【正文】 變壓器的效率急劇下降，一般采用四倍壓整流電路。由于壓電陶瓷變壓器本 身是容性輸出，所以采用科克羅夫特一沃爾頓 (Cockcroft—Walton)倍壓整流電路時可節(jié)省一個電容。2． 42=136 陶瓷變壓器兩端的匝數(shù)為： 3N =250V247。 2． 驅(qū)動變壓器設(shè)計計算公式： (1)． 初級繞組電感量 Lp 按下式求得： LP=（ μoμrN12Se） /le 其中 u。驅(qū)動變壓器的次級繞 組 L4和 L5， 把這個逆程脈沖電壓升高到我們所需要的電壓值。對于同一陶瓷片，有 1 1 1 2 2rrf L N f L?? 實驗測得： 1rf =48． 270KHz， 1L =74mm 電路要求： 2rf =4 X 1 5． 695KHz=62． 780KHz 因此陶瓷變壓器的長度為： 2 1 1 2( / )rrL f L f? =(48． 270KHz X 74mm／62． 780KHz)~57mm=5． 7cm 若選二倍頻激勵陶瓷變壓器 ，則陶瓷變壓器的長度加倍 L=25． 7cm=11． 4cm 陶瓷片太長， 體積增大 ，失去了陶瓷變壓器的優(yōu)越性。具體來說，對于以全波模工作的壓電變壓器，支點應(yīng)在瓷片長 度為 1／ 4 和 3／ 4 點處，對于半波模壓電變壓器，支點應(yīng)在瓷片 的中點處。當(dāng)驅(qū)動部分和發(fā)電部分的體積相等時，這種壓電變壓器的升壓比僅由壓電元件的諧振特性來確定。 CCFL 的輸出電流被送入反饋 回路。 負(fù)載特性 負(fù)載特性表示在輸入電壓一定的條 件下 ，輸出電壓隨負(fù)載變化的關(guān)系。因駐波節(jié)點振幅為零 ，所以壓電陶瓷變壓器的固定支承點應(yīng)選在駐波的節(jié)點上 ，正確選擇支承點位置，使用壓 電陶瓷變壓器時必須注意。圖28a 顯示 ， PT 的半 波諧振頻率為 35kHz，全渡諧振頻率為 70kHz，這與振動理論分 析的結(jié)果 是相同的。 圖 27a、 b 中實線 為理論值 ，三角、方波及圓點為實驗值。因此需要施加在壓 電陶瓷變壓器的激勵信號頻率與變壓器諧振頻率保持一致。 1． 2 等效電路 壓電陶瓷變壓器有縱向振動模式 (Rosen 型 )、厚度振動模式、徑向振動模式和彎曲振動模式等幾種類型。 3. 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， 因此溫度也最高。因此，壓電陶瓷變壓器與傳統(tǒng)繞線式變壓器不同，其工作頻率范圍比較窄。所謂半波，是指片長等于一個駐波波長。升壓陶瓷變壓器的升壓比只與 L， t 有關(guān)。 這種壓電陶瓷變壓器的形狀如圖 21 所示．整個長條片型壓電陶瓷變壓器中分成兩部分：左半部的上、下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度方向極化，作為輸入端，稱為驅(qū)動部分；右半部分的右端也有燒滲的銀電扳，澄長度方向極化，作為輸出端，稱為發(fā)電部 分。 在現(xiàn)代電子設(shè)備中（例如靜 電復(fù)印機(jī)、雷達(dá)、信息處理設(shè)備的顯示系統(tǒng)等）往往需要幾千伏甚至上萬伏的高壓供電，通常這些高壓是通過電磁變壓器升壓而獲得的，但是由于體積及結(jié)構(gòu)的原因，這種變壓器存在繞制及絕緣處理困難，變壓器的次級繞組工作在高壓狀態(tài)易打火、擊穿，故障率高等問題。這種壓電變壓器的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，能以很小的尺寸實現(xiàn)低頻和大功率，可用在電整流器、適配器及 DC/DC 變換器中 [5] 。 根據(jù)振動模式的不同，壓電變壓器可分為 Rosen 型厚度振動型、徑向振動型 [3]、其中 Rosen 型壓電變壓器最為常用。由于壓電陶瓷變壓器具有尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，不可燃，耐輻射，高可靠等優(yōu)點，是壓電陶瓷邊獲得廣泛應(yīng)用的主要原因，由于壓電陶瓷變壓器是一種新型高壓變壓器，它有許 多優(yōu)點，所以它主要用于產(chǎn)生高壓的裝置中采用壓電陶瓷變壓器升壓器制作電源，工作穩(wěn)定可靠，目前，壓電陶瓷變壓器正在高壓小電流的高壓設(shè)備中推廣使用，陶瓷變壓器以開始應(yīng)用于雷達(dá)，激光，靜電除塵和復(fù)印等裝置中，代替鐵芯變壓器。當(dāng)在壓電陶瓷變壓器輸入端（驅(qū)動部份）加入交變電壓時，通過逆壓電效應(yīng)，瓷片產(chǎn)生沿長度方向的伸縮振動，將輸入電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；而發(fā)電部分則通過正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能從而輸出電壓 因瓷片的長度遠(yuǎn)大于厚度，故輸出端阻抗遠(yuǎn)大于輸入端阻抗 ，輸出端電壓遠(yuǎn)大于輸入端電壓 ．一般輸入幾伏到幾十伏的交變電壓，可以獲得幾千伏以上的高壓輸出。 