ГИРАТОР МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к области электроники и позволяет улучшить характеристики гиратора (Г). Предлагается использование в радиотехнике на низких частотах для инвертирования импеданса, например, для преобразования емкости в индуктивность или, наоборот, для преобразования индуктивности в емкость; для преобразования электрического тока в напряжение или, наоборот, для преобразования электрического напряжения в ток.
Основное применение гираторов заключается в создании участков цепи, имитирующих индуктивность. Поскольку катушки индуктивности далеко не всегда могут применяться в электрических цепях (например, в микросхемах), из-за их низкой технологичности, использование гираторов позволяет обходиться без катушек. Для этого используется цепь, состоящая из конденсатора, операционного усилителя или транзисторов и резисторов. По определению, данному Бернардом Теллегеном в своей статье от 1948 года [1], гиратор - это базовый элемент электрической цепи, который может быть выполнен с использованием магнитоэлектрического элемента, отвечающий общим уравнениям четырехполюсника:
1
11
1
12
2
V=ZI-ZI,
2
21
1
22
2
V=ZI+ZI,
11
22
12
21
где V - напряжение, I - ток, Z - входной импеданс индуктивного характера, стремящийся к нулю, Z - выходной импеданс емкостного характера, Z и Z - коэффициенты гирации, связанные с магнитоэлектрическим коэффициентом по формулам [2]:
me
me
ME
эф
эф
эф
где α магнитоэлектрическая восприимчивость, связанная с магнитоэлектрическим коэффициентом соотношением α=α·ε[3]; ε и µ эффективные диэлектрическая и магнитная проницаемости, d и l толщина и длина магнитоэлектрического элемента, в нашем случае, представляющего собой трехслойную пластинчатую структуру состава никель - пьезокерамика - никель. Пьезокерамика выполнена на основе цирконат - титанат свинца (ЦТС).
Магнитоэлектрический коэффициент можно вычислить, как:
ME
композит
композит
композит
магнетик
пьезоэл
m
a=(dE/dH)=(dx/dH(dE/dx=v(dx/dH))(dE/dx),
где Н, Е это напряженности магнитного и электрического полей;
dx/dH характеризует изменение размеров материала в магнитном поле;
dE/dx - величина, характеризующая зависимость размеров образца в электрическом поле;
m
v - объемная доля магнетика.
На сегодняшний день гираторы разрабатываются с использованием схемотехнических решений. Следует отметить, что разработаны достаточно эффективные магнитоэлектрические материалы, которые можно использовать для создания магнитоэлектрического гиратора.
Недостатком известных гираторов на базе операционного усилителя является то, что они обладают ограниченным быстродействием усилителя.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является гиратор, содержащий магнитоэлектрический элемент и катушку индуктивности намотанную на него.
(см. Junyi Zhai, Jiefang Li, Shuxiang Dong, D. Viehland, M.I.Bichurin A quasi (unidirectional) Tellegen gyrator / JAP 100, 124509 (2006)) - прототип.
Недостатком прототипа является применение дорогостоящих материалов и большие поля рассеяния, что приводит к уменьшению КПД устройства.
Задачей полезной модели является применение дешевых материалов, уменьшение полей рассеяния и увеличение КПД устройства.
Для решения данной задачи предложен гиратор магнитоэлектрический, состоящий из слоистого магнитоэлектрического элемента, на боковые поверхности которого нанесены металлические электроды, служащие для съема сигнала. На магнитоэлектрический элемент намотана катушка индуктивности, служащая для подачи входного сигнала. Выходная цепь за счет электромагнитной связи связана с входной цепью. В отличие от гиратора, описанного в статье [2], который изготовлен на основе структуры терфенол/ЦТС и обладает коэффициентом гирации G=150 Ом, в предлагаемом нами гираторе используется более дешевый материал никель, а также введены новые конструктивные элементы, позволяющие уменьшить поля рассеяния и увеличить КПД устройства. Предлагаемый низкочастотный гиратор обладает малыми габаритными размерами, что позволит применять его в устройствах микроэлектроники.
Предлагаемая полезная модель позволяет получить следующий технический результат: преобразовывать импеданс и сигнал наиболее простым и дешевым способом в области электромеханического резонанса, уменьшить поля рассеяния и увеличить КПД до 10%.
Для пояснения предполагаемой полезной модели предложены чертежи.
Фиг.1 Конструкция магнитоэлектрического гиратора и ориентация полей.
Фиг.2 Принципиальная схема устройства.
Устройство состоит из магнитоэлектрического элемента, выполненного в форме пластины из пьезоэлектрика 1 на боковые поверхности которого нанесены металлические электроды 2, служащие для съема сигнала. На магнитоэлектрический элемент установлен каркас из диэлектрика 5. На каркас намотана катушка индуктивности 4, служащая для подачи входного сигнала. Магнитоэлектрический элемент выполнен из композиционного слоистого материала, имеющего магнитоэлектрические свойства, состава никель - пьезокерамика ЦТС - никель, с 50% процентным содержанием никеля и 50% содержанием ЦТС. Также в конструкцию введены дополнительные элементы ферритовые наконечники 3, для уменьшения полей рассеяния.
Устройство работает следующим образом. Устройство предварительно помещено в постоянное подмагничивающее поле определенного значения и ориентации. На вход катушки индуктивности подается сигнал (фиг.1). Входная катушка индуктивности соединена посредством электромагнитной связи с выходным конденсатором слоем пьезоэлектрика. При подаче сигнала происходит следующее. Входная цепь имеет реактивность индуктивного характера. За счет магнитоэлектрического эффекта, подробно описанного в литературе [4], происходит преобразование импеданса. Переменное магнитное поле М и постоянное подмагничивающее магнитное поле Н сонаправлены и перпендикулярны вектору поляризации Р пьезоэлектрического слоя композита. Принципиальная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2. В устройстве использован магнитоэлектрический эффект в области электромеханического резонанса. Энергия преобразуется в слое пьезоэлектрика (ЦТС) в механические колебания, которые взаимодействуют со слоем магнетика (никеля). Результатом такого взаимодействия является преобразование импеданса в линии передачи. Емкость входного элемента гиратора была в пределах от десятых долей до сотен пикофарад, индуктивность выходного элемента составляла от десятых долей до сотен наногенри.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет преобразовывать импеданс и сигнал наиболее простым и дешевым способом, уменьшить габариты изделия, уменьшить поля рассеяния и увеличить КПД гиратора.
Литература
1. В. D. H. Tellegen, Philips Res. Rep.3, 81 (1948).
2. Junyi Zhai, Jiefang Li, Shuxiang Dong, D. Viehland, M.I.Bichurin A quasi (unidirectional) Tellegen gyrator / JAP 100, 124509 (2006). - прототип.
3. Junyi Zhai, Jiefang Li, D. Viehland, M.I.Bichurin Large magnetoelectric susceptibility: The fundamental property of piezoelectric and magnetostrictive laminated composites / JAP 101, 014102 (2007).
4. M. I. Bichurin, V. M. Petrov, V. M. Laletsin, G. Srinivasan Resonance magnetoelectric effects in layered magnetostrictive-piezoelectric composites / Physical Review В 68, 132408 (2003).