壓電陶瓷變壓器及其應用

壓電陶瓷變壓器是用鐵電陶瓷材料經(jīng)燒結和高壓極化等工藝制成的一種新型電子變壓器，其結構和工作原理與電磁繞線(xiàn)式等傳統變壓器是截然不同的。
　　
人們對壓電陶瓷變壓器的研究始于20世紀50年代中后期。美國的Rosen于1956年闡述了壓電陶瓷變壓器的基本原理，并制備出長(cháng)條形單片壓電陶瓷變壓器。由于當時(shí)的這種變壓器采用的是壓電性能差和居里溫度低的鈦酸鋇（BaTiO3）材料，功率太小，成本也太高，并且工藝不成熟，因而未能引起人們的重視。在20世紀60年代到70年代初，關(guān)于壓電陶瓷材料的研究取得了一些進(jìn)展，在70年代壓電陶瓷變壓器發(fā)展成為一種新型的電子陶瓷變壓器，并在80年代被推廣應用到電視機、雷達終端顯示器等的高壓電源領(lǐng)域。這一時(shí)期，人們對與壓電陶瓷變壓器相關(guān)的最熟悉的產(chǎn)品就是壓電陶瓷蜂鳴器和點(diǎn)火棒。進(jìn)入90年代中期后，隨著(zhù)信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展及電子產(chǎn)品朝輕、薄、短、小方向發(fā)展的趨勢，使得壓電陶瓷變壓器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到長(cháng)足進(jìn)步和發(fā)展。
　　
1、壓電陶瓷變壓器的結構與工作原理
　　
壓電變壓器的工作原理基于壓電材料的壓電效應。壓電效應是法國的P?Curie和J?Curie兄弟在1880年研究鐵電性和晶體對稱(chēng)性的關(guān)系時(shí)發(fā)現的一種物理現象。除了單晶體外，壓電陶瓷多晶體和某些非晶固體等也具有壓電效應。
　　
壓電效應分正和逆兩種類(lèi)型。
　　
正壓電效應是指在壓電體上加一個(gè)機械應力時(shí)，會(huì )使壓電體極化并在一定的表面形成電荷的效應。壓電陶瓷棒就是利用正壓電效應工作的，給壓電棒加上機械壓力，在點(diǎn)火棒兩端即有高壓產(chǎn)生。
　　
逆壓電效應是指在壓電體上有一個(gè)外加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì )發(fā)生形變和振動(dòng)，這一現象就是逆壓電效應。壓電陶瓷蜂鳴器就是利用逆壓電效應工作的，給壓電陶瓷片加上電壓信號，將會(huì )使陶瓷片振動(dòng)并發(fā)出聲音。
　　
壓電陶瓷變壓器是利用同一壓電陶瓷并同時(shí)利用正壓電效應和逆壓電效應來(lái)工作的，即完成電能——機械能和機械能——電能的兩次能量轉換。
　
壓電陶瓷變壓器所使用的壓電陶瓷材料除了BaTiO3外，還有PZT系壓電陶瓷、三元系壓電陶瓷（如鈮鎂鈷鈦酸鉛系、鈮鋅鋯鈦酸鉛系、碲錳鋯鈦酸鉛系、銻錳鋯鈦鉛酸系等）及四元系壓電陶瓷[如Pb(Sn1/3 Nb2/3)A (Zn1/3 Nb2/3)B TiCZrdO3）等]。
　　
最簡(jiǎn)單同時(shí)也是最為常用的壓電陶瓷變壓器是長(cháng)條形單片壓電陶瓷變壓器（即Rosen型壓電變壓器），其結構如圖1所示。

從圖1可知，整個(gè)變壓器分為兩部分：左半部分上下兩面都有燒滲的銀電極，沿厚度（上下）方向極化，這部分作為電壓輸入端，稱(chēng)為驅動(dòng)部分；右半部分的端頭為燒滲的銀電極，沿陶瓷片長(cháng)度方向（從左到右）極化，作為輸出端，稱(chēng)為發(fā)電部分。當一個(gè)交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時(shí)，通過(guò)逆壓電效應使壓電變壓器沿長(cháng)度方向產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，將輸入的電能轉換為機械能；發(fā)電部分感受到驅動(dòng)部分產(chǎn)生的機械振動(dòng)后，通過(guò)正壓電效應將機械能轉換為電能，并在輸出端產(chǎn)生連續的正弦波電壓。當輸入與輸出端的阻抗不相等時(shí)，它們的電壓和電流也不相等，從而可以實(shí)現輸入和輸出之間的電壓和電流變換功能。