關(guān) 鍵詞 ： 壓電陶瓷變壓器 直流高壓 阻抗ABSTRACT 3 ABSTRACT Piezoelectric ceramic transformer is a new type of piezoelectric transducer device, the size is small, simple structure, nonbustible, resistance to radiation, high reliability. Piezoelectric Transformers in a television picture tube, radar showed tube, electrostatic copier, electrostatic dust, small power laser diodes, ion generator, high voltage polarization, and other equipment was widely used. The topic is the study piezoelectric transformer design of the 10 kV DC high voltage power supply. When the piezoelectric ceramic transformer input (some drivers) by adding alternating voltage, reverse piezoelectric effect. have artifacts along the length direction of the stretching vibration, the input energy into mechanical energy。 壓電陶瓷變壓器作為新原理電子變壓器，已引起國內(nèi)電子變壓器行業(yè)的注意。 Rosen 型壓電變壓器結(jié)構(gòu)簡，單制作容易，升壓比非常高，特別適合于驅(qū)動高電壓小功率器件，比如驅(qū)動冷陰極熒光燈 CCFL（ Cold Cathode Fluorescent Lamps ），可為手機(jī)、筆記本電腦的 LCD 顯示器提供背光源。這種壓電變壓器已由美國 Transoner 公司制作出來 。壓電陶瓷淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 8 變壓器是一種從材料結(jié)構(gòu)到工作原理都不同于傳統(tǒng)概念的變壓器，它是用鐵電材料（例如 PZT、 PMMN 等）經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、高壓繳化等一系列工藝制備而成的，第一章 緒論 9 低損耗、小尺寸、高可靠、抗干擾和低價位電子電源的市場需求量不斷提高。 圖 21 長條片型陶瓷變壓 器 制備好的壓電陶瓷晶體在居里溫度下屬四方晶相多電疇結(jié)構(gòu) ，經(jīng)高壓電場極化后因電疇轉(zhuǎn)向，陶瓷體內(nèi)極化強(qiáng)度不為零而具有壓電性。長度越長 升壓比越高，厚度越厚，升壓比越低。陶瓷變壓器的諧振頻率決定與陶瓷片的幾何尺寸和材料的聲速，即 rf =v/ λ 式中 v 為材料的聲速，λ 是沿長度方向的駐波波長。 (3)．壓電陶瓷變壓器所 涉及的相關(guān)控制和驅(qū)動電路比較復(fù)雜，這會使系統(tǒng)成本增加，可靠性變差。經(jīng)多次測試得知， 壓電陶瓷變壓器輸出功率為 40W 時， 最高溫度為34℃ ； 輸出功率為 50W 時， 最高溫度點的溫度為 47℃ ， 變壓器其它部分溫度更低。其中升壓型壓電變壓器以縱向振動模式 (Rosen 型 )為代表，是目前應(yīng)用最廣的壓電變壓器，而降壓輸出場合常用的是厚度振動 模式壓電陶瓷變壓器。 把壓電變壓器等效成一個線性網(wǎng)絡(luò)，施加方波信號在壓電陶瓷變壓器上，從式 (3)可知，在壓電陶瓷變壓器上的響應(yīng)為方波信號的各次諧波的響應(yīng)疊加。當(dāng)負(fù)載一定時，輸 出電壓與輸人電壓成線性關(guān)系 ，而圖 27a 中的實測值很好地反映了這一關(guān)系。圖 28b 是 PT 輸人端電壓與電流間的相位差隨頻率變化的曲線 。圖 29 為測定 wTB 一 2 型壓電陶瓷變壓器的升壓比一頻率特性。特性曲線表明：輸出電壓隨負(fù)載阻抗增大而增加 。反饋回路由 I／ V 轉(zhuǎn)換模塊、比較器和 VCO 模塊組成。橫一縱式壓電變在器是不對稱的結(jié)構(gòu)。支撐位置選在這些位置上，不影響陶瓷變壓器的工作狀態(tài)，正確選擇支撐位置，使其有利于主振動模式而不利于寄生振動模式。又根據(jù)對行輸出管電壓波形傅氏級數(shù)分 析可知，三次諧波和五次諧波分量為零，而六次諧波的振幅小于四次諧波的振幅，所以采用行輸出管電壓波形的四次諧波而不采用基波和其它高次諧波來激勵陶瓷變壓器 [16]。利用陶瓷變壓器進(jìn)行升壓，再經(jīng)過倍壓整流就可得 到 10 千伏 的高壓輸出。為真空導(dǎo)磁率， μo=4π 910? H／ cm： μr為磁芯材料的相對導(dǎo)磁率，它不是常數(shù)，鐵氧體的 μr約為 800—5000，一般可取 1500； se 為磁芯有 效截面積 (c 2m )： le 為有效磁路長度 (cm)。2． 42： 103 經(jīng)實驗后各繞組匝數(shù)確定 為： 1N =57T 第三章 陶瓷壓電變壓器的高壓電源設(shè)計 27 12N =21T 3N =105T 11N =36T 2N =125T (4)．初級線圈電感量計算 偏轉(zhuǎn)線圈的電感量 Ly： Ly=( 2CE 科克羅夫特一沃爾頓 (CockcroftWalton)電路工作過程是，首先在交流負(fù)半周時交流電源經(jīng) D1 對 C1 充電，接著在正半周時交流電源與 C1 的電壓相加經(jīng)淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 28 D2 對電容器 C2 充電，充得的電壓是電容器 C1 充電電壓的兩倍。所謂四倍壓，是指輸出高壓 V。而 CCFL 在啟動時需要 1000V左 右的壓 ，平穩(wěn)工作狀態(tài)下需 400V~500V 左右的電壓，阻抗較啟動時下降數(shù)十千歐。用壓電變壓器取代電磁變壓器，上述問題便可迎刃而解。民用方面的 應(yīng)用有高壓防盜器、高壓電擊棒、小型 x 光機(jī)、雷達(dá)、復(fù)印機(jī)、氦一氖和小型二氧化碳激光器等等。采用壓電陶瓷變壓器后，該電源可以安裝在高壓噴槍的手柄上，使用非常方便，同時也降低了設(shè)備的成本。大致可歸納為以下四方面： （ 1）能量轉(zhuǎn)換 （ 2）傳感器 （ 3）驅(qū)動：馬達(dá)； （ 4）頻率控制：振蕩器，濾波器。如圖 43 所示 高頻諧振和中頻諧振器 圖 43 高頻諧振和中頻諧振器 2. 壓電濾波器原理 濾波器的主要功能是決定或限制電路的工作頻率，壓電陶瓷濾波器是利用壓電陶瓷的諧振效應(yīng)：在同樣的電壓作用下，只有在共振頻率時通過壓電陶瓷的電流最大，振子阻抗最小，壓電振子對最小阻抗頻率附近的信號衰減很小，從而起到濾波作用。 圖 46 壓電蜂鳴第五章 陶瓷變壓器發(fā)展趨勢和研究進(jìn)展 35 第五章 陶瓷變壓器 發(fā)展趨勢和研究進(jìn)展 陶瓷變 壓器的發(fā)展趨勢 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術(shù)實力， NEC、 Tamura、日本金屬、 TDK、 Epson、 Tokin、 Mitsbishi、本田（ Hodan）、村田制作所（ Murata）、 Panasonic、 TOTO、京瓷（ Kyocera）、東京工業(yè)大學(xué)、山形大學(xué)等公司和研究機(jī)構(gòu)都卷入到壓電陶瓷變壓器的研發(fā)。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 36 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)換效率，工作時功率的大小，很大程度 上取決于驅(qū)動電路和反饋控制電路的優(yōu)劣。例如在 PMNPzT 材料中摻入適量的 CeO2燒結(jié)出組成為 ()(Mn1/3Nb2/3)+%CeO2(摻雜量為摩爾分?jǐn)?shù) )的壓電材料，可減小材料的晶胞參數(shù)，提高材料 的機(jī)械品質(zhì)因數(shù) Qm和機(jī)電耦合系數(shù) KP。為此， NEC 公司研發(fā)出三次 Rosen 型多層壓電變壓器，如圖 52所示 。 圖 52 三次 Rosen 型壓電變壓器結(jié)構(gòu) 和震動模式 壓電變壓器驅(qū)動電路和輸出匹配電路的優(yōu)化 驅(qū)動電路對于壓電變壓器性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵的作用。在 PMN． PZT 材料 中加入微量的 PNN 固溶體 ，得到成分為 ： Pb[（ Ni1/3Nb2/3） (Mn1/3Nb2/3)()]O3+%PbO(摻雜量為質(zhì)量分?jǐn)?shù) )的壓電材料，不但可以提高材料的相對介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，還可以降低材料的燒結(jié)溫度。 陶瓷變壓器的研究進(jìn)展 目前人們主要從采用新型壓電材料 、提高驅(qū)動路效率和采用合理的物理模型等方面設(shè)計制造小化、高功率、高效率的壓電變壓器。 中國大陸從事壓電陶瓷變壓器研發(fā)的單位有西安康鴻 、深圳富康、中國電子科技集團(tuán)公司第 26 研究所、北京漢之源、北京海特創(chuàng)源、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等。廣泛用于家用電器、電腦及其他產(chǎn)品的頻率控制部分。 壓電大火氣 當(dāng)你在點燃煤氣灶 （ 如圖 42） 熱水器時， 用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?，于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c燃了。