И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 51
Текст из файла (страница 51)
! 0.1. Эквивалентная схема пьезоэле- мента тивность Еотражает инерционные свойства пьезоэлектрической пластинки, емкость С характеризует упругие свойства пластинки и активное сопротивление г — потери энергии при колебаниях. Емкость Се,называемая статической, представляет собой обычную емкость между обкладками пьезоэлемента и не связана с его колебательными свойствами. 10.2. ПРИБОРЫ ПЬЕЗОЭЛЕКТРОНИКИ Одним из первых пьезоэлектрических приборов был кварцевый резонаяор, имеющий очень высокую стабильность частоты колебаний.
В течение многих лет кварцевый резонатор успешно применяется для стабилизации частоты генераторов и радиопередатчиков. Особенно высокая стабильность достигается, если кварцевый резонатор поместить в термостат. Существует также особый срез кварцевой пластинки (относительно осей кристалла), при котором и без термостата стабильность частоты весьма высока. Собственная резонансная частота кварцевого резонатора зависит от его геометрических размеров. Так, например, при колебаниях пластинки кварца по толщине резонансная частота определяется именно толщиной пластинки. Изменение толщины под действием температуры приводит к нестабильности частоты.
Пример схемы транзисторного генератора с кварцевой стабилизацией дан на рис. 10.2. Кварцевый резонатор задает на вход транзистора (участок база — эмиттер) колебания со своей стабильной частотой, а усиленные колебания получаются в колебательном контуре, включенном в выходную, коллекторную цепь. Обратная связь, необходимая для самовозбуждения генератора, осуществляется через емкость коллектор— база. Если эта емкость недостаточна, то между коллектором и базой включают дополнительный конденсатор. Резисторы й~ и Яз включены для того, Рис. 10.2. Схема простейшего генератора е кварцевой стабилизацией частоты чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение. Добротность кварцевых резонаторов, т.
е. отношение запасаемой реактивной энергии к энергии потерь, очень велика и составляет 10л- 10в. В соответствии с эквивалентной схемой на рис. 10.1 кварцевый резонатор имеет две основные резонансные частоты. Для последовательного резонанса (резонанса напряжений) в цепи Ь вЂ” С вЂ” г частота резонанса у, =(2я ~/ЬС) ', а для контура, в котором получается параллельный резонанс (резонанс токов), частота резонанса будет выше: 1з = (2я'у'ЬС,) ', где эквивалентная емкость С, = ССе/(С + Се).
Пьезорезонаторы могут быть сделаны не только из кварца, но и из пьезокерамики. Однако добротность при этом снижается и составляет 1О' — 10л. Кварцевые резонаторы широко используются в качестве эталонов частоты, в приборах для измерения частоты, в электронных часах для обеспечения высокой точности хода. Из кварцевых резонаторов составлены полосовые электрические фильтры, пропускающие весьма узкую полосу частот. Обширную группу пьезоэлектрических приборов представляют различные пъезодатчики, реагирующие на температуру, давление, перемещение, ускорение. В большинстве случаев работа таких датчиков основана на том, что даже небольшие изменения геометрических размеров пьезоэлемента дают заметное изменение его резонансной частоты.
Во многих пьезоэлектрических приборах применяют пьезокерамику, у которой пъезоэлектрический эффект выражен гораздо сильнее, чем у кварца (например, у титаната бария в 100 раз сильнее). На использовании прямого пьезоэффекта работают пьезоэлектрические микрофоны н звукосниматели. В них применяется сегнетова соль или пьезокерамика. Эти же материалы используются в пьезоэлектрических телефонах и громкоговорителях, работающих на основе обратного пьезоэффекта.
Значительный интерес представляют пьезоэлектрические трансформаторы (ПЭТ), в которых пьезоэлемент имеет три или большее число электродов, подключенных к источнику переменного напряжения и нагрузке либо к нескольким источникам и нескольким нагрузкам. Так же, как и обычные трансформаторы с обмотками, ПЭТ могут усиливать сигнал по напряжению илн по току, преобразовывать нагрузочное сопротивление, осуществлять фазовый сдвиг на 180'.
Бывают ПЭТ узкополосные, работающие на частотах, близких к одной нз резонансных частот пьезоэлемента, или широкополосные. В большинстве случаев ПЭТ являются трансформаторами напряжения, но если они рассчитаны на большие токи— в несколько ампер, то их называют трансформаторами тока. Часть ПЭТ, подключенная к источнику переменного напряжения, называется возбудителем, а часть, подключенная к нагрузке,— генератором. В возбудителе за счет обратного пьезоэффекта энергия электрических колебаний переходит в энергию акустических волн, которые распространяются по направлению к генератору. В нем за счет прямого пьезоэффекта энергия механических колебаний преобразуется в электрическую. Так как амплитуда механических колебаний максимальна при резонансе, то именно на резонансных частотах коэффициент трансформации, равный отношению вторичного напряжения к первичному, будет максимальным.
В простейшем виде ПЭТ делