Исследование характеристик источников питания с пьезотрансформаторами

               Серебряные электроды были нанесены на плоскости пьезотрансформатора. Толщина слоя — 6–12 мкм. На внешнюю сторону наносилось покрытие общего электрода на всю поверхность с отступлениями от края 1–1,5мм. На внешнюю поверхность с помощью специального трафарета наносился электрод выходной секции в виде круга (диаметром 13,5 мм). Поляризация осуществлялась по толщине пьезотрансформатора. Габаритные размеры пьезотрансформатора: L = 30 мм, B = 30 мм, H-2,5 мм, D+15,5мм, d+13,5мм. На рис. 2.6 представлена принципиальная схема включения пьезотрансформатора и ламп типа Т-5.

     Рисунок 2.6 -  Принципиальная схема включения пьезотрансформатора

     и ламп типа Т-5. 

               Предварительно были проведены  исследования работы пьезотрансформатора  на эквивалентную нагрузку. Значение эквивалентной нагрузки определялось расчетным путем. Расчетные значения сопротивления ламп типа Т-5 при работе их в номинальном режиме составляли для ламп 6.28 Вт соответственно от 600 до 1500 Ом. Звуковым генератором осуществлялась настройка пьезотрансформатора на резонансную частоту в диапазоне 60–70 кГц. Сигнал усиливался усилителем мощности и подавался на входную секцию пьезотрансформатора. Контроль частоты осуществляется частотомером. Напряжение на входе и выходе измерялось вольтметром типа В 3-38. С помощью токовых щитов на входной (R = 10,0 м) и выходной (R = 1,0 м) секциях измерялся входной и выходной ток. Зависимость коэффициента трансформации от частоты для различных значений сопротивления нагрузки приведена на рис. 2.7. 

     Рисунок 2.7 -  Зависимость коэффициента трансформации от частоты 

     С увеличением сопротивления нагрузки растет коэффициент трансформации. Зависимость аналогична для пьезотрансформатора  Розена. Зависимость КПД от сопротивления  нагрузки показывает, что для данной конструкции пьезотрансформатора имеется оптимальное значение сопротивления, при котором значение КПД максимальное и составляет 95%.  
 
 

     Рисунок 2.8 -  Зависимость кпд от сопротивления нагрузки 

     Оптимальное значение сопротивления нагрузки соответствует значению импеданса выходной секции пьезотрансформатора. Наблюдается линейная зависимость (рис. 2.9) выходной мощности от входного напряжения при различных значениях сопротивления нагрузки. Исследовались предельные значения мощности пьезотрансформатора при работе на оптимальную нагрузку. 

     Рисунок 2.9 -  Зависимость выходной мощности от входного

     напряжения

     С помощью термопары определялась температура на поверхности выходной секции пьезотрансформатора. Результаты зависимости температуры на поверхности пьезотрансформатора от мощности, рассеянной на выходной секции, показывают, что значение предельной мощности 44 Вт вызывает нагрев пьезотрансформатора до температуры 50 °С. В течение 30 мин это значение не увеличивалось. При включении ламп типа Т-5 (GEF8W/ Т5/33, GEF13W/Т5/SL) проводились измерения основных эксплуатационных параметров ламп, результаты которых представлены в таблице 2.2.

              Таблица 2.2 - Основные параметры ламп типа Т-5 с ЭПРА на основе пьезотрансформатора 

               Время выхода лампы на номинальный  режим горения составляет 0,2–0,3 с  без предварительного подогрева. Таблица 2.2 - Основные параметры ламп типа Т-5 с ЭПРА на основе пьезотрансформатора Анализ результатов исследований показывает, что возможно создание нового поколения высокоэффективных высокочастотных ЭПРА для питания ламп типа Т-5 при оптимизации конструкции пьезотрансформатора под конкретную лампу, сопротивление которой равно выходному импедансу пьезотрансформатора. В общем случае выходной импеданс пьезотрансформатора может быть подстроен путем изменения емкости выходной секции пьезотрансформатора - варьированием размеров выходного электрода. Другим важным требованием является необходимость обеспечения требуемого коэффициента трансформации как в режиме зажигания, так и в установившимся режиме. Изменение коэффициента трансформации достигается путем изменения соотношения площадей входного и выходного электродов. Кроме того, коэффициент трансформации и КПД линейно зависят от параметров пьезокерамического материала (коэффициента электромеханической связи, относительной диэлектрической проницаемости, механической добротности). Основные параметры, которые обеспечивает пьезотрансформатор в схеме его включения с лампой Т-5, -  напряжение и ток показывают возможность его применения в схемах включения ламп тлеющего разряда для световой рекламы мощностью от 15 до 40 Вт (диаметр колбы ламп 10–18 мм). Оптимизация конструктивных параметров для конкретной лампы типа Т-5 позволяет создать высокоэффективные высокочастотные ЭПРА с КПД не менее 95%, не требующие предварительного подогрева, снизить стоимость и уменьшить сложность схем электронного балласта и тем самым расширить рынок их реализации.   

     2.2 Исследования многослойных пьезотрансформаторов 

     Исследования  проводились на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.9. С помощью низкочастотного генератора сигналов осуществлялась настройка пьезотрансформаторов на резонансную частоту. Контроль частоты осуществлялся частотомером Ч3 - 34.  

     Рисунок 2.9  -  Принципиальная схема исследования пьезотрансформаторов

     С помощью звукового генератора осуществлялась настройка на его резонансную  частоту. Слабый сигнал усиливался усилителем мощности и подавался на входную секцию пьезотрансформатора. Контроль частоты осуществлялся частотомером. Напряжение на входе измерялось вольтметром В3-38 В, на выходе — вольтметром В3-38 Б. С помощью токового шунта на входной секции (R = 10 Ом) и делителя в выходной секции (R3 = 10 кОм и R3 = 100 МОм) измерялся ток и напряжение во входной и выходной цепи пьезотрансформатора. Измерения на выходе на делителе проводились с помощью  вольтметра В3 – 55А. В качестве нагрузки использовалось 100 МОм сопротивление.

       В качестве исследуемых образцов  использовались поперечно-продольные  пьезотрансформаторы с многослойным  возбудителем. Потому что, поперечно-продольный пьезоэлектрический трансформатор имеет максимальный коэффициент трансформации имеет. Следует учесть, что детали корпуса, в который заключен трансформатор, так же создают потери на излучение за счет их более высокой диэлектрической проницаемости (по сравнению с воздухом). Например, приближение к тому же трансформатору пластины из оргстекла уменьшает коэффициент трансформации на 5%. Эти потери можно уменьшить за счет уменьшения поверхности генератора. Для этого сечение генератора выполняют в форме, близкой к квадрату или кругу, и применяют многослойный возбудитель.

     Исследования проводились нескольких образцов многослойных пьезотрансформаторов. Использовались следующие образцы, представленные в таблице 2.3 

     Таблица 2.3 – Пьезотрансформаторы многослойные 

     В результате были получены следующие  характеристики: