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壓電陶瓷變壓器的基本結(jié)構(gòu)域與工作原理
來源： 日期：2013-11-14 15:25:39 人氣：標(biāo)簽：
1．壓電效應(yīng) 壓電陶瓷變壓器的工作原理基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是在石英晶體某些特定方向上施加壓力時出現(xiàn)的。后來人們發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷多晶體和非晶固體（如聚合物）等；也具有壓電效應(yīng)。當(dāng)在壓電晶體或陶瓷上施加外力時，在其一定的表面會呈現(xiàn)出電荷，并且電荷密度與機(jī)械應(yīng)力成正比。當(dāng)外力反向時，電荷符號將會改變。這種由機(jī)械力的作用使晶體或陶瓷極化在其表面形成電荷的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。反之，當(dāng)外加電場施加于壓電晶體或陶瓷時，晶體或陶瓷會產(chǎn)生形變和振動，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。
壓電蜂鳴器和壓電點火棒是大家熟悉的兩種產(chǎn)品。壓電蜂鳴器是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)工作的，給其加上電信號．將會產(chǎn)生振動而發(fā)出聲音。壓電點火棒是利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)工作的，給其加上機(jī)械壓力，在點火棒兩端即有高電壓發(fā)生。
2． 結(jié)構(gòu)和工作原理 壓電陶瓷變壓器是在同一壓電陶瓷上同時利用正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來進(jìn)行工作的，即經(jīng)過電能到機(jī)械能和機(jī)械能到電能的兩次能量轉(zhuǎn)換。
壓電陶瓷變壓器按其形狀、電極和極化方向不同而有各種結(jié)構(gòu)。單就形狀來說，有長方形、圓柱形、扁平方形和圓板形等幾種，其中 簡單同時又 為常用的是單片長方形結(jié)構(gòu)，如上圖所示。這種結(jié)構(gòu)是美國研究者rosen在1956年制備的壓電陶瓷變壓器樣品所采用的，因此人們將其稱為rosen型壓電陶瓷變壓器。這種采用橫向一縱向振動模式的壓電陶瓷變壓器，由左、右兩個部分組成。左半部分上下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度方向（縱向）極化，作為輸入端，這部分稱為驅(qū)動部分：右半部分的端頭燒滲了銀電極，沿長度方向（從左到右）極化，作為輸出端，這部分稱為發(fā)電部分。當(dāng)一個交變電壓加到壓電陶瓷變壓器的輸入端時，只要交變電壓頻率與壓電陶瓷的諧振頻率相一致，就會通過逆壓電效應(yīng)使其產(chǎn)生振動，使輸入的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（這與蜂鳴器的工作原理是一樣的）。在發(fā)電部分感受到驅(qū)動部分的機(jī)械振動后，則通過正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生正弦波電壓輸出（這與點火棒的工作原理相類似）。當(dāng)輸入與輸出端的阻抗不相等時，導(dǎo)致它們的電壓和電流也不相等，從而實現(xiàn)輸入和輸出端之間的電壓和電流變換功能。對于上圖所示的壓電陶瓷變壓器，由于長度遠(yuǎn)大于厚度，輸入阻抗遠(yuǎn)大于輸出阻抗，因而輸出電壓高于輸入電壓，成為一種升壓變壓器。這種壓電變壓器的升壓比：
式中：qm為材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)；k3,1和k33分別為材料的橫向和縱向機(jī)械耦合系數(shù)；l為變壓器驅(qū)動部分的長度：t為壓電陶瓷厚度。變壓器的 大轉(zhuǎn)換效應(yīng)率
升壓型壓電陶瓷變壓器輸入一個數(shù)伏或數(shù)十伏的電壓，可以產(chǎn)生一個數(shù)千伏的輸出電壓。
如果壓電陶瓷變壓器的輸入阻抗大于輸出阻抗，則成為一個降壓型變壓器。
單層壓電陶瓷變壓器的變壓比較小，輸出功率也較低（一般僅為1～2w）。自上一個世紀(jì)90年代中期后，人們將多層片式電容器的工藝移植到壓電陶瓷變壓器的制備中，從而制成了多層片式壓電陶瓷變壓器，其輸出功率可達(dá)10w以上。日本電氣(nec)公司制作的尺寸為14mm×14mm×6mm的多層片式壓電陶瓷變壓器，工作頻率為140khz，輸出功率達(dá)20w，轉(zhuǎn)換效率為97%。
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