и конденсаторы нагрузки.

После предварительного выбора размеров рабочего тела перед началом экспериментальной отработки генератора целесообразно провести уточняющие расчеты, например, по методике изложенной в работе 5 и провести корректировку конструктивных параметров.

В общем случае в электрическую цепь может быть включено несколько соединенных между собой генераторов описываемого типа. На рис. 4 представлено испытание четырех генераторов, смонтированных в одном корпусе.

Список литературы Е.З. Новицкий, В.Д. Садунов, Г.Я. Карпенко Поведение сегнетоэлектриков в ударных волнах. Физика горения и взрыва. 1978, т. 14, 4, с. 115 - 129. Е.З. Новицкий, В.Д. Садунов Энергетические характеристики сегнетоэлектрика как рабочего тела преобразователя энергии УВ. Физика горения и взрыва. 1985, т.21, 5, с. 104 - 107. Прищепенко А.Б Третьяков Д.В Щелкачев М.В. Баланс энергии взрывного пьезоэлектрического генератора частоты. v Мегагауссная и мегаамперная технология и применения Труды конференции v Саров, ВНИИЭФ,1997, с.954-958. Пьезокерамический источник питания ВМГ. Демидов В.А Садунов В.Д Казаков С.А. и др. в сборнике Мегагауссная и мегаамперная технология и применения Труды конференции v Саров, ВНИИЭФ,1997, с.347-350. Третьяков Д. В. Оценка параметров взрывного генератора напряжения с сегнетоэлектрическим рабочим телом. v Электричество. 2000, 12, с. 56-61.