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压电陶瓷变压器的基本结构域与工作原理

2018-03-01 09:02:17 德州信平电子有限公司 阅读

        压电陶瓷变压器是利用压电陶瓷材料经烧结和高压极化等工艺制造而成的,它是一种在变压原理和结构方面与传统电磁(绕线)式变压器截然不同的新型电子变压器。压电陶瓷变压器不需要磁心和铜漆包线,具有结构简单、体积小、重量轻、超薄型(厚度<5mm)、不怕短路烧毁、不怕潮、不引起电磁干扰、功率转换效率高(可达98%)等优点,特别适应电子产品和电路向集成化、片式化发展趋势要求,故在近十年中得到迅速发展和广泛的应用。

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    1.压电效应  压电陶瓷变压器的工作原理基于压电效应。压电效应是在石英晶体某些特定方向上施加压力时出现的。后来人们发现压电陶瓷多晶体和非晶固体(如聚合物)等;也具有压电效应。当在压电晶体或陶瓷上施加外力时,在其一定的表面会呈现出电荷,并且电荷密度与机械应力成正比。当外力反向时,电荷符号将会改变。这种由机械力的作用使晶体或陶瓷极化在其表面形成电荷的效应称为正压电效应。反之,当外加电场施加于压电晶体或陶瓷时,晶体或陶瓷会产生形变和振动,这种效应称为逆压电效应。


        压电蜂鸣器和压电点火棒是大家熟悉的两种产品。压电蜂鸣器是利用压电陶瓷的逆压电效应工作的,给其加上电信号.将会产生振动而发出声音。压电点火棒是利用压电陶瓷的正压电效应工作的,给其加上机械压力,在点火棒两端即有高电压发生。


    2. 结构和工作原理  压电陶瓷变压器是在同一压电陶瓷上同时利用正压电效应和逆压电效应来进行工作的,即经过电能到机械能和机械能到电能的两次能量转换。压电陶瓷变压器按其形状、电极和极化方向不同而有各种结构


        压电陶瓷变压器按其形状、电极和极化方向不同而有各种结构。单就形状来说,有长方形、圆柱形、扁平方形和圆板形等几种,其中最简单同时又最为常用的是单片长方形结构,如上图所示。这种结构是美国研究者Rosen在1956年制备的压电陶瓷变压器样品所采用的,因此人们将其称为Rosen型压电陶瓷变压器。这种采用横向一纵向振动模式的压电陶瓷变压器,由左、右两个部分组成。左半部分上下两面都有烧渗的银电极,沿厚度方向(纵向)极化,作为输入端,这部分称为驱动部分:右半部分的端头烧渗了银电极,沿长度方向(从左到右)极化,作为输出端,这部分称为发电部分。当一个交变电压加到压电陶瓷变压器的输入端时,只要交变电压频率与压电陶瓷的谐振频率相一致,就会通过逆压电效应使其产生振动,使输入的电能转化为机械能(这与蜂鸣器的工作原理是一样的)。在发电部分感受到驱动部分的机械振动后,则通过正压电效应将机械能转化为电能,产生正弦波电压输出(这与点火棒的工作原理相类似)。当输入与输出端的阻抗不相等时,导致它们的电压和电流也不相等,从而实现输入和输出端之间的电压和电流变换功能。对于上图所示的压电陶瓷变压器,由于长度远大于厚度,输入阻抗远大于输出阻抗,因而输出电压高于输入电压,成为一种升压变压器。这种压电变压器的升压比:压电变压器的升压比式中:Qm为材料的机械品质因数;k3,1和k33分别为材料的横向和纵向机械耦合系数;L为变压器驱动部分的长度:t为压电陶瓷厚度。变压器的最大转换效应率变压器的最大转换效应率变压器的最大转换效应率


        升压型压电陶瓷变压器输入一个数伏或数十伏的电压,可以产生一个数千伏的输出电压。


        如果压电陶瓷变压器的输入阻抗大于输出阻抗,则成为一个降压型变压器。


        单层压电陶瓷变压器的变压比较小,输出功率也较低(一般仅为1~2W)。自上一个世纪90年代中期后,人们将多层片式电容器的工艺移植到压电陶瓷变压器的制备中,从而制成了多层片式压电陶瓷变压器,其输出功率可达10W以上。日本电气(NEC)公司制作的尺寸为14mm×14mm×6mm的多层片式压电陶瓷变压器,工作频率为140kHz,输出功率达20W,转换效率为97%。


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