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式等傳統(tǒng)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，并制備出長條形單片壓電陶瓷變壓器。由于當時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，關于壓電陶瓷材料的研究取得了一些進展，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域。這一時期，人們對與壓電陶瓷變壓器相關的最熟悉的產(chǎn)品就是壓電陶瓷蜂鳴器和點火棒。進入90年代中期后，隨著信息產(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與產(chǎn)業(yè)得到長足進步和發(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性的關系時發(fā)現(xiàn)的一種物理現(xiàn)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型。
　　
正壓電效應是指在壓電體上加一個機械應力時，會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外加電場時，晶體會發(fā)生形變和振動，這一現(xiàn)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，將會使陶瓷片振動并發(fā)出聲音。
　　
壓電陶瓷變壓器是利用同一壓電陶瓷并同時利用正壓電效應和逆壓電效應來工作的，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]。
　　
最簡單同時也是最為常用的壓電陶瓷變壓器是長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，稱為驅動部分；右半部分的端頭為燒滲的銀電極，沿陶瓷片長度方向（從左到右）極化，作為輸出端，稱為發(fā)電部分。當一個交變電壓加到壓電變壓器的輸入端時，通過逆壓電效應使壓電變壓器沿長度方向產(chǎn)生伸縮振動，將輸入的電能轉換為機械能；發(fā)電部分感受到驅動部分產(chǎn)生的機械振動后，通過正壓電效應將機械能轉換為電能，并在輸出端產(chǎn)生連續(xù)的正弦波電壓。當輸入與輸出端的阻抗不相等時，它們的電壓和電流也不相等，從而可以實現(xiàn)輸入和輸出之間的電壓和電流變換功能。