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压电陶瓷变压器及其应用

  人们对变压器的研究始于20世纪50年代中后期。美国的Rosen于1956年阐述了陶瓷变压器的基本原理,并制备出长条形单片压电陶瓷变压器。由于当时的这种变压器采用的是压电性能差和居里温度低的钛酸钡(BaTiO3)材料,功率太小,变压器瓷件成本也太高,并且工艺不成熟,因而未能引起人们的重视。在20世纪60年代到70年代初,关于压电陶瓷材料的研究取得了一些进展,在70年代压电陶瓷变压器发展成为一种新型的电子陶瓷变压器,并在80年代被推广到电视机、雷达终端显示器等的高压电源领域。这一时期,人们对与压电陶瓷变压器相关的最熟悉的产品就是压电陶瓷蜂鸣器和点火棒。进入90年代中期后,随着信息产业的迅猛发展及电子产品朝轻、薄、短、小方向发展的趋势,使得压电陶瓷变压器技术与产业得到长足进步和发展。

  压电变压器的工作原理基于压电材料的压电效应。压电效应是法国的P?Curie和J?Curie兄弟在1880年研究铁电性和晶体对称性的关系时发现的一种物理现象。除了单晶体外,压电陶瓷多晶体和某些非晶固体等也具有压电效应。

  正压电效应是指在压电体上加一个机械应力时,会使压电体极化并在一定的表面形成电荷的效应。压电陶瓷棒就是利用正压电效应工作的,给压电棒加上机械压力,在点火棒两端即有高压产生。

  逆压电效应是指在压电体上有一个外加电场时,晶体会发生形变和振动,这一现象就是逆压电效应。压电陶瓷蜂鸣器就是利用逆压电效应工作的,给压电陶瓷片加上电压信号,将会使陶瓷片振动并发出声音。

  压电陶瓷变压器是利用同一压电陶瓷并同时利用正压电效应和逆压电效应来工作的,即完成电能机械能和机械能电能的两次能量转换。

  压电陶瓷变压器所使用的压电陶瓷材料除了BaTiO3外,还有PZT系压电陶瓷、三元系压电陶瓷(如铌镁钴钛酸铅系、铌锌锆钛酸铅系、碲锰锆钛酸铅系、锑锰锆钛铅酸系等)及四元系压电陶瓷[如Pb(Sn1/3 Nb2/3)A (Zn1/3 Nb2/3)B TiCZrdO3)等]。

  最简单同时也是最为常用的压电陶瓷变压器是长条形单片压电陶瓷变压器(即Rosen型压电变压器),其结构如图1所示。

  从图1可知,整个变压器分为两部分:左半部分上下两面都有烧渗的银电极,沿厚度(上下)方向极化,这部分作为电压输入端,称为驱动部分;右半部分的端头为烧渗的银电极,沿陶瓷片长度方向(从左到右)极化,作为输出端,称为发电部分。当一个交变电压加到压电变压器的输入端时,变压器瓷件通过逆压电效应使压电变压器沿长度方向产生伸缩振动,将输入的电能转换为机械能;发电部分感受到驱动部分产生的机械振动后,通过正压电效应将机械能转换为电能,并在输出端产生连续的正弦波电压。当输入与输出端的阻抗不相等时,它们的电压和电流也不相等,从而可以实现输入和输出之间的电压和电流变换功能。

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关键词: 变压器瓷件