壓電陶瓷變壓�是用鐵電陶瓷材料�(jīng)燒結(jié)和高壓極化等工藝制成的一種新�電子變壓�,利�壓電材料的�壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng),完成機(jī)械能與電能之間的�(zhuǎn)�,實(shí)�(xiàn)高壓輸出。�(jìn)�90年代中期�,隨著信息產(chǎn)�(yè)的迅猛發(fā)展及電子�(chǎn)品朝輕、薄、短、小方向�(fā)展的趨勢,使得壓電陶瓷變壓器技�(shù)與產(chǎn)�(yè)得到長足�(jìn)步和�(fā)��
壓電陶瓷變壓器采用壓電材料, 利用�(jī)電轉(zhuǎn)換特�� 配合元件的振動部�� �(fā)電部分電�(jī)� �(jìn)行極化設(shè)�(jì)� 由輸入電壓使壓電片處于共振狀�(tài)� 再由正壓電效�(yīng)� 將高�(yīng)變轉(zhuǎn)化成電壓輸出� 從而達(dá)到變壓的效果�
�1為其長條片型一體化�(jié)�(gòu)簡圖� 采用特殊壓電陶瓷材料 (如改性鋯鈦酸鉛或鈮鎂鋯鈦酸鉛� ,經(jīng)高壓力成型� 高溫?zé)Y(jié)和高壓電場極化等一系列工藝制成�
壓電陶瓷變壓器基于正逆壓電效�(yīng)� 在機(jī)電能量二次轉(zhuǎn)換過程中� 通過體內(nèi)阻抗變換升壓。當(dāng)壓電變壓器輸入端 (驅(qū)動部分) 加入一定頻率的交變電壓� 由于逆壓電效�(yīng)� 使壓電變壓器�(chǎn)生沿長度方向的伸縮振�� 輸入端的電能�(zhuǎn)換為�(jī)械能。在�(fā)電部�� 由于存在縱向振動� 通過正壓電效�(yīng)� �(jī)械能�(zhuǎn)換為電能� 使輸出端有高電壓輸出�
因壓電陶瓷變壓器的反射阻抗隨�(fù)載阻抗的減小而增�� 這個特性在高壓�(yīng)用時極為重要。當(dāng)�(fù)載短路或高壓放電時, 陶瓷變壓器的輸入阻抗迅速增�� 保證變壓器及外圍電路不至燒毀。因�� 使用壓電陶瓷變壓�� 電源無需另設(shè)短路保護(hù)電路�
較之傳統(tǒng)繞線式變壓器� 壓電陶瓷變壓器具有以下優(yōu)�(diǎn)�
1� �(jié)�(gòu)簡單� 體積�� 功率�� 重量�� 適應(yīng)電子元器件薄型化的發(fā)展趨��
2� 無需磁芯和銅�� 可節(jié)省金屬材料;
3� 不會因短路而被燒毀� 不會被高壓擊�� 不怕受�� 不怕電磁干�� 無噪聲。能適應(yīng)在潮�� 鹽霧� 沖擊� 振動等各種惡劣環(huán)境下正常工作�
4� �(zhuǎn)換率�� 升壓比高� 安全性能超群�
5� �(yīng)用范圍廣�
盡管壓電陶瓷變壓器具有以上這些�(yōu)�(diǎn),但也存在一些不�,例如:
a.壓電陶瓷變壓器輸出功率比較小。雖然有些壓電變壓器的輸出功率可�(dá)20W(如NEC制作的尺寸為14mm×14mm×6mm的降壓型多層片式壓電陶瓷變壓器輸出功率達(dá)20W以上,諧振頻率為140KHz,在20W時的�(zhuǎn)換效率為97%)乃�30~40W,但目前成熟�(chǎn)品的輸出功率不超�10W,因此僅適用小功率、小電流和高電壓�(lǐng)��
b.只有當(dāng)輸入電壓頻率在壓電變壓器的諧振頻率附近時,才有的輸出電壓,如果偏離諧振頻率,電壓下降的幅度較�。因�,壓電陶瓷變壓器與傳�(tǒng)繞線式變壓器不同,其工作頻率范圍比較��
c.壓電陶瓷變壓器所涉及的相�(guān)控制和驅(qū)動電路比較復(fù)雜,這會使系�(tǒng)成本增加,可靠性變差�
d.對安裝固定與配置要求比較嚴(yán)�。壓電陶瓷變壓器有半波模諧振和全波模諧振兩種安裝狀�(tài),如�7所�。在固定陶瓷片時,支撐點(diǎn)必須選定在振動位移為零處,即半波模諧振的支撐�(diǎn)在陶瓷片的中間,全波模諧振的支撐�(diǎn)在距左端�1/4�,否則會影響升壓比和�(zhuǎn)換效率�
?�?)輸出功率——負(fù)載阻抗特性: �(dāng)輸入電壓�275V�� �(fù)載電阻Rl=9MΩ� 則輸出功率值為65W,。由于壓電變壓器輸入阻抗� 升壓比均隨負(fù)載阻抗變化而變�� �(dāng)輸入電壓不同�� 輸出功率與負(fù)載阻抗變化的�(guān)系不完全相同�
?�?� �(zhuǎn)換效率——負(fù)載特性: 由于輸出功率是在�(fù)載電阻上測得� 總的功率損耗包括了壓電變壓器和整流電路的損耗, 因此陶瓷變壓器實(shí)際轉(zhuǎn)換效率應(yīng)大于曲線表示的轉(zhuǎn)換效��
?�?� 波節(jié)溫度——負(fù)載特性: 由于壓電陶瓷變壓器的波節(jié)處應(yīng)力大� 因此溫度�。經(jīng)多次測試得知� 壓電陶瓷變壓器輸出功率為40W�� 溫度�34�� 輸出功率�50W�� 溫度�(diǎn)的溫度為47℃, 變壓器其它部分溫度更��
?�?� 諧振頻率——環(huán)境溫度特性: 一般情況下,壓電材料的諧振頻率因本身發(fā)熱和�(huán)境溫度變化而發(fā)生漂�� 因此� 壓電變壓器諧振頻率的溫度特性是確定壓電變壓器性能好壞的重要因素。特別當(dāng)壓電陶瓷變壓器應(yīng)用在較大輸出功率�� 諧振頻率溫度特性的研究就更為重要�
目前� 壓電陶瓷變壓器已在一系列�(lǐng)�� 包括從家用電器到高科技軍工�(chǎn)品中得到廣泛�(yīng)用。如安全系統(tǒng)中的電警�� 防盜�(wǎng)� 提款�� �(yùn)鈔車和保險柜� 電源供應(yīng)系統(tǒng)中的CRT和EL映像管� 冷陰極管� 霓虹燈管� 激光或X光管� 高壓靜電噴涂� 高壓植絨和雷�(dá)顯示�� �(diǎn)火系�(tǒng)中的高壓脈沖�(diǎn)火等;以及影印機(jī)� 激光打印機(jī)� 傳真�(jī)� 靜電�(fā)生器� �(yī)療器�� 空氣清新�(jī)� 臭氧消毒�� 軍事和航天設(shè)備等�
與其它陶瓷元器件一樣,日本在壓電陶瓷變壓器方面擁有非常雄厚的技�(shù)�(shí)�,NEC、Tamura、日本金�、TDK、Epson、Tokin、Mitsbishi、本田(Hodan)、村田制作所(Murata�、Panasonic、TOTO、京瓷(Kyocera�、東京工�(yè)大學(xué)、山形大�(xué)等公司和研究�(jī)�(gòu)都卷入到壓電陶瓷變壓器的研發(fā)。美國賓州州立大�(xué)智能材料�(shí)�(yàn)室、德州儀器(TI�、摩托羅�、德國西門�、荷蘭飛利浦、法國阿爾卡特公�、波蘭陶瓷研究所、韓國Tronix公司和DFT公司、中國臺灣地區(qū)的先寧電子和新巨公司等多家公司也都從事壓電陶瓷變壓器材料與器件的研發(fā)�
中國大陸從事壓電陶瓷變壓器研�(fā)的單位有西安康鴻、深圳富�、中國電子科技集團(tuán)公司�26研究所、北京漢之源、北京海特創(chuàng)�、中國科�(xué)院上海硅酸鹽研究所��
未來幾年壓電陶瓷變壓器的�(fā)展趨勢是其具有更高的升壓比、更小的體積和更低的�(qū)動電�,要求像阻容元件那樣系列�、規(guī)范化、片式小型化。為�,各大研�(fā)�(jī)�(gòu)和生�(chǎn)廠商都在圍繞以下三個方面開展工作:
1.繼�(xù)開發(fā)大功率壓電陶瓷材�
壓電陶瓷變壓器是利用壓電陶瓷材料的正、逆壓電效�(yīng),并以其諧振頻率激�(fā)出電�,因此,要求壓電陶瓷材料具有高的�(jī)電耦合系數(shù),高的機(jī)械品�(zhì)因素;同�,要求介�(zhì)損耗tgδ要很�,以避免工作時產(chǎn)生損耗發(fā)熱,為了�(jìn)一步提高升壓比,應(yīng)開發(fā)振動速度更高的壓電陶瓷材�。另�,為了制作小功率�<1W)的微型變壓器,�(yīng)開發(fā)壓電膜變壓器�
2.研究大功率的結(jié)�(gòu)形式
目前,使用的壓電陶瓷變壓器多�(shù)為單片形或多層長條形的,這種�(jié)�(gòu)的器件制作工藝簡�,升壓比較高,但�(fù)載能力差,功率小,功率密�<14W/cm3,一般用于高電壓、小電流、高阻抗�(fù)�。要適應(yīng)大功率的�(yīng)�,必須開�(fā)圓片�、方片形或圓�(huán)多層�(dú)石結(jié)�(gòu)的壓電陶瓷變壓器,這一類的器件制備工藝相對�(fù)雜些,但功率密度和承載能力要比長條形器件的大,現(xiàn)有報�,這類�(jié)�(gòu)的壓電陶瓷變壓器功率密度可達(dá)40W/cm3,負(fù)�100KΩ的有效升壓比可達(dá)80�,而長條單片型�(fù)�100KΩ的有效升壓比<10倍,疊層形負(fù)�100KΩ的有效升壓比<50��
3.驅(qū)動、控制電路集成化
壓電陶瓷變壓器能否充分發(fā)揮其高轉(zhuǎn)換效�,工作時功率的大�,很大程度上取決于驅(qū)動電路和反饋控制電路的優(yōu)�。有必要研究開發(fā)頻率的跟蹤范圍寬,能可靠控制壓電陶瓷變壓器始終在其諧振點(diǎn)工作,體積小、成本低的集成電�,能與壓電陶瓷變壓器配套裝配成各種規(guī)格的電源模塊,供�(yīng)市場,便于壓電陶瓷變壓器的推廣應(yīng)��