山东大学学报(自然科学版
一九七九年第:期
一
压电
陶瓷变压器高压稚压电源
何芳
钧
(物理系
摘要本文介绍一个利用压电陶瓷变压器的高压稳压电源,电源的输出电压为2000伏利
用串联稳压系统,并采取了使陶瓷变压器的工作频率跟踪谐振频率以及温度补偿等
措
施,使电源的稳定性有大幅度的提高,该电源的主要特点是.在宽温度范围内,具有较
高的稳定度,在一50℃~十65℃的范围内,输出电压的相对漂移`03%,当电源的输入电压改变士10%时,输出电压的相对变化`03%,电源具有负阻特性,空载输出电压低于有载输出电压,体积小`重量轻,整机重量g
。
前言
利用压电陶瓷材料的压电性质可以制成高压变换器,即压电陶瓷变压器压电陶瓷
变压器的研制工作从1950年开始,当时以钦酸钡材料为主,由于升压比很低,在实用上没有引起人们重视近10年来高升压比的压电陶瓷材料有很大的发展,对陶瓷变压器的研制工作又重新活跃起
来
陶瓷变压器和线绕变压器不同,它是利用压电陶瓷的压电效应,来达到升压的目
的和线绕变压器相比,陶瓷变压器具有体积小重量轻升压比高不燃烧不发
霉无电磁干扰安装方便等优点,所以目前在电视雷达激光静电除
座和复印
等
许多方面都已开始应用陶瓷变压器。
压电陶瓷变压器的升压比
常用的陶瓷变压器是一种横向陶瓷变压器,如图l所示它是一整块陶瓷,其左半
部分的上下面都被上银电极,沿厚度方向极化,这一部分是陶瓷变压器的驱动部分
,作
为输入端其右半部分称为发电部分,在右端面上被上银电极,沿长度方向极化,作为有压输出端,书
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横向变压器的工作原理特性和铡
纽
方法在不少资料中都有介绍〔`〕“.”根据
压电方程和波动方程可导出横向变压器的等效机电网络和等效电路t匀在谐振频
率附近可将其分布参数网络近似地简化成
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等效电路,如图2
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示其电路形式就是压电振子在谐振须率附近等效电路的一般形式但要特别注意
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的是,等效电路中的R和C直接与陶瓷变压器输出端的负载电阻和电容
有
关
从等效电路可知,压电陶瓷变压器的升压比和工
作频率有关,在串联谐振频率上,陶瓷变压器的升压比最高,偏离这个频率则升压比减小。此外升压比还与外负载、环境温度以及激励信号大小有关
横向压电陶瓷变压器的空载升压
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式中,Q。为陶瓷变压器的机械品质因数,肠.
和
坑。是材料的横向和纵向机电祸合系数,t和21分别一”`”
是陶瓷变压器的厚度和长度图2输出端等效电路
在陶瓷变压器的额定功率范围内,输出电压和输入电压之间近似地成直线关系当陶瓷变压器的外接负载电阻减小时,其有效O。值减小,升压比减小或者说,
陶瓷变压器具有较高的内阻抗,使有载升压比低于空载升压
比
压电陶瓷变压器电源
设计
并且升压比和谐振频率又是温度和负载
的函
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,
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陶瓷变压器的升压比和工作频率有关,数,所以要保证陶瓷变压器的输出电压稳
定,就必须随时控制陶瓷变压器的工作频率和激励电压当陶瓷变压器的升压比因温度或频率变化而减小时,要靠提高陶瓷变压器的输入电压,使输出电压稳定`为此,采用一般的串联型稳压系统,其原理方框图如图3所示整个线路构成一负反馈系统,由取样比较放大
和调整部分来
白动地进行电压调节,使输出电压
稳定
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图中“`为电源的供电电压,ug为调整管的管压降,“为振荡升压系统的供电电
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口压,u,为取样电压
,
升压比。
1为电源输出电压,。为取样比瓦为陶瓷变压器振荡系统的直流
根据陶瓷变压器的特点和整个电源的方框图,设计的具体电路如图4所示图中,刀G:,B`3组成的复合管作为调整管,BG和BC
。
组成
差分放大器
其基准电压由
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闭辛屯殊线路图二支ZD附7B提供恒流源B`,作为差分放大器的负载,以获得较大的放大倍数
,
并且可以减小电源输入电压变动对输出电压的直接影响BG。和陶瓷变压器等组成一自激振荡器,陶瓷变压器的输出经二倍压整流后获得直流高压输出从电源输出端取样
至放大管B口。的基极T:和T:是二个小型线绕变压器,采用一般的铁氧体磁蕊
,
犷:和T:的匝数比分别为1:25和1:2R
是一热敏电阻
下面就线路的主要部分和元件选择加以说明:
一振荡升压部分陶瓷变压器作为振荡器反馈回路的一部分,目的是控制频率,使振荡器工作在陶瓷
变压器的最大输出频率上,以获得最高的升压比该振荡电路要产生振荡就要满足振幅条件和相位条件,其振幅条件为:
R,R。R`
R:R:+R7Ri+R。R`
试飞丁》几
或当R7》R。时R。R`
R。+R;刀
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式中,刀万为BG。的输入电阻,“和;`是BG的集电极和基极电流,夕为B`
.
的电流放大系数,。:和。:分别为T、和T;的升压比振荡条件比较容易满足,电路很易产生振荡但是考虑到陶瓷变压器具有多个寄生振动模式,并且线路中含有多个电抗元件,整个反馈网络比较复杂,因而虽将陶瓷变压
器串接在反馈回路中,振荡器也不一定能振荡在陶瓷变压器的最大输出频率(即主振动
频率)上从BC的集电极至基极由陶瓷变压器和T,rZ等组成一选频网络,忽略了
T,和少:的漏感与损耗,只考虑陶瓷变压器的一个主振动模式,选频网络如图5所示这是一个含有压电陶瓷振子的不对称二型滤波网络图中,LCR和C。是陶瓷变压器输入等效电路的等效参数,L;是T:的次级线圈的电感量C;包括分布
电容和BG。集电极对地的电容,五:是T:的初级线圈电感量,C:包括分布电容和BG。的输入电容按照滤波器理论分析`摇,,上述网络可能有二个以上的传通频带,这些传通频一一甲洲丫、又么
图5振荡系统的选选网络带的中心频率和滤波网络的参数有关,振荡器将在损耗最小的某一通带内产生振荡,其振荡频率不一定在陶瓷变压器的最大输出频率上为使振荡器在陶瓷变压器最大输出频
率附近工作,需要有二个条件:(1)合理选择陶瓷变压器的夹持位置,使其有利于主振模式而不利于寄生振动
模
式(2)选择L,C:和LZCZ,
使它们并联谐振在陶瓷变压器最大输出频率附近
,
且pLIC:澎L:CZ澎LC陶瓷变压器选定后,振荡器能否稳定地工作在陶瓷变压器的谐振频率附近,关键在于调节R;R和C,为尽量减小在开关过程中和温度变化时,B`.的输入电阻变
化对振荡频率的影响,并联电阻R。和R:不宜选得过大
一般说来,陶瓷变压器在高温时的Q。值低,低温时Q,值高,如果在高温下能使
振荡器的振荡频率和陶瓷变压器的谐振频率跟踪,那么在低温下也能踉
踪
二温度补偿
电源中,任何一个元件参数随温度的变化都会引起电源输出电压的变化电源各元
件的影响有大有小,而且有的使输出电压向正方向变化,有的使输出电压向负方向变
化选用温度稳定性好的元件,或利用合适的电路元件,使它们之间的变化能相互补
偿,这二种途径都可以提高电源的温度稳定性使元件本身达到绝对稳定是不可能的,我们利用互相补偿的办法来提高电源的温度稳定性,并且得到了满意的结果线路中,除了应用温度稳定性较好的管子外,还采用了差分放大电路并尽可熊做到管子配对和相互补偿以便减小放大器的零点漂移
,
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