【文章內(nèi)容簡介】 陶瓷片材料確定以后 ， rf 由 L 值確定。 1． 2 等效電路 壓電陶瓷變壓器有縱向振動(dòng)模式 (Rosen 型 )、厚度振動(dòng)模式、徑向振動(dòng)模式和彎曲振動(dòng)模式等幾種類型。其中升壓型壓電變壓器以縱向振動(dòng)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(dòng) 模式壓電陶瓷變壓器。 縱向振動(dòng)模式壓電變壓器結(jié)構(gòu)圖如圖 24(a)所示，上下兩面涂覆銀電極，沿厚度方向極化，稱為驅(qū)動(dòng)部分；銀電極涂在右端，沿長度方向極化的右半部分稱為發(fā)電部分。為了研究壓電陶瓷變壓器最優(yōu)工作時(shí)需要的激勵(lì)信號(hào)特性和與之相匹配的電路，用相應(yīng)的電學(xué)元件等效其機(jī)械參數(shù)，其等效電路如圖 24(a)所示，其中 Cdl為壓電陶瓷變壓器輸入端的靜電容， Cd2為壓電陶瓷變壓器輸出端的靜電容， R、 L、 C 分別為壓電陶瓷變壓器的動(dòng)態(tài)電阻、動(dòng)態(tài) 電感和動(dòng)態(tài)電容。圖 24(b)為 壓電陶瓷變壓器的頻率特性， f 0 為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率。 圖 24 Rosen 型 壓電陶瓷變壓器 施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)常是交變方波信號(hào)和正弦信號(hào)，對激勵(lì)信號(hào)而言，任意波形信號(hào)均可用以下函數(shù)表示： ? ? ? ? ? ?11s in c o smmo n m n mt nnf A B n t C n t? ????? ? ??? (1) 則正弦波形函數(shù)表達(dá)式為 ： ? ? ? ?m a x si nf t A n t??? (2) 第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性 15 方波形函數(shù)表達(dá)式為： ? ? ? ? ? ?? ? ? ?m a x4 1[ sin sin 3311sin 5 ? sin n t ]5ntAf t tt? ?????? ? ??? (3) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 16 圖 25 縱向振動(dòng)模式雅典變壓器等效電路及頻率特性 從圖 25 可知，壓電陶瓷變壓器是一個(gè)諧振體，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率與變壓器的諧振頻率一致時(shí)，壓電變壓器處于諧振狀態(tài)，從圖 l 可知，此時(shí)延長度方向振幅最大，壓電變化才最有效。因此需要施加在壓 電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)頻率與變壓器諧振頻率保持一致。 把壓電變壓器等效成一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，施加方波信號(hào)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(hào)的各次諧波的響應(yīng)疊加。若方波信號(hào)基波頻率為壓電陶瓷變壓器的諧振頻率，那么方波中的高次諧波作用時(shí)，壓電陶瓷變壓器處于非諧振狀態(tài)，對壓電變化的有效性沒有積極作用，即這部分電能并沒加強(qiáng)延長度方向的振幅。因此從電能利用率最大化角度考慮，施加在壓電陶瓷變壓器的激勵(lì)信號(hào)需要正弦信號(hào)。 壓電陶瓷變壓器的工作特性 升壓比特性 對 PT 進(jìn)行測試的線路如圖 26 所示。信號(hào)源所提供的交流電壓的頻率與 PT 的諧振頻率相同 。 PT 的輸出為二倍壓 整流直流輸出。測試結(jié)果如圖 27所示。 圖 27a、 b 中實(shí)線 為理論值 ，三角、方波及圓點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，輸 出電壓與輸人電壓成線性關(guān)系 ，而圖 27a 中的實(shí)測值很好地反映了這一關(guān)系。由圖 27b 不難看出，當(dāng)負(fù)載阻抗足夠大時(shí)升壓比達(dá)到了 10 倍以上 ，第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性 17 并且隨著負(fù)載阻抗的增大，升壓比還可進(jìn)一步提高。我們在實(shí)驗(yàn)中測得 的升壓 比達(dá)到 100 倍 以上 ，即在 10MΩ 負(fù)載下 ，輸入 20V 電壓 ，輸出端得到 2． 3kv 多的電壓。在測試中我們還觀察到，隨著負(fù)載逐漸減小， PT 的諧振頻率有所下降，如圖 27c 所示。 圖 27d 反應(yīng)了 PT 的頻率諧振特性，從圖中可以看出， PT相當(dāng)于一個(gè)具有放大功能的窄帶濾波器，只有當(dāng)輸人信號(hào) (電壓 )的頻率接近 PT的諧振額率時(shí)，此電壓才被大幅度放大，當(dāng)輸人信號(hào)的頻率偏離 PT 的諧振頻率較大時(shí) (≥lkHz)，放大倍數(shù)大大降低 。 a 機(jī)電等效電路 b 折算到輸入端等效電路 圖 26 壓電陶瓷等效電路 圖 27 測試曲線淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 18 阻抗特性 PT 的阻抗特性如 圖 28 所示。測試條件為輸出端 開路 ，無整流電路 。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(dòng)理論分 析的結(jié)果 是相同的。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 。由圖可見 ，在正、反兩個(gè)諧振點(diǎn)上，相位差為 0，輸人阻抗為純阻性 ， 兩點(diǎn)之間為感性 ， 兩點(diǎn)外為容性 ，電壓落后于電流。 圖 a 圖 b 圖 28 阻抗特性 頻率特性 電磁變壓器工作頻率決定鐵心材料 、繞組及繞組的分部參數(shù)，一般來說它可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)工作。 壓電陶瓷變壓器只有在頻率等于壓電變壓器固有諧振頻率的驅(qū)動(dòng)電壓激勵(lì)下 ，使陶瓷片 處于諧振狀態(tài)，沿其長度方向振動(dòng)最強(qiáng)的情況下 ，才有升壓作用。陶瓷變壓器的諧振頻率 、決定于陶瓷片的幾何尺寸和材料的聲速 ，即 f ??? 式中 V 是材料的聲速， ? 是沿長度方向的駐波波長。若 ? =2L，即陶瓷變壓器之長度等于全波波長時(shí)，稱全波諧振 ，此時(shí)駐波節(jié)點(diǎn)有兩個(gè) ，分別位于片長兩端的四分之一處 。若 ? = 4L，即壓電變壓器的長度等于半波長時(shí) ，稱為半波諧振，此時(shí)，節(jié)點(diǎn)有一個(gè)，位于片長的中間。因駐波節(jié)點(diǎn)振幅為零 ，所以壓電陶瓷變壓器的固定支承點(diǎn)應(yīng)選在駐波的節(jié)點(diǎn)上 ，正確選擇支承點(diǎn)位置，使用壓 電陶瓷變壓器時(shí)必須注意。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。 從圖 210 可以看出 ，壓電陶瓷變壓器升壓比隨輸入電壓的頻率變化 而變化 ，在諧振頻率附近 ．升壓比最大 ，它的頻帶很窄。從壓電變壓器的轄入端觀看 ，內(nèi)部等效電路如圖 210，它與水晶振子的特性相似 ，壓電陶瓷變壓器 ，不管是半波諧振或者全波諧振 ，都呈申聰諧振性質(zhì) ，其諧振頻率分別為， 第二章 壓電陶瓷變壓器的工作原理和基本特性 19 111LCf ?全 221LCf ?半 這是壓電陶瓷變壓器的一個(gè)重要性質(zhì) ，也是它與線繞變壓器的一個(gè)重要差別 [12] 圖 29 Gf 特性曲線 圖 210 輸入回路等效電路 溫度特性 一般線繞式變壓器在教寬的溫度變化范圍內(nèi) ，電氣特性幾乎沒有多少變化，但在高于 100℃ 以上時(shí)，由于一般的絕緣材料老化速度大大加快而使變壓器的壽命很快下降，甚至燒壞。陶瓷變壓器的耐熱性能教好，通常以鋯鈦酸鉛為主的陶瓷材料，其失效的居里點(diǎn)可高達(dá) 350℃ 以上，因此，一般不會(huì)燒壞。但是陶瓷變壓器在工作時(shí)， 對工作變化敏感，特別時(shí)候在低溫范圍（ 0℃ ），由于溫度變化了使諧振頻率的漂移，結(jié)果升壓比將有變化，對工作穩(wěn)定性有一定的影響。 圖 211 溫度特性曲線圖 從 圖 211 可看出，壓電變壓器的諧振頻率隨溫度升高而增大，因此環(huán)境溫度的變化和陶瓷變壓器本身因機(jī)械和介質(zhì)損耗而發(fā)熱，將引起諧振頻率的漂移，從而影響陶瓷變壓器的穩(wěn)定輸出。要克服這個(gè)問題，除了要求選用溫度特性較好的材料做變壓器外，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，一般要采取穩(wěn)壓措施，才能保證陶瓷變壓器工作的穩(wěn)定性 。 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。特性曲線表明：輸出電壓隨負(fù)載阻抗增大而增加 。陶瓷變壓器這個(gè)特性是由于輸淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 20 入阻抗較大 引起的。因此，在負(fù)載變動(dòng)的情況下，采用陶瓷變壓器作高壓電源時(shí)，必須采取措施，才能保證高壓有較好的調(diào)整率 [13]。第三章 陶瓷壓電變壓器的高壓電源設(shè)計(jì) 21 第三章 壓電陶瓷變壓器高壓電源設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想 驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷變壓器的頻率，需要與壓電陶瓷變壓器的諧振頻率保持一致，而實(shí)際上壓電陶瓷變壓器的諧振頻率常常受到負(fù)載阻抗、環(huán)境溫度等外界因素的影響而發(fā)生變化。為了得到最佳輸出，需要跟蹤諧振頻率的變化對驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。如圖 31 所示 。門驅(qū) 動(dòng)部 分提 供 50％ 占空比的方波，使 Ⅵ MS1 和 VMOS2 輪流導(dǎo)通，為壓電變壓器提供交 變的激勵(lì) 電壓，此電壓經(jīng)壓電變壓器升高，供給 CCFL。 CCFL 的輸出電流被送入反饋 回路。反饋回路由 I／ V 轉(zhuǎn)換模塊、比較器和 VCO 模塊組成。 I／ V 轉(zhuǎn)換模塊將 CCFL 的電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電壓 ，比較器將此電壓與參考電壓對 比，產(chǎn)生控制電壓送人 VCO， VCO 調(diào) 節(jié)門驅(qū)動(dòng)的輸出頻率使整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率保持在參考電壓設(shè)定的水平上。 另外由于電陶瓷變壓器的輸出阻抗很大，當(dāng)負(fù)載變化時(shí) ,輸出電壓隋之變化，難以滿足高壓電源輸 出電壓穩(wěn)定性的技術(shù)要求，因此也需要一種調(diào)整電路對輸出高壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。我們以雙管自激式振蕩電路為驅(qū)動(dòng)電路，以脈寬調(diào)制器為高壓穩(wěn)定調(diào)整電路，設(shè)計(jì)了一種高效率、高穩(wěn)定性壓電陶瓷變壓器高壓電源，在這種情況下使用壓電陶瓷變壓器最大優(yōu)點(diǎn)：一是無需另外設(shè)置壓電陶瓷變壓器驅(qū)動(dòng)震蕩源，壓電陶瓷變壓器素如端串聯(lián)回路具有選頻特性，利用行輸出電壓的高次諧波激勵(lì)壓電陶瓷變壓器，使壓電套變壓器工作在諧振狀態(tài)，以獲得顯示器所需要的高壓。二是在電路設(shè)計(jì)十無須考慮變壓器本身的絕緣以及漏感和分布電容的影響，使設(shè)計(jì)和制作簡單化 [6]。 圖 31 CCFL 驅(qū)動(dòng)器淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 22 壓電陶瓷變壓器的選取和計(jì)算 壓電陶瓷變壓器的選取 按照從驅(qū)動(dòng)部分到發(fā)電部分能量的變換方式 ，可以把壓電變壓器分為縱一縱式，橫一縱式，橫一橫式三種，如圖 32 所示。 (a)縱一縱式： (b)橫一縱式： (c)橫一橫式 圖 32 常見壓電變壓器結(jié)構(gòu) 縱一縱式和橫一橫式壓電變壓器是對稱結(jié)構(gòu) 。當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分和發(fā)電部分的體積相等時(shí)，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。橫一縱式壓電變在器是不對稱的結(jié)構(gòu)。它的升壓比不僅和壓電元件的諧振特性有關(guān)，而且和發(fā)電部分的長度與驅(qū)動(dòng) 部分厚度之比有關(guān)。在同樣尺寸的情況下，橫一縱式和縱一縱式壓電變壓器的輸出電壓要比橫一橫式高。 為了得到高的升壓比，常用橫一縱式。因此，我們利用壓電陶瓷變壓器設(shè) 計(jì)顯示器高壓電源時(shí)，常采用橫一縱式陶瓷變壓器。 壓電變電器的固定方式采用橡皮襯墊固定，橡皮襯墊所放的位置不能隨便，不適當(dāng)?shù)闹螘?huì)破壞瓷片振動(dòng)條件，嚴(yán)重影響壓電變壓器的升壓比及效率。因此，必須放在壓電變壓器上節(jié)點(diǎn)上，或者說振動(dòng)幅度最小的位置。具體來說，對于以全波模工作的壓電變壓器，支點(diǎn)應(yīng)在瓷片長 度為 1／ 4 和 3／ 4 點(diǎn)處，對于半波模壓電變壓器，支點(diǎn)應(yīng)在瓷片 的中點(diǎn)處。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(dòng)模式而不利于寄生振動(dòng)模式。因?yàn)樘沾勺儔浩骶哂卸鄠€(gè)寄生振動(dòng)模式，使用時(shí)必須加以考慮。 壓點(diǎn)陶瓷變壓器主要尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 陶瓷變壓器的頻率常數(shù)只與壓電材料的性質(zhì)，振動(dòng)模式有關(guān)，而與振子的尺 寸無關(guān)。所謂頻率常數(shù) N 是指諧振子的諧振頻率 f，與主振動(dòng)方向長度 (或直 徑 )的乘積。它是一個(gè)常數(shù)，單位為 Hzm 或 KHzmm。 對于長為 L 的薄長片長度伸縮振動(dòng)模式或壓電振子，其頻率常數(shù)為： 第三章 陶瓷壓電變壓器的高壓電源設(shè)計(jì) 23 LrN f L? 當(dāng)材料的頻率常數(shù) N 確定后，就可以根據(jù)所需要的諧振頻率來確定壓電振子尺寸，同樣，改變陶瓷片長度，陶瓷片的諧振頻率也隨以改變。我們所使用的顯示器行頻為 15． 695KHz(約 15． 7KHz)，利用顯示器的高次諧波 (四次諧波 )頻率為 15． 695KHz4=62． 780KHz 的來激勵(lì)陶瓷變壓器，使陶瓷變壓器工作在諧振狀態(tài)。對于同一陶瓷片，有 1 1 1 2 2rrf L N f L?? 實(shí)驗(yàn)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(lì)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。又根據(jù)對行輸出管電壓波形傅氏級(jí)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(lì)陶瓷變壓器 [16]。 電路的設(shè)計(jì) 圖 33 為 壓電陶瓷變壓器高壓電源電路圖 圖 33 壓電陶瓷變壓器高壓電源電路圖 圖 33 中 T301R303組成自激式振蕩電路，