Пъезогенератор

 

(7:) Авторы изобретения

В.Д.Садунов и Е.З.Новицкий (7 I) Заявитель

{54 j ПЬЕЗОГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к области сильноточной импульсной технике,конк" ретно,к импульсным генераторам тока и может быть использовано в различных отраслях радиоэлектронной техники, -в частности, в телевизионной .аппаратуре.

Известны генераторы пилообразного тока (11 .

Недостаток известных генераторов состоит в синусоидальном характере изменения тока в нагрузке.

Известен пьезогенератор, содержащий пластинчатый пьезоэлемент, имеющий на противоположных параллельных 15 поверхностях электроды и генератор ударной волны с выходной поверхностью, нормальной к поверхностям электродов f2) .

Недостатком известного устройст- 20 ва является искаженный характер нарастающего участка пилообразного импульса тока в индуктивной нагрузке.

Цель изобретения состоит в,выравнивании нарастающего участка импульса тока в индуктивной нагрузке.

Укаэанная цель достигается тем, что что один иэ электродов выполнен в виде Фигуры, состоящей иэ двух частей, одна иэ которых имеет Форму прямоугольника и расположена со сто-роны генератора ударной волны, а вторая ограничена с двух сторон отрезками прямых, параллельных выходной поверхности генератора ударной волны, а две другие ограничены экспоненциальными кривыми, описываемыми выражением: д .(1) у< ) - — {е " - a) ф где (— индуктив ность нагрузки, г; р -2aV/ХО,М1Г-; <2)

Л - проводимость ударносжатой пьезокерамики, см м 1; - скорость распространения ударной волны в пьезокерамике, м/с; хо- толщина пьезоэлемента,м;

Š— текущая координата по длине пластины; ь

2= t ч 1 м!

Е =TV " параметр длины, м; т

- t - время работы пьеэогенератора, с; с- у

Т = Ч, (2Р Ч + аР о) c (3)

P -.поляризация пьезокерамики,, о кл-м ;

3 бб 1660 этом случае ток в индуктивной нагрузке будет нарастать линейно (М= 4 {о (5) у ) где (, - длительность линейно нарас(Ъ

5 тающего импульса, равнаЯ времени пробега УВ по формирующей части электрода Хо о Ч

На фиг.1 изображен пьезоэлемент ð в форме прямоугольного параллелепипеда; на Фиг.2 показана Форма элект- рода пьезоэлемента, обеспечивающего линейное нарастание тока в индуктивной нагрузке; на Фиг.З схематично изображены границы формирующей части

15 электрода на поверхности прямоугольной пластины из ПК,"на Фиг.4 — вид пьезоэлемента, повернутого на 90о по отношению к,положейию, показанному на Фиг.3 на фиг.5 - график линейно нарастающего тока пьезогенератора в индуктивной нагрузке; на фиг.бграфик напряженйя на электродах цьезогенератора.

Сущность изобретения состоит в 5 том, что электроды пьезогейераторау выполнены в виде двух частей, за-:.:-" ,пускающей и формирук)щей, причем запускающая часть расположена между генератором УВ и формирующей частью 30 и имеет форму прямоугольника, а формирующая часть представляет собой фигуру, ограниченную с двух сто- рон отрезками прямых, параллельных выхОднОЙ поверхнОсти УВр меньший 35 из которых служит границей раздела запускающей и Формирующей частей электрода, а две другие ограййчейы экспоненциальными кривыми (Фиг.2).

Количественно размеры запускающей и формирующей частей электрода опбеделяются электрофизическйми па-, раметрами ПК, велйчиной индуктивности нагрузки 4 и амплитудой линейно нарастающего тока 3„.

Рассмотрим подробно вывод формулы для описания формы формирующей части электрода генератора. Для этого запишем в общем виде балансы потенциалов и зарядов для электрической цепи 50 пъезогенератора, полагая, что граница его электрода есть Фуйкция от положения фронта УВ в ПК у-у (Е ), где Е=Ч.t, а толщина пьезоэлемента

Х, (фиг.3 и 4) .

При выводе соотношений будем учитывать, что на Фронте УВ происходит деполяризация QK, сопровождающаяся выделением связанного до этого заряда с поверхностной плотностью

Ь=Ро, изменением диэлектрической пронйцаемости и проводимости.

Будем также учитывать то, что на электродах пьезогенератора, начиная с момента t О, напряжение постоянно и равно Чо, поскольку только в

Заряд выделяющийся при деполяри зации ПК на электродах пьезоэлемента

s соответствии с фиг.3, равен

Q (c) =27 Vj (t.)dc. (6) О

Заряд, перетекающий за счет проводимости Л в сжатой зоне ПК, есть

4 6

0 0

ЯяУ где jb= . х, Заряд, перетекающий во внешней цепи Генератора, 2 (8) И ()* ——

Jî

3 . емкость цластин пьезогенератора на момент, с учетом изменения диэлектрической проницаемости, есть

С(Ъ1= C(0) - о(у rt I dt, (9) \

ape =е еУХ

Напряжение на электродах пьезоге нератора и, следовательно, на индук-. тивной наГрузке, которое lIG условию является постоянным, может быть записано исходя из условия баланса зарядов и напряжения в виде;

o,Y, Ф)у-р,Цу(у МН"- — v,%) (И о оо о t

c(o)- J у(цап о гдеУоС(0) — заряд на электродах в момент =0.

Проинтегрировав полученное выражение и сгруппировав подобные чйены, получим уравнение для расчета Формы электродов:

3У /VS V0 (11) о7 о(о "о + о(.)о 1Решение этого уравнения при условии, что ч = 0 при t=0 запишется в виде g(1) „{е -1), (а) где т =)ЬЧо ОлоЧ+ жЧо) .

S5 фО

Ч„ — рабочее напряжение на электродах пьезогенератора, Ь; о = лГ )(о, Р С- л, (4)

E — диэлектрическая проницаемомость вакуума, Ф М ьЕ =(ь-Е ) - разница относительных безразмерных диэлектрических проницаемостей пьезокерамикИ перед и за фронтом ударной волны.

QÄ(c) =)ov,J J g(")é d(,", 661660

В полученном Решении (12) легко перейти от зависимости по времени к зависимости от координаты Б, заменив 1 и Т Hà K и Z

На вид полученного решения (12) влияет только проводимость а (параметр p ) . В случае, когда p =- О, т.е. проводимостью сжатой зоны можно пренебречь, полученное решение преобразуется к более простому виду

4t . (13) (2Po+ с vo t L

В этом случае форма электродов становится треугольной, в то время как в общем случае их геометрия описывается экспоненциальной функцией.

Полученные решений справедливы только в случае, когда с момента

Ф,- "О начала работы пьезогенератора, напряжение на его электродах равно (1 :

В реальном случае выполнение ука" занных условий затруднительно.

Практическое решение задачи предполагает отклонение тока от линейного на начальном участке времени (O,ty) работы пьезогенератора с тем, чтобы к моменту времени t « l напряжение на электродах достигалр рабочего значения Vo(а ток — некоторого значения }

При этом часть электрода, соответствующая интервалу времени работы пьезогенератора (g,t1), должна иметь форму отличную от идеального случая .(решения (12) и (13), например прямоугольную, на ванную выше запускающей частью электрода. Геометрические размеры: этой части электрода определяются следующим образом: высота ее равна . 1 =Ч 1, (14) а длина - 2у, параллельная выходной поверхности генератора УВ, определяется как временем t<, так и индуктивностью нагрузки, напряжением Vo и электрофизическими параметрами ПК. . В общем. случае, как и для y(t)," могут быть получены уравнения для тока," (t) и напряжения V(t) пьезо» генератора в интервале (О,tg) из соотнсшения, аналогичного (10), только в этом случае заданной будет фор" ма электрода: у=у (фиг.2).

Уравнение запишутся в виде:

L . ° (15)

L(-(tlat+ 04- J=2><) V и (t) L

1 С(Ю1+ >+> = О й(ц где СЩ=2у 1Ю (Cfiaл 1Х, w c

Дф, 1 . и С вЂ” емкость формирующей части электродов.

С помощью уравнений (15) и (16) можно найти размер у, при.котором в момент t1 напряжение на электродах достигает рабочего значения V» и определить ток 3< протекающий в этот момент в индуктивной нагрузке Ь

Поскольку для времениФ 1напряже- ние на электродах V(t) vo, то и ток

) (t) в нагрузке L будет нарастать

10 медленнее, чем в идеальном случае, когда V(t) = Vo с момента t=o. Это . означает, что на момент времени tq ток в нагрузке Ь будет меньше, чем в идеальном случае, когда он растет линейно с момента йачала работы генератора. 1 о (17)

t(.Это означает в свою очередь, что для интервала времени (tj,i) линейно нарастающий ток в рассматриваемом случае должен описываться формулой:

Vo (18)

",)М= — (t-to) )

25 где временной параметр 4;; определяет- ся из условия равенства 7 (Ф) току 3 в момент "1. V L (19) о о .

В соответствии с этим должны быть внесены поправки и в формулы (12) и (13), определяющие форму электрода, поскольку значения .g.{t) взаимно и однозначно связаны со значениями тока "J (t) в нагрузке 1» эти формулы должны быть записаны в виде

40 цМ= е

>oft 43 и g($) « (2 Р У. + еРЦ .. (21)

Размеры сечений формирукицего элек45 трода (фиг.1) на момент времени tg u определяются по формуле (20) или (21), а полная высота электрода формулойс

32= Ч (C +tO) . (22)

50 B качестве примера конкретного выполнения рассмотрим конструкцию пьезогенератора, предназначенного для формирования в индуктивной нагрузке L 100 мкГ импульса пилообразного тока амплитудой )= 500 л, длительносгью 1)0 мкс и t<=0,5мкс.

Будем также для простоты считать,. что диэлектрическая проницаемость

E. = =1000 как за, так и перед фронтом УВ (aC=O) проводимость

Я=О(p=O), поляризация Р 0,3 Кл/м а рабочая напряженность поля в ПК

Е 2,5 кВ/мм.

В соответствии со сделанными предположениями в данном частном

65 случае формирующая часть электрода бб 1660

Eî F.- Jo i где С= РоХо

Формула изобретения емкость пьезопринимает треугольную форму, являющуюся предельной по отношению к экспоненциальной форме, характерной для общего случая ФО. Уравнение для тока, генерируемого в рассматриваемом случае прямоугольной запускающей частью, может быть представлено в виде: с3 :)=2 Р y:v,генератора.

Решение этого уравнения находим при начальных условиях;ЦО)0й 3(0) =О (t) ) (1-0056)t), (24) Напряжение соответственно есть

ГГ . (25) ® = 9 о — п 41

1 где ю =(z.c)

В интервале времени (t ) решение имеет вид, о (26)

3(a) = — (t,-tð) и Ч(О = V, (27)

Для этого необходимо, чтобы напряжение на нагрузке (25) в момент 11 достигало величины Чо, т.е. длина прямоугольной части электрода равнялас ь; о .ГР, (28)

Jo -, (. ;п„ а временной параметр в соответствие (18) определяется в виде: (<-сОв ut,) (29)

< =t - ьс"

Ы„, По заданным значениям амплитуды линейно нарастающего тока, длительности импульса и индуктивности нагрузки определяется напряжение на электродах пьезогенератора: )о (30) 7 a— о

Толщина пьезоэлемента в соответствии с этим напряжением и рабочей напряженностью поля в ПК может быть определена по формуле:

Ц Ц о

Количественный расчет, выполненный по формулам (14), (30), (28), (29), (22), (21) дает, соответственно, следующие значения для ископаемых параметров: Е1= 0,5 см; Чо=5"10 В, 3

xo= 0,2 см, ур= 0,7 см, о=0„2 мкс, Е = 5 1 см у = 0,5 см, у,= 17 см.

Для иллюстрации на фиг.5 и б приводятся графики тока и напряжения, реализуемые в электрической цепи рассчитанного пьезогенератора.

Отклонение от линейности режима работы пьезогенератора рассматриваемой конструкции принципиальны, но незначительны по времени и составляют 5% от общего времени его работы.

Использование изобретения позволяет успешно решать ряд экспериментальных задач, связанных с необхо5 димостью возбуждения импульсных магнитных полей с линейным характером нарастания поля.

Пьезогенератор, содержащий, пластинчатый пьезоэлемент, имеющий на противоположных параллельных поверхностях электроды, и генератор ударной волны с выходной поверхностью нормальной к поверхностям электродов, отличающийся тем, что, с целью выравнивания нарастающего участка импульса тока в индуктивной нагрузке, rio крайней мере, один эле« ктрод выполнен в виде фигуры, состоящей из двух частей, одна из.которых имеет форму прямоугольника и располо>кена со стороны генератора ударной

Й> волны, а вторая ограничена с двух сторон отрезками прямых, параллельных выходной поверхности генератора ударной волны, а две другие ограничены экспоненциальными кривыми, 30 описываемыми выражением:

2 ф )= {е Е"- 1)„ ) . 7 где L - индуктивность нагрузки, Г;

35 /=2.ЯУ(Хо, м 1 Г 1; и — проводимость ударносжатой

-1 пьезокерамики, См м

V — скорость расйространения, 4 ударной волны в пьезокерамике, y/с; хо — толщина пьезоэлемента, му

Е - текущая координата по длине пластины 06 Z = Е

Ео= t ×, м

Е1 = Т. Ч вЂ” параметр длины, м; — время работы пьезогенератора, с; о - Ро + + öI, <

Ро — поляризация пьеэокерамики

50 Кл.м i 4 " рабочее напряжение на электродах пьезогенератора, В;

C, = Е ДЕУ Х 1,Ф C- 1..М 1; . Я о — диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф М 1;

АЕ-(6 -Е) — разница относительных безразмерных диэлектрических проницаемостей перед и за фронтом ударной волны.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Справочник по импульсной технике, Под ред.;- Яковлева В.И. М., 1972, с.481-488.

65 2.3 .gppg. Раув.1/ОЯ„46, ф 4, р.1522,1975.

661660

У) Ур 2. 2

Ур

Яи.ц

Фиг.З

v(t) A Мт

Риг.5 (цр И2 6,МКС

Составитель В.Вавер

Редактор А.абрамов ТехредИ.Лсталош Корректоо О.Ковинская

Заказ 2494/57 Тираж 922 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР йо делам изобретений и открытий

113035 Москва Л(-35 Ра ская наб. д.4 5 с c c P" с

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4