Магнитоэлектрический преобразователь ток - напряжение с удвоением частоты
MAGNETOELECTRIC CURRENT-VOLTAGE TRANSDUCER WITH FREQUENCY DOUBLING

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в цепях переменного тока для преобразования тока в напряжение с одновременным удвоением частоты выходного сигнала.
Известен преобразователь ток - напряжение, использующий принцип измерения падения напряжения на образцовом резисторе, содержащий блок образцовых резисторов для преобразования тока в напряжение и ключи для переключения поддиапазонов преобразования тока.
Недостатком подобных устройств является высокое входное сопротивление и большие потери, связанные с выделением энергии при протекании тока через резистор.
Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип магнитоэлектрический трансформатор, состоящий из конденсатора, представляющего собой слоистую структуру, состоящую из механически связанных между собой пьезоэлектрической и двух магнитострикционных пластинок, и намотанную на него катушку индуктивности [см. S. Dong, J.F. Li, D. Viehland, J. Cheng, L.E. Cross A strong magnetoelectric voltage gain effect in magnetostrictiv-piezoelectric composite // Applied Physics Letters, 2004, v. 83, №16, p. 1354].
В основу работы прототипа положен линейный магнитоэлектрический эффект, который заключается в возникновении электрического поля в магнитоэлектрической структуре под действием переменного магнитного поля при наличии поля подмагничивания.
Недостатком прототипа является то, что для работы устройства необходимо наличие поля подмагничивания, которое создается либо постоянными магнитами, либо дополнительной катушкой индуктивности, что усложняет конструкцию прибора. Кроме того, отсутствие магнитопровода приводит к тому, что магнитная цепь является разомкнутой, что приводит к рассеянию магнитного потока и потерям энергии.
Задачей изобретения является упрощение конструкции прибора и снижение потерь энергии.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитоэлектрическом преобразователе ток - напряжение с удвоением частоты, представляющем собой структуру из конденсатора, обкладками которого являются изготовленные из магнитострикционного металла пластины, механически связанные с расположенной внутри них пьезоэлектрической пластиной и намотанной на него катушкой индуктивности, и магнитопровода, конструкция магнитопровода выполнена в виде двух П-образных пластин, вплотную примыкающих к магнитострикционным пластинам, что обеспечивает замыкание магнитного потока, при этом входным сигналом является ток катушки индуктивности, а выходной сигнал снимается с обкладок конденсатора.
Для решения данной задачи предложен магнитоэлектрический преобразователь ток - напряжение с удвоением частоты, состоящий из конденсатора, катушки индуктивности и магнитопровода.
Для пояснения предлагаемого изобретения предложен чертеж, где схематично изображен общий вид магнитоэлектрического преобразователя ток - напряжение с удвоением частоты.
Устройство представляет собой магнитоэлектрический конденсатор, обкладками которого являются пластины 1, изготовленные из магнитострикционного металла, которые механически связаны с пьезоэлектрической пластиной 2, расположенной внутри них, намотанной на конденсатор катушкой индуктивности 3, и магнитопровода 4.
В основе работы устройства лежит нелинейный магнитоэлектрический эффект. Известно, что в результате квадратичного магнитоэлектрического эффекта происходит преобразование магнитного поля в электрическое, величина которого пропорциональна квадрату напряженности переменного магнитного поля [см. Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, Т.О. Фирсова Нелинейный магнитоэлектрический эффект в композиционных мультиферроиках // Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 5 с. 944-948]. Вследствие квадратичности эффекта выходная частота выходного сигнала удваивается. Нелинейный магнитоэлектрический эффект, в отличие от линейного, проявляется и при отсутствии поля подмагничивания, что ведет к существенному упрощению конструкции по сравнению с прототипом.
Входным сигналом является переменный ток, подаваемый на катушку индуктивности. Электрическое напряжение удвоенной частоты снимается с хорошо проводящих магнитострикционных слоев. Пьезоэлектрик конденсатора предварительно поляризован в направлении, перпендикулярном плоскости пластины.
Устройство работает следующим образом: на катушку индуктивности подается переменный ток I с частотой ƒ, создающий в катушке индуктивности переменное магнитное поле с напряженностью
,
где n=N/L - число витков на единицу длины. Здесь N - число витков катушки, L - ее длина. Наличие магнитопровода приводит к тому, что силовые линии магнитного поля замыкаются внутри устройства и не выходят наружу, что приводит к уменьшению потерь энергии вследствие рассеяния. Переменное магнитное поле создает в магнитострикционной фазе композита механические деформации и, как следствие, связанные с ними механические напряжения. В результате наличия квадратичной зависимости механических напряжений и деформаций от приложенного магнитного поля они будут с удвоенной частотой 2ƒ. Эти напряжения посредством механического взаимодействия между компонентами передаются в пьезоэлектрическую фазу, в результате чего происходит возникновение напряжения частотой 2ƒ, которое снимается с электродов [см. Д.А. Филиппов, В.М. Лалетин, Т.О. Фирсова, Нелинейный магнитоэлектрический эффект в композиционных мультиферроиках // Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 5 с. 944-948].
В качестве магнитострикционной компоненты могут быть выбраны такие металлы, как никель и пермендюр, которые обладают большой магнитострикцией, и на при малых магнитных полях имеют квадратичную зависимость деформаций от напряженности магнитного поля [см. Burdin D.A., Chashin D.V., Ekonomov N.A., Fetisov L.Y., Fetisov Y.K., Srinivasan G. Sreenivasulu G. Nonlinear magnetoelectric effects in planar ferromagnetic-piezoelectric structures // JMMM. - 2014. - V. 358 - 59. - P. 98-104].
В отличие от прототипа, для работы устройства не требуется подмагничивающих полей, что упрощает конструкцию прибора, а наличие магнитопровода снижает потери энергии, связанные с рассеянием магнитного поля. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно упростить конструкцию устройства, повысить его функциональность и повысить его эффективность действия.