Краткие теоритические сведения

Пьезоэлектрический трансформатор представляет собой твердое тело, в котором электрическим напряжением возбуждаются механиче­ские колебания. Эти колебания на выходе трансформатора преобразуются снова в электрический сигнал. Прямое и обратное преобразование электрической энергии осуществляется за счет прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта, наблюдаемого в некоторых диэлектриках.

Отсутствие обмоток, невозгораемость, высокая надежность, про­стота конструкций, стойкость к радиации и большой диапазон кон­структивных возможностей - все это явилось причиной широких ис­следований пьезоэлектрических трансформаторов.

Однако пьезоэлектрическим трансформаторам свойственны особен­ности, которые на первом этапе их внедрения создают определен­ные трудности. Прежде всего эти приборы явились неожиданными для самих разработчиков, поскольку для их изучения, кроме знаний электротехники и физики диэлектриков, необходимы знания физичес­кой акустики. С другой стороны, пьезоэлектрические трансформаторы не вписываются в схемы, разработанные на основе электромаг­нитных трансформаторов.

Конструктивно пьезотрансформатор представляет собой пьезоэлемент с нанесенными методом вжигания на участках его поверхности электродами из серебра и заключенный в корпус с контактами для защиты от влияния внешних воздействий.

Величина коэффициента трансформации по напряжению у пьезо­электрических трансформаторов может достигать нескольких сотен. Частота подводимого к пьезоэлементу напряжения выбирается та­кая, чтобы для продольных колебаний, возникших в пластине, установился механический резонанс. Он может быть установлен на час­тотах, при которых длина волны λ и пластины l, будут нахо­диться в следующем соотношении:

l=0,5λ•n, где n=1,2,3… (1.1)

Пластина пьезоэлемента предварительно поляризуется, причем направление вектора поляризации в различных частях пластины мо­жет быть неодинаково. Оно соответствует расположению электродов и основному направлению колебаний акустических волн. При закреп­лении пьезоэлемента в корпусе, крепежные узлы необходимо распола­гать в местах минимальных значений скорости механических колеба­ний, чтобы не вносить дополнительных потерь в его механические колебания. При n=1 имеется лишь одна линия крепления, поэто­му колеблющуюся пластину закрепить прочно не удается. Для более надежного крепления пьезоэлемента в кожухе рабочая частота выби­рается такой, при которой длина пьезоэлемента в целое число раз больше, длины волны акустических колебаний или равна ей.

Классификация пьезоэлектрических трансформаторов.

Пьезоэлектрические трансформаторы можно классифицировать по многим признакам. По типу конструкции трансформаторы делятся на три основные группы: продольно-продольную, поперечно-продольную или, при обратном включении, продольно-поперечную и поперечно-перечную (рис.1.1).

Элементарные конструкции пьезоэлектрических трансформаторов

а)продольно-продольная; б)поперечно-продольная; в)поперечно-поперечная

Рис. 1.1

Коэффициент трансформации для электрических трансформаторов (в отличие от электромагнитных трансформаторов) необратим:

;

где - коэффициент трансформации по напряжению; - коэффици­ент трансформации по току; , - коэффициенты для прямого и обратного включения.

Эти отличия пьезоэлектрических трансформаторов от намоточных привели к условному делению их на пьезоэлектрические трансформа­торы напряжения и тока.

К пьезоэлектрическим трансформаторам тока условно относятся конструкции с коэффициентом трансформации меньше 10.

Пьезоэлектрические трансформаторы делят также на узкополосные и широкополосные. Рабочие частоты узкополосных трансформаторов выбираются в окрестности одной из частот механического резонанса, т.е. в той области частот, где коэффициент трансформации достига­ет максимальной величины. Дня широкополосных конструкций пьезоэлектрических трансформаторов коэффициент трансформации в режиме холостого хода имеет постоянное значение от нуля до первой часто­ты механического резонанса.

Классификацию пьезоэлектрических трансформаторов можно про­должить по другим признакам: по типу колебаний (сдвига, изгиба, продольных радиальных); по форме механического резонатора (плас­тина, брусок, диск сплошной или с отверстием, сплошной или полый цилиндр) и т.д.

Опытные данные

Схема пьезоэлектрического трансформатора

Uвх=1В

Табл.1 Экспериментальные данные для трансформаторов 1 и 2.

Трансформатор 1	Трансформатор 2
f 103, Гц	U, В	f 103, Гц	U, В
	0,85		0,6
	0,6		0,3
	0,2		2,1
	2,5	103,5	3,5
28,3	7,5		7,2
28,5		104,5	6,5
			4,1
			3,2
			2,8

Табл.2 Экспериментальные данные для трансформатора 3.

С нагрузкой	Без нагрузки
f 103, Гц	U, В	f 103, Гц	U, В
	0,6
	0,6		0,5
	3,3	34,5	1,8
35,5	4,2		8,2
	2,4	35,5
36,5
	1,8	36,5
	1,4		3,4
			2,8

Рис.1 Зависимость коэффициента передачи от частоты для Тр1 и ТР2.

Рис.2 Зависимость коэффициента передачи от частоты для Тр3 с и без нагрузочного сопротивления.

Расчет электромеханической добротности трансформаторов.

Для расчета воспользуемся формулой .

Трансформатор 1:

fp=28,3 кГц; f1=28,1 кГц; f2=28,6 кГц; Δf=0,5 кГц;

Кр=7,5

Трансформатор 2:

fp=104 кГц; f1=103,8 кГц; f2=105 кГц; Δf=1,2 кГц;

Кр=7,1

Трансформатор 3:

fp=35,5 кГц; f1=34,8 кГц; f2=35,9 кГц; Δf=1,1 кГц;

Кр=10

Вывод: Ознакомился с конструктивными и технологически­ми особенностями и электрическими характеристиками пьезоэлектри­ческих трансформаторов. Исследовал основные характеристики пьезоэлектрических трансформаторов. По полученным данным можно сказать, что пьезоэлектрические трансформаторы имеют достаточно большой коэффициент трансформации, хорошую добротность. Также рабочим режимом данного вида трансформаторов является резонанс.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Кафедра электронной техники и технологии

Отчёт

по лабораторной работе на тему:

«Исследование характеристик пьезоэлектрических трансформаторов»

Выполнил: Принял:

Студент ФКП Терех А. С.

Касабуцкий А. А.

Минск 2011