壓電陶瓷變壓器

壓電陶瓷變壓器的原理是利用壓電材料的壓電性能來實現機械能和電能之間的轉換。早在20世紀50年代,美國羅森 ( Rosen )等人就提出了Rosen 型壓電變壓器。壓電變壓器作為一種新型電子器件,與傳統的電磁變壓器相比,具有體積小、重量輕、升壓比大、轉換效率高、輸出波形好、使用時不會擊穿、變壓器本身耐高溫、不怕燃燒和不引起電磁干擾,以及結構簡單、製作簡便、易批量生產、能節約有色金屬、不用磁芯等優點 ,特別適用於電子集成領域。
根據振動模式的不同,壓電陶瓷變壓器可分為縱向振動模式、厚度振動模式、徑向振動模式和彎曲振動模式變壓器等。
1.1縱向振動模式變壓器
Rosen型壓電陶瓷變壓器是縱向振動模式的典型,它主要工作在諧振狀態下。普通的Rosen型壓電變壓器的結構原理如圖1 所示,它由左右兩部分組成,分別稱之為 “驅動部分”和 “發電部分”。驅動部分的上、下兩個端面都有燒滲的銀電極,它們沿厚度方向極化,可作為電壓輸入端:發電部分右端燒滲的銀電極則沿長度方向極化,可作為電壓輸出端。當交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時,通過壓電效應,可使壓電變壓器產生沿長度方向的伸縮振動,以將輸入的電能轉換為機械能;而發電部分則通過正壓電效應,使沿長度方向伸縮振動的機械能轉換為電能,從而產生電壓輸出Vout。由於壓電變壓器的長度大於厚度,故其輸入端為低阻抗,輸出端為高阻抗,輸出電壓大於輸入電壓,為升壓變壓器。一般輸人幾伏到幾十伏的交變電壓,就可以獲得幾千伏以上的高壓輸出。

1.2 厚度振動模式變壓器
厚度振動模式壓電變壓器的結構原理如圖2所示。它的輸入部分和輸出部分都是由縱向式壓電陶瓷組成的。厚度振動模式壓電變壓器是低壓變壓器。主要套用於低功率的變換器和適配器中。厚度振動模式的代表是疊層式降壓壓電陶瓷變壓器。它的厚度擴張振動模式也有兩種 .即半波模式和全波模式(又稱作一次模式和二次模式) 。當輸入端加交流電壓時,由於逆壓電效應.輸入部分的單層壓電陶瓷產生沿厚度方向的擴張振動.當振動傳遞到輸出部分後,由於壓電效應的作用,可在輸出端產生輸出電壓。這種壓電降壓變壓器的變壓比由輸人與輸出部分的單層厚度比決定 。

1.3徑向振動模式變壓器 徑向壓電陶瓷變壓器的基本結構如圖3 所示 。其中下半部分沿厚度方向極化且沿徑向應變,可作為輸入端,亦稱為驅動部分;上半部分也沿厚度方向極化且沿徑向應變,可作為輸出端,稱為感應部分。當正弦交變電壓加到輸入端時,壓電變壓器產生沿徑向的振動:而感應部分則通過正壓電效應來產生電壓輸出。由於施加在兩組輸入端電極的入端電壓極性是相反的,因此,在工作時,上下表面將分別以厚度切變模式進行收縮和擴張,從而在輸入端總體上導致彎曲振動模式,而在輸出端仍為長度擴張模式。這樣就可以產生較高的輸出電壓。

除上述壓電陶瓷變壓器外。還有幾種新型壓電陶瓷變壓器,如美國Kenji Uchino等人研製開發的月牙形電極圓片形壓電陶瓷變壓器,以及環/菱形點型電極的方形壓電陶瓷變壓器。但上述前三種壓電變壓器的實際套用較多。

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