徑向多層壓電陶瓷變壓器的工作原理及性能分析
前言
壓電陶瓷變壓器采用壓電陶瓷材料制成，最早于1956年由美國(guó)工程師提出，并研制出第一個(gè)單層壓電陶瓷變壓器，但限于當(dāng)時(shí)的科技水平，產(chǎn)品實(shí)用性極差。
由于壓電陶瓷變壓器具有效率高、薄型化、重量輕、升壓比高、無(wú)電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，許多知名電子元器件廠家一直在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展、制造工藝水平的極大提高，產(chǎn)品日益成熟，特別是近十年，電子產(chǎn)品小型化、薄型化、高效化的要求對(duì)它的需求越來(lái)越大，目前比較成熟的產(chǎn)品前者在液晶顯示器背光電源及一些小型高壓電源中得到廣泛應(yīng)用，后者在高頻開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用較廣。
近來(lái)對(duì)橫向振動(dòng)型壓電變壓器的研究取得了很大進(jìn)展，其中最典型的是徑向振動(dòng)型壓電陶瓷變壓器，本文介紹了這種壓電陶瓷變壓器的工作原理、等效電路，并分析了其性能。
工作原理
壓電陶瓷材料具有極化特性和壓電特性。所謂極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場(chǎng)作用下內(nèi)部電疇與外加電場(chǎng)取向一致；所謂壓電特性是指在一個(gè)極化好的壓電陶瓷材料上施加一個(gè)壓力，則有自由電荷流入外接電路，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)；反之稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。
壓電陶瓷變壓器將逆壓電效應(yīng)與壓電效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，其基本原理是利用輸入交變電壓使壓電陶瓷片處在機(jī)械簡(jiǎn)諧振動(dòng)狀態(tài)，再由輸出端電極利用正壓電效應(yīng)將簡(jiǎn)諧振動(dòng)的機(jī)械能換成同頻率的電能，從而完成電能一機(jī)械能一電能的能量傳遞過(guò)程。一般情況下要求輸入電壓頻率應(yīng)與壓電陶瓷的固有頻率一致，這樣瓷片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械共振現(xiàn)象，從而能有效地傳遞能量。
單層徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)
整個(gè)壓電變壓器可以分成兩部分：下半部分沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸入端，稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)部分；上半部分也沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸出端，稱(chēng)為感應(yīng)部分。當(dāng)正弦交變電壓加到輸入端時(shí)，壓電變壓器產(chǎn)生沿徑向振動(dòng)；而感應(yīng)部分通過(guò)正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電壓輸出。
多層變壓器（n1=3，n2=1）的結(jié)構(gòu)
徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)性能分析在分析壓電陶瓷變壓器時(shí)，利用如所示的等效電路，其中：R為壓電瓷片振動(dòng)阻尼等效電阻；L為壓電瓷片質(zhì)量（慣性）等效電感；C為壓電瓷片彈性系數(shù)等效電容；Cd1、Cd2S輸入和輸出的平板電極電容。下面選取一個(gè)樣本，其參數(shù)分別為：R=11D、L9.50mH、=192pF、Cd1=1.47nF、Cd2=1.35nF、n=0.97，以該樣本參數(shù)為例對(duì)多層徑向壓電變壓器性能進(jìn)行分析，并用電腦繪制各自的特性曲線。
1、變壓器效率徑向壓電陶瓷變壓器等效電路當(dāng)輸出端接上一個(gè)負(fù)載電阻時(shí)，如所示，變壓器效率，共振頻率變壓器輸出功率、電壓變比等性能如何是我們所關(guān)心的，我們采用將輸出端的負(fù)載與電容折算到輸人部分的辦法來(lái)進(jìn)行分析，再將并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為串聯(lián)m抗，輸人法中：容易證明：蒞給定負(fù)載不變的情況下，當(dāng)M―0，則n―1；當(dāng)W―'則n―0；當(dāng)R，=1/mCm時(shí)，有<1 h2WwRCmh效率與負(fù)載間的特性曲線如（b）所示。效率，頻率、負(fù)載三者之間的關(guān)系如（c）所示。
2、共振頻率（b）的等效電路可知，當(dāng)Rl-0時(shí)的共振頻率為f=l/1）為共振頻率，可以證明：iRs=R時(shí)，輸出功率最大，Pmax=1/（4R）；當(dāng)dRs/dRL=0，即RL=1/（2nfrCd2）時(shí)，輸出功率出現(xiàn)極小+RL）2；歸一化輸出功率與負(fù)載的m特性曲線。
3、電壓變化電壓變比為輸出電壓與輸入電壓之比，即Au=Uut/Uin，根據(jù)（b）的等效電路可知，在壓電陶瓷變壓器發(fā)生共振的情況下，電壓變比由下式?jīng)Q定時(shí)，電壓變比有最大值：Au=RL/（2n2R+RL）；系曲線如所示。
結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)以上分析可知，多層徑向振動(dòng)壓電陶瓷變壓器具有共振頻率低、效率高、輸出功能大等特點(diǎn)，而且它的共振頻率更純，不像其它類(lèi)型的壓電變壓器受各方向機(jī)械振動(dòng)尺寸的不均勻影響而有雜波，加上它的體積更小，更薄、重量更輕、無(wú)電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此有望在低頻或工頻領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但是徑向振動(dòng)型壓電變壓器的電壓變比不及R型，因此較難以應(yīng)用到高壓領(lǐng)域。
壓電陶瓷變壓器采用壓電陶瓷材料制成，最早于1956年由美國(guó)工程師提出，并研制出第一個(gè)單層壓電陶瓷變壓器，但限于當(dāng)時(shí)的科技水平，產(chǎn)品實(shí)用性極差。
由于壓電陶瓷變壓器具有效率高、薄型化、重量輕、升壓比高、無(wú)電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，許多知名電子元器件廠家一直在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展、制造工藝水平的極大提高，產(chǎn)品日益成熟，特別是近十年，電子產(chǎn)品小型化、薄型化、高效化的要求對(duì)它的需求越來(lái)越大，目前比較成熟的產(chǎn)品前者在液晶顯示器背光電源及一些小型高壓電源中得到廣泛應(yīng)用，后者在高頻開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用較廣。
近來(lái)對(duì)橫向振動(dòng)型壓電變壓器的研究取得了很大進(jìn)展，其中最典型的是徑向振動(dòng)型壓電陶瓷變壓器，本文介紹了這種壓電陶瓷變壓器的工作原理、等效電路，并分析了其性能。
工作原理
壓電陶瓷材料具有極化特性和壓電特性。所謂極化特性是指壓電陶瓷材料在外電場(chǎng)作用下內(nèi)部電疇與外加電場(chǎng)取向一致；所謂壓電特性是指在一個(gè)極化好的壓電陶瓷材料上施加一個(gè)壓力，則有自由電荷流入外接電路，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)；反之稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。
壓電陶瓷變壓器將逆壓電效應(yīng)與壓電效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，其基本原理是利用輸入交變電壓使壓電陶瓷片處在機(jī)械簡(jiǎn)諧振動(dòng)狀態(tài)，再由輸出端電極利用正壓電效應(yīng)將簡(jiǎn)諧振動(dòng)的機(jī)械能換成同頻率的電能，從而完成電能一機(jī)械能一電能的能量傳遞過(guò)程。一般情況下要求輸入電壓頻率應(yīng)與壓電陶瓷的固有頻率一致，這樣瓷片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械共振現(xiàn)象，從而能有效地傳遞能量。
單層徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)
整個(gè)壓電變壓器可以分成兩部分：下半部分沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸入端，稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)部分；上半部分也沿厚度方向極化且沿徑向應(yīng)變，作為輸出端，稱(chēng)為感應(yīng)部分。當(dāng)正弦交變電壓加到輸入端時(shí)，壓電變壓器產(chǎn)生沿徑向振動(dòng)；而感應(yīng)部分通過(guò)正壓電效應(yīng)，產(chǎn)生電壓輸出。
多層變壓器（n1=3，n2=1）的結(jié)構(gòu)
徑向壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)性能分析在分析壓電陶瓷變壓器時(shí)，利用如所示的等效電路，其中：R為壓電瓷片振動(dòng)阻尼等效電阻；L為壓電瓷片質(zhì)量（慣性）等效電感；C為壓電瓷片彈性系數(shù)等效電容；Cd1、Cd2S輸入和輸出的平板電極電容。下面選取一個(gè)樣本，其參數(shù)分別為：R=11D、L9.50mH、=192pF、Cd1=1.47nF、Cd2=1.35nF、n=0.97，以該樣本參數(shù)為例對(duì)多層徑向壓電變壓器性能進(jìn)行分析，并用電腦繪制各自的特性曲線。
1、變壓器效率徑向壓電陶瓷變壓器等效電路當(dāng)輸出端接上一個(gè)負(fù)載電阻時(shí)，如所示，變壓器效率，共振頻率變壓器輸出功率、電壓變比等性能如何是我們所關(guān)心的，我們采用將輸出端的負(fù)載與電容折算到輸人部分的辦法來(lái)進(jìn)行分析，再將并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換為串聯(lián)m抗，輸人法中：容易證明：蒞給定負(fù)載不變的情況下，當(dāng)M―0，則n―1；當(dāng)W―'則n―0；當(dāng)R，=1/mCm時(shí)，有<1 h2WwRCmh效率與負(fù)載間的特性曲線如（b）所示。效率，頻率、負(fù)載三者之間的關(guān)系如（c）所示。
2、共振頻率（b）的等效電路可知，當(dāng)Rl-0時(shí)的共振頻率為f=l/1）為共振頻率，可以證明：iRs=R時(shí)，輸出功率最大，Pmax=1/（4R）；當(dāng)dRs/dRL=0，即RL=1/（2nfrCd2）時(shí)，輸出功率出現(xiàn)極小+RL）2；歸一化輸出功率與負(fù)載的m特性曲線。
3、電壓變化電壓變比為輸出電壓與輸入電壓之比，即Au=Uut/Uin，根據(jù)（b）的等效電路可知，在壓電陶瓷變壓器發(fā)生共振的情況下，電壓變比由下式?jīng)Q定時(shí)，電壓變比有最大值：Au=RL/（2n2R+RL）；系曲線如所示。
結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)以上分析可知，多層徑向振動(dòng)壓電陶瓷變壓器具有共振頻率低、效率高、輸出功能大等特點(diǎn)，而且它的共振頻率更純，不像其它類(lèi)型的壓電變壓器受各方向機(jī)械振動(dòng)尺寸的不均勻影響而有雜波，加上它的體積更小，更薄、重量更輕、無(wú)電磁干擾、不易燃、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此有望在低頻或工頻領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但是徑向振動(dòng)型壓電變壓器的電壓變比不及R型，因此較難以應(yīng)用到高壓領(lǐng)域。
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