PL218706B1

PL218706B1 - Piezoelectric transformer

Info

Publication number: PL218706B1
Application number: PL392870A
Authority: PL
Inventors: Lucjan Kozielski
Original assignee: Univ Śląski W Katowicach
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2015-01-30
Also published as: PL392870A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest transformator piezoelektryczny przeznaczony zwłaszcza do zasilaczy urządzeń elektronicznych.The subject of the invention is a piezoelectric transformer intended in particular for power supplies for electronic devices.

Stały i dynamiczny rozwój technologii elektronicznej jest niezmiennie związany z coraz większym stopniem integracji obwodów elektronicznych. Prowadzi to do postępującej miniaturyzacji urządzeń elektronicznych.The constant and dynamic development of electronic technology is invariably related to the increasing degree of integration of electronic circuits. This leads to a progressive miniaturization of electronic devices.

Jest jednak urządzenie elektroniczne, która opiera się tej dynamicznej tendencji rozwojowej, a mianowicie zasilacz. Obwody zasilające urządzeń elektronicznych, których głównym elementem jest transformator są poza tym dodatkowo w większości przypadków najdroższe i największe gabarytowo.There is, however, an electronic device that resists this dynamic development trend, namely the power supply. The power supply circuits of electronic devices, the main element of which is a transformer, are also, in most cases, the most expensive and the largest in terms of dimensions.

Obecny kierunek rozwojowy opiera się na zastępowaniu zasilaczy sieciowych pracujących na częstotliwości sieci elektroenergetycznej zasilaczami impulsowymi pracującymi na wyższych częstotliwościach. Stosowany w nich transformator elektromagnetyczny, jest obecnie najkosztowniejszym elementem zasilaczy, a jednocześnie jego rozmiary znacznie ograniczają proces miniaturyzacji i integracji współczesnych układów elektronicznych i elektroenergetycznych. Miniaturyzacja transformatorów elektromagnetycznych napotyka wiele problemów technicznych:The current development direction is based on replacing power supplies operating at the frequency of the power grid with switching power supplies operating at higher frequencies. The electromagnetic transformer used in them is currently the most expensive element of power supplies, and at the same time its size significantly limits the process of miniaturization and integration of modern electronic and power systems. Miniaturization of electromagnetic transformers faces many technical problems:

- przy zmniejszaniu średnicy uzwojeń następuje wzrost strat spowodowany przez zjawisko naskórkowości czyli tendencji do płynięcia prądu elektrycznego na powierzchni przewodu elektrycznego w cienkich uzwojeniach,- when reducing the diameter of the windings, there is an increase in losses caused by the skin effect, i.e. the tendency for electric current to flow on the surface of the electric conductor in thin windings,

- bardzo duży wzrost histerezy i strat magnetycznych przy większych częstotliwościach pracy w miniaturyzowanych rdzeniach magnetycznych, co prowadzi do nadmiernego nagrzewania się.- a very large increase in hysteresis and magnetic losses at higher operating frequencies in miniaturized magnetic cores, which leads to excessive heating.

Wszystkie te mankamenty wymusiły konieczność poszukiwania nowych rozwiązań w zakresie przekształcania energii. Jednym z takich rozwiązań jest transformator piezoelektryczny, który pozbawiony jest uzwojeń, co zdecydowanie ułatwia jego miniaturyzację. Znane transformatory piezoelektryczne zapewniają proces przekształcania energii elektrycznej wykorzystując sprzężenie elektromechaniczne pomiędzy przetwornikami piezoelektrycznymi: wejściowym i wyjściowym. Zaletami tego typu transformatorów są:All these shortcomings forced the necessity to look for new solutions in the field of energy conversion. One of such solutions is a piezoelectric transformer, which has no windings, which definitely facilitates its miniaturization. Known piezoelectric transformers provide the process of converting electrical energy using electromechanical coupling between piezoelectric transducers: input and output. The advantages of this type of transformers are:

- dużo wyższa gęstość mocy z jednostki objętości w stosunku do transformatorów tradycyjnych, co jest znaczącym krokiem w kierunku miniaturyzacji układów zasilających,- much higher power density per volume unit compared to traditional transformers, which is a significant step towards the miniaturization of power systems,

- brak zakłóceń elektromagnetycznych, ponieważ transformator nie posiada uzwojeń, a energia jest transformowana na drodze mechanicznej,- no electromagnetic interference, because the transformer has no windings and the energy is transformed mechanically,

- bardzo dobra izolacja obwodów strony wejściowej i wyjściowej będąca integralną własnością materiału, ponieważ piezoelektryki są dielektrykami.- very good insulation of the input and output side circuits, which is an integral property of the material, because piezoelectrics are dielectrics.

Umieszczenie piezoelektryka w polu elektrycznym prowadzi do zmiany jego wymiarów (efekt piezoelektryczny odwrotny), natomiast odkształcenie sprężyste wywołuje w nim powstanie wewnętrznego pola elektrycznego (efekt piezoelektryczny prosty). Zasada działania transformatorów piezoelektrycznych wykorzystuje pierwotny i odwrotny efekt piezoelektryczny do przetwarzania energii elektrycznej w mechaniczną i odwrotnie. O wielkości wzmocnienia napięciowego decyduje kierunek i wielkość wektora polaryzacji elektrycznej związany z biegunowością przyłożonego napięcia w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali naprężeń mechanicznych. Stopień wzmocnienia napięciowego nieobciążonego transformatora w kształcie płytki prostopadłościennej jest określony relacją:Placing a piezoelectric in an electric field leads to a change in its dimensions (inverse piezoelectric effect), while elastic deformation causes an internal electric field in it (simple piezoelectric effect). The principle of operation of piezoelectric transformers uses the primary and reverse piezoelectric effect to convert electrical energy into mechanical energy and vice versa. The magnitude of the voltage gain is determined by the direction and magnitude of the electrical polarization vector related to the polarity of the applied voltage in relation to the direction of mechanical stress wave propagation. The degree of voltage amplification of an unloaded rectangular plate transformer is determined by the relation:

Ku~k31 * k33 * Qm * (l/d) gdzie:Ku ~ k31 * k33 * Qm * (l / d) where:

k31, k33 - kierunkowe współczynniki tensora stałych elektromechanicznych,k31, k33 - directional tensor coefficients of electromechanical constants,

Qm - dobroć mechaniczna, l i d- odpowiednio długość i grubość wyjściowej sekcji generującej napięcie.Qm - mechanical quality, l and d- length and thickness of the output voltage-generating section, respectively.

Z opisu patentowego US 2830274 znany jest transformator piezoelektryczny typu Rosena wykorzystujący rezonansowe drgania mechaniczne, wykonany z materiału piezoelektrycznego, w postaci prostopadłościennej płytki, na której naniesione są dwie elektrody: elektroda strony wejściowej i elektroda strony wyjściowej. Napięcie zmienne doprowadzone do sekcji wejściowej generuje w niej drgania mechaniczne związane z odwrotnym efektem piezoelektrycznym. Drgania te rozchodząc się w materiale płytki w postaci fali akustycznej docierają do elektrody wyjściowej, w której generują napięcie na zasadzie prostego efektu piezoelektrycznego. Tego typu transformatory wykorzystywane są jako transformatory wysokonapięciowe dla małych obciążeń. Wadą tej konstrukcji jest mała sprawnośćFrom US Pat. No. 2,830,274 a Rosen-type piezoelectric transformer using resonant mechanical vibrations is known, made of a piezoelectric material, in the form of a rectangular plate on which two electrodes are applied: the electrode of the input side and the electrode of the output side. The alternating voltage applied to the input section generates mechanical vibrations in it related to the reverse piezoelectric effect. These vibrations, propagating in the plate material in the form of an acoustic wave, reach the output electrode, where they generate voltage on the basis of a simple piezoelectric effect. These types of transformers are used as high voltage transformers for small loads. The disadvantage of this design is its low efficiency

PL 218 706 B1 przetwarzania, związana z dużą ilością drgań pasożytniczych oraz konieczność użycia bardzo wysokich napięć w procesie polaryzacji.Due to the large amount of parasitic vibrations, and the need to use very high voltages in the polarization process.

Znane są też transformatory piezoelektryczne dyskowe, wykorzystujące drgania radialne.Disc piezoelectric transformers using radial vibrations are also known.

Przykładowo z opisu patentowego US 3764848 znany jest dyskowy, unipolarny transformator piezoelektryczny, wykonany w postaci dysku z materiału piezoelektrycznego, na którego górnej powierzchni naniesione są elektrody sekcji wejściowej oraz sekcji wyjściowej, a na dolnej powierzchni naniesiona jest elektroda wspólna dla obu sekcji i połączona zazwyczaj z masą obwodu. Napięcie zmienne doprowadzone do sekcji wejściowej generuje drgania mechaniczne rozchodzące się radialnie. Propagująca fala tych drgań dociera do sekcji wyjściowej i generuje w niej napięcie zmienne związane z efektem piezoelektrycznym prostym. Dopasowanie mocy jest regulowane przez zmianę pojemności sekcji wyjściowej realizowane przez zmianę powierzchni elektrody wyjściowej. Umożliwia to pracę w szerokim zakresie obciążeń. Zmianę napięcia wyjściowego osiąga się zmieniając stosunek powierzchni elektrody wejściowej do wyjściowej. Proces polaryzacji jest jednokierunkowy i przeprowadzany w kierunku poprzecznym do powierzchni dysku, dlatego też nie wymaga tak dużych napięć, jakie są konieczne do polaryzacji sekcji wzdłużnej transformatora typu Rosena. Wyższa sprawność transformatorów dyskowych jest również wynikiem dobrych własności filtracyjnych rezonatorów dyskowych i propagacji tylko jednej częstotliwości drgań związanej częstotliwością drgań radialnych dysku.For example, from US Pat. No. 3,764,848 a disc, unipolar piezoelectric transformer is known, made in the form of a piezoelectric material disc, on the upper surface of which the electrodes of the input section and the output section are applied, and on the lower surface there is an electrode common for both sections and usually connected to circuit ground. The alternating voltage applied to the input section generates radial-propagating mechanical vibrations. The propagating wave of these vibrations reaches the output section and generates an alternating voltage in it related to the simple piezoelectric effect. The power matching is regulated by changing the capacitance of the output section by changing the surface of the output electrode. This enables operation in a wide range of loads. The change in the output voltage is achieved by changing the ratio of the input electrode to the output electrode. The polarization process is unidirectional and carried out in the direction transverse to the disk surface, therefore it does not require such high voltages as are necessary to polarize the longitudinal section of the Rosen type transformer. The higher efficiency of disc transformers is also the result of good filtering properties of disc resonators and the propagation of only one vibration frequency related to the radial frequency of the disc.

Z opisu patentowego PL 194149 znany jest transformator piezoelektryczny zawierający stos płytek piezoelektrycznych zaopatrzonych w co najmniej dwie pary elektrod, charakteryzujący się tym, że zawiera stos cienkich płytek piezoelektrycznych i stos grubych płytek piezoelektrycznych, w ilości co najmniej dwóch. Stosy te usytuowane są względem siebie szeregowo i ściśnięte w sztywnej ramie, a pomiędzy nimi jest umieszczony mechaniczny układ rezonansowy drgań giętych wymuszający częstotliwość pracy tego układu, niezależną od częstotliwości drgań własnych użytych płytek piezoelektrycznych.Patent description PL 194149 discloses a piezoelectric transformer containing a stack of piezoelectric plates provided with at least two pairs of electrodes, characterized in that it comprises a stack of thin piezoelectric plates and a stack of thick piezoelectric plates in an amount of at least two. These stacks are positioned in series and compressed in a rigid frame, and between them there is a mechanical resonant system of bent vibrations forcing the operating frequency of this system, independent of the natural frequency of the piezoelectric plates used.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P 390585 znany jest transformator piezoelektryczny wykonany na bazie płytki, na której naniesione są co najmniej dwie odseparowane od siebie elektrody, z których jedna to elektroda sekcji wejścia, druga to elektroda sekcji wyjścia oraz ewentualnie trzecia elektroda wspólna dla obu sekcji, korzystnie połączona z masą obwodu, charakteryzujący się tym, że płytka wykonana jest z monolitycznego, transparentnego, ceramicznego materiału piezoelektrycznego o właściwościach fotowoltaicznych. Transformator takiej konstrukcji dodatkowo wykorzystuje sprzężenie optyczne, polegające na tym, ze wartość przekładni napięciowej jest sprzężona z wielkością natężenia oświetlenia. Związane jest to z nałożeniem się efektu fotowoltaicznego i piezoelektrycznego.From the Polish patent application no. P 390 585 there is known a piezoelectric transformer made on the basis of a plate, on which at least two separate electrodes are applied, one of which is the electrode of the input section, the second is the electrode of the output section, and possibly the third electrode common to both sections, preferably connected to the circuit ground, characterized in that the plate is made of a monolithic, transparent, ceramic piezoelectric material with photovoltaic properties. The transformer of such a structure additionally uses optical coupling, in which the value of the voltage ratio is coupled with the value of the illuminance. This is due to the superimposition of the photovoltaic and piezoelectric effects.

Znane jest też zjawisko magnetostrykcyjne (MM) w grupie materiałów inteligentnych, które przekształca energię magnetyczną w energię odkształcenia sprężystego. Ze względu na odwracalność zjawiska elementy MM mogą służyć jako aktuatory i czujniki. Przykładem zastosowania MM jako sensora jest czujnik drgań. Wykorzystuje on MM w postaci prętów otoczonych cewkami pomiarowymi. Wykorzystuje się tu zjawisko generowania zmiennego napięcia elektrycznego w cewkach pomiarowych pod wpływem pola magnetycznego, wywołanego przez naprężenia drgania MM. Ponieważ magnetostrykcja jest samoistną właściwością materiału magnetycznego, generującego odkształcenia i siły, konkuruje z materiałami piezoelektrycznymi. Natura zjawiska magnetostrykcji leży w zmianie wymiarów liniowych materiału pod wpływem zmian natężenia pola magnetycznego. Jej źródłem jest magnetyczne sprzężenie momentu spinowego i orbitalnego elektronów. W niektórych materiałach moment orbitalny jest dodatkowo sprzężony z siecią krystaliczną. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego moment spinowy podąża za jego kierunkiem, pociągając za sobą wektor momentu orbitalnego. Ten z kolei jest sprzężony z siecią krystaliczną co prowadzi do odkształcenia sieci, czyli magnetostrykcji.The magnetostrictive (MM) phenomenon is also known in the group of intelligent materials, which transforms magnetic energy into elastic deformation energy. Due to the reversibility of the phenomenon, MM elements can be used as actuators and sensors. An example of the use of MM as a sensor is a vibration sensor. It uses MM in the form of rods surrounded by measuring coils. The phenomenon of generating alternating electric voltage in measuring coils under the influence of a magnetic field caused by vibration stresses MM is used here. Since magnetostriction is an intrinsic property of a magnetic material that generates strains and forces, it competes with piezoelectric materials. The nature of the magnetostriction phenomenon lies in the change of the linear dimensions of the material under the influence of changes in the magnetic field strength. Its source is the magnetic coupling of the spin and orbital moments of the electrons. In some materials, the orbital moment is additionally coupled to the crystal lattice. Under the influence of an external magnetic field, the spin moment follows its direction, pulling the orbital moment vector with it. This, in turn, is coupled with the crystal lattice, which leads to distortion of the lattice, i.e. magnetostriction.

Znane są rozwiązania praktyczne wykorzystujące sprzężenie efektu foto-, elektro- i magnetostrykcyjnego do zmian parametrów fali świetlnej w światłowodach (CA 2164993).There are practical solutions that use the coupling of the photo-, electro- and magnetostrictive effect to change the parameters of the light wave in optical fibers (CA 2164993).

Jednakże żadne z dotychczasowych rozwiązań nie przewidywało zastosowania materiałów o właściwościach piezoelektrycznych i magnetostrykcyjnych do budowy transformatorów, co umożliwiałoby dodatkowo zmianę parametrów przetwarzania energii w zależności od natężenia otaczającego pola magnetycznego - sprzężenie magnetyczne.However, none of the previous solutions envisaged the use of materials with piezoelectric and magnetostrictive properties for the construction of transformers, which would additionally enable the change of energy conversion parameters depending on the intensity of the surrounding magnetic field - magnetic coupling.

Celem twórcy wynalazku było opracowanie inteligentnych transformatorów przez zwiększenie ich funkcjonalności w aplikacjach związanych z oddziaływaniem z polem magnetycznym.The aim of the inventor was to develop intelligent transformers by increasing their functionality in applications related to the interaction with a magnetic field.

PL 218 706 B1PL 218 706 B1

Transformator piezoelektryczny według wynalazku wykonany z co najmniej jednej zespolonej dwuwarstwowej płytki, na której naniesione są co najmniej dwie pary odseparowanych od siebie elektrod, z których jedna para to elektrody sekcji wejścia połączone z zaciskami wejściowymi Uwe, a druga to elektrody sekcji wyjścia połączone z zaciskami wyjściowymi Uwy, charakteryzuje się tym, że jedna warstwa każdej płytki wykonana jest z ceramicznego materiału piezoelektrycznego, natomiast druga warstwa wykonana jest z materiału wykazującego magnetostrykcję. Napięcie wejściowe doprowadzane jest poprzez elektrody sekcji wejścia do jednej z warstw płytki a odprowadzane poprzez elektrody sekcji wyjścia z drugiej warstwy płytki.A piezoelectric transformer according to the invention made of at least one composite double-layer plate on which at least two pairs of separated electrodes are applied, one pair of which are electrodes of the input section connected to the input terminals Uwe, and the other pair are the electrodes of the output section connected to the output terminals Uwy is characterized in that one layer of each wafer is made of a ceramic piezoelectric material and the other layer is made of a material exhibiting magnetostriction. The input voltage is fed through the electrodes of the input section to one of the wafer layers and discharged through the electrodes of the output section from the other wafer layer.

Korzystnie, ze wzglądu na wielkość parametrów przetwarzania energii jako ceramiczny materiał piezoelektryczny stosuje się ceramikę PZT, a zwłaszcza ceramikę o składach zbliżonych do granicy morfotropowej, a jako materiał magnetostrykcyjny stosuje się Terfenol B.Preferably, due to the size of the energy conversion parameters, PZT ceramics are used as the ceramic piezoelectric material, especially ceramics with compositions close to the morphotropic limit, and Terfenol B is used as the magnetostrictive material.

Korzystnie elektrody wykonane są z materiału przewodzącego z metali szlachetnych.Preferably, the electrodes are made of a conductive noble metal material.

Korzystnie każda płytka transformatora piezoelektrycznego według wynalazku wykonana jest ze spiekanego materiału monolitycznego o strukturze warstwowej z warstw materiału piezoelektrycznego i magnetostrykcyjnego.Preferably, each plate of a piezoelectric transformer according to the invention is made of a sintered monolithic material having a sandwich structure of layers of piezoelectric and magnetostrictive material.

W transformatorze wykonanym z warstw z ceramicznego materiału piezoelektrycznego i materiału magnetostrykcyjnego wartość przekładni napięciowej, definiowanej jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego, jest sprzężona z wielkością natężenia pola magnetycznego (sprzężenie magnetyczne). Oznacza to, że transformator odznacza się wewnętrzną trwałą polaryzacją elektryczną i magnetyczną polaryzacją dodatkową której wartość i kierunek może być zmieniona poprzez zmianę zewnętrznego pola magnetycznego.In a transformer made of layers of a ceramic piezoelectric material and a magnetostrictive material, the value of the voltage ratio, defined as the ratio of the output voltage to the input voltage, is coupled with the magnitude of the magnetic field strength (magnetic coupling). This means that the transformer has an internal permanent electric polarity and an additional magnetic polarity the value and direction of which can be changed by changing the external magnetic field.

Zastosowanie w zasilaczach transformatorów wykorzystujących przetworniki nowej generacji pozwoli na polepszenie ich parametrów elektrycznych m.in. wyższą sprawność i mniejsze rozmiary. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia dodatkowo realizację funkcji układu inteligentnego generującego zmiany napięcia wyjściowego transformatora w zależności od wielkości i kierunku pola magnetycznego. Możliwe jest zastosowanie rozwiązania według wynalazku w aplikacjach związanych z fazoczułą detekcją i determinacją kierunku pola magnetycznego.The use of transformers in power supplies using new generation converters will allow to improve their electrical parameters, among others higher efficiency and smaller sizes. The solution according to the invention additionally enables the implementation of the functions of an intelligent system generating changes in the output voltage of the transformer depending on the size and direction of the magnetic field. It is possible to use the solution according to the invention in applications related to phase-sensitive detection and determination of the direction of the magnetic field.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia transformator piezoelektryczny ze sprzężeniem magnetycznym, a fig. 2 przedstawia wykres zmian przekładni napięciowej takiego transformatora z zaznaczonym wpływem zmian kierunku zewnętrznego pola magnetycznego na przesunięcie fazowe między napięciami strony pierwotnej i wtórnej.The subject of the invention will be explained in more detail on the embodiment shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a piezoelectric transformer with magnetic coupling, and Fig. 2 shows a diagram of changes in the voltage ratio of such a transformer with the influence of changes in the direction of the external magnetic field on the phase shift between the primary side voltages. and secondary.

Transformator piezoelektryczny wykonany jest na bazie płytki o kształcie prostopadłościennym z dwuwarstwowego materiału, przy czym jedna warstwa 1 wykonana jest z materiału piezoelektrycznego w postaci ceramiki PZT, a druga warstwa 2 z materiału magnetostrykcyjnego w postaci Terfelonu B. Na górnej powierzchni warstwy magnetostrykcyjnej 2 naniesione są elektrody sekcji wejścia 3 połączone z doprowadzającymi napięcie zaciskami wejściowymi Uwe. Na powierzchniach czołowych warstwy piezoelektrycznej 1 naniesione są elektrody sekcji wyjścia 4 połączone z odprowadzającymi napięcie zaciskami wyjściowymi Uwy. Litery P i T na fig 1 oznaczają odpowiednio kierunek polaryzacji i propagacji fali naprężeń mechanicznych w materiale piezoelektryka.The piezoelectric transformer is made on the basis of a rectangular plate made of a two-layer material, where one layer 1 is made of piezoelectric material in the form of PZT ceramics, and the other layer 2 is made of magnetostrictive material in the form of Terfelon B. The electrodes are applied on the upper surface of the magnetostrictive layer 2 input section 3 connected to the voltage-carrying input terminals Uwe. On the front surfaces of the piezoelectric layer 1 there are electrodes of the output section 4 connected with voltage-withdrawing output terminals Uwa. The letters P and T in Fig. 1 indicate the direction of polarization and propagation of the mechanical stress wave in the piezoelectric material, respectively.

Do prezentowanego przykładu została wybrana ceramika PZT jako materiał piezoelektryczny, ze względu na jej najlepsze właściwości piezoelektryczne oraz szybkość odpowiedzi. Skład tej ceramiki jest umiejscowiony w diagramie fazowym blisko morfotropowej granicy fazowej (MPB) i posiada tetragonalną strukturę krystaliczną. Do prezentowanego przykładu został wybrany Terfelon B, ze względu na jego najwyższe wartości współczynników magnetostrykcyjnych.For the presented example, PZT ceramics was selected as the piezoelectric material due to its best piezoelectric properties and speed of response. The composition of this ceramic is located in the phase diagram close to the morphotropic interface (MPB) and has a tetragonal crystal structure. For the presented example, Terfelon B was chosen due to its highest values of magnetostrictive coefficients.

Transformator piezoelektryczny ze sprzężeniem magnetycznym wzbudzany jest zmiennym sygnałem elektrycznym doprowadzonym poprzez elektrody sekcji wejścia do materiału magnetostrykcyjnego w postaci warstwy Terfelonu B. Drgania generowane na podstawie odwrotnego efektu magnetostrykcyjnego w tej warstwie propagują do sekcji wyjściowej. W sekcji tej na podstawie prostego efektu piezoelektrycznego generowane jest napięcie wyjściowe transformatora. W obecności zewnętrznego pola magnetycznego, w materiale magnetostrykcyjnym generowany jest przestrzenny gradient pola magnetycznego. Pole to wymusza dodatkowe zmiany składowej polaryzacji magnetycznej. Zmiany te są rejestrowane przez sekcję wyjściową transformatora w postaci dodatkowej składowej napięcia wyjściowego. Amplituda sygnału jest proporcjonalna w szerokim zakresie napięć do natężenia zewnętrznego pola magnetycznego kąt fazowy do jego kierunku.The piezoelectric transformer with magnetic coupling is excited by a variable electrical signal fed through the electrodes of the input section to the magnetostrictive material in the form of a Terfelon B layer. Vibrations generated by the inverse magnetostrictive effect in this layer propagate to the output section. In this section, the transformer output voltage is generated on the basis of a simple piezoelectric effect. In the presence of an external magnetic field, a spatial gradient of the magnetic field is generated in the magnetostrictive material. This field forces additional changes in the magnetic polarization component. These changes are registered by the transformer output section in the form of an additional output voltage component. The signal amplitude is proportional over a wide voltage range to the strength of the external magnetic field, the phase angle to its direction.

PL 218 706 B1PL 218 706 B1

Wyniki pomiarów własnych a także przeprowadzonych w niezależnym ośrodku badań piezoelektryków w Libercu (International Center for Piezoelectric Research) dotyczących pomiaru wzmocnienia napięciowego transformatora w warunkach oddziaływania zewnętrznego pola magnetycznego są przedstawione na fig. 2. W przypadku oddziaływania pola magnetycznego wartość napięcia wyjściowego transformatora zwiększa się o 20%, przy rezystancji obciążenia o wartości 100 kQ.The results of own measurements as well as those carried out by the independent piezoelectric research center in Liberec (International Center for Piezoelectric Research) concerning the measurement of the voltage gain of a transformer under the influence of an external magnetic field are presented in Fig. 2. In the case of the influence of a magnetic field, the value of the output voltage of the transformer increases by 20%, with a load resistance of 100 kΩ.

Transformatory według wynalazku mogą znaleźć zastosowanie w zasilaczach zdalnie sterowanych polem magnetycznym do zmiany sumarycznej wartości napięcia zasilania przez oddziaływanie pola.The transformers according to the invention can find application in power supplies remotely controlled by a magnetic field to change the total value of the supply voltage by the influence of the field.

Claims

1. Piezoelectric transformer made of at least one composite double-layer plate on which at least two pairs of separated electrodes are deposited, one pair of which are the electrodes of the input section connected to the input terminals Uwe, and the other pair are the electrodes of the output section connected to the output terminals Uwy, characterized in that the layer (1) to or from which, through the electrodes of the input (3) or output (4) section, the input or output voltage is supplied or respectively withdrawn, is made of a ceramic piezoelectric material, while the layer (2), on which the electrodes of the section opposite to that in the layer (1) are applied, is made of a material exhibiting magnetostriction.

2. A piezoelectric transformer as claimed in claim 1; The method of claim 1, wherein the ceramic piezoelectric material is a PZT ceramic.

3. A piezoelectric transformer as claimed in claim 1; The method of claim 2, characterized in that ceramics with compositions close to the morphotropic limit are used as the PZT ceramics.

4. A piezoelectric transformer as claimed in claim 1; The process of claim 1, wherein Terphenol B is used as the magnetostrictive material.

5. A piezoelectric transformer as claimed in claim 1; The method of claim 1, wherein the electrodes are made of a conductive noble metal material.

6. A piezoelectric transformer as claimed in claim 1; The method of claim 1, wherein each transformer board is made of a monolithic material having a sandwich structure with layers of piezoelectric and magnetostrictive material.