УПРАВЛЯЕМЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электронной технике и является основой для создания высокоэффективных высокочастотных источников питания, широко используемых в современной светотехнической аппаратуре и приборах.
В патенте США US 2830274 описан пьезоэлектрический трансформатор, представляющий собой пьезоэлектрический слой с двумя верхними и двумя нижними металлическими электродами. Недостатком этого резонатора является невозможность осуществить управление амплитудой выходного напряжения.
Наиболее близкий аналог (прототип) устройства описан в заявке на патент США US 2006/0145571. Устройство состоит из двух внешних электродов, двух обладающих пьезоэлектрическими свойствами слоев и расположенного между ними внутреннего электрода. Недостатком подобной конструкции пьезоэлектрического трансформатора является невозможность осуществить управление амплитудой выходного напряжения.
Технической задачей, решаемой предлагаемым устройством, является создание пьезоэлектрического трансформатора, в котором реализовано управление амплитудой выходного напряжения.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый пьезоэлектрический трансформатор, так же как и известный, содержит два внешних электрода, два обладающих пьезоэлектрическими свойствами слоя и расположенный между ними внутренний электрод. Но, в отличие от известного, в предлагаемом пьезоэлектрическом трансформаторе в качестве материала одного из обладающих пьезоэлектрическими свойствами слоев использован сегнетоэлектрик в параэлектрическом состоянии.
Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей пьезоэлектрических трансформаторов, за счет создания пьезоэлектрического трансформатора на основе сегнетоэлектрика в параэлектрическом состоянии, обеспечивающем управление амплитудой выходного напряжения.
В частном случае, в качестве материала второго из обладающих пьезоэлектрическими свойствами слоев использован сегнетоэлектрик в параэлектрическом состоянии. Это обеспечит возможность использования одного и того же сегнетоэлектрического материала, что упростит технологию изготовления трансформатора.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: где на фиг.1 - топология управляемого пьезоэлектрического трансформатора с одним сегнетоэлектрическим слоем, находящимся в параэлектрическом состоянии; фиг.2 - топология управляемого пьезоэлектрического трансформатора с двумя сегнетоэлектрическими слоями, находящимися в параэлектрическом состоянии.
Рассмотрим пример выполнения управляемого пьезоэлектрического трансформатора (фиг.1), состоящего из верхнего и нижнего внешних электродов 1 и 2, одного обладающего пьезоэлектрическими свойствами слоя 3 и одного слоя сегнетоэлектрика 4, находящегося в параэлектрическом состоянии, а также одного внутреннего электрода 5. Входное напряжение подается на электроды 1 и 5, а выходное - снимается с электродов 2 и 5.
=
=
Принцип действия пьезоэлектрического трансформатора основан на двойном преобразовании энергии: в первом пьезоэлектрическом слое электрическая энергия преобразуется в механическую (электрическое напряжение, приложенное к входным электродам, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию первого слоя, что, в свою очередь, приводит к деформации второго слоя), а во втором пьезоэлектрическом слое механическая энергия преобразуется в электрическую (на выходных электродах возникает электрическое напряжение как следствие прямого пьезоэффекта). Причем амплитуда напряжения на выходных электродах зависит от величины пьезомодуля второго слоя. Особенность работы рассматриваемого управляемого пьезоэлектрического трансформатора состоит в следующем. Как показано в статье [D.Damjanovic, «Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics». Reports on Progress in Physics, 61, pp.1267-1324, 1998], при подаче на внешние электроды, между которыми располагается слой сегнетоэлектрика в параэлектрическом состоянии, постоянного напряжения смещения (U) в сегнетоэлектрике за счет электрострикции нарушается центральная симметрия и становится возможен прямой и обратный пьезоэффект (наведенный пьезоэффект). Таким образом пьезоэлектрический модуль (е) сегнетоэлектрика, находящегося в параэлектрическом состоянии, имеет ненулевое значение только при воздействии постоянного электрического поля (E).
Феноменологическая теория сегнетоэлектриков с фазовым переходом второго рода устанавливает следующую взаимосвязь между управляющим полем и искомым пьезоэлектрическим модулем:
=
=
=
=
где Е - напряженность электрического поля в сегнетоэлектрическом слое, созданная управляющим полем; G - коэффициент электрострикции сегнетоэлектрика. Как следует из выражения (1) для увеличения величины пьезоэлектрического модуля следует повышать напряженность электрического поля. Однако существуют ограничения на предельные значения постоянного напряжения (U=h*E где h - толщина сегнетоэлектрического слоя) связанные с возможностью пробоя сегнетоэлектрика (обычно поля соответствующие пробою Е=100÷200 В/мкм).
Таким образом, управление амплитудой напряжения на выходе трансформатора обеспечивается изменением величины постоянного напряжения смещения, подаваемого на слой находящегося в параэлектрическом состоянии сегнетоэлектрика.
Описанная полезная модель расширяет функциональные возможности пьезоэлектрических трансформаторов, за счет создания пьезоэлектрического трансформатора на основе сегнетоэлектрика в параэлектрическом состоянии, обеспечивающем управление амплитудой выходного напряжения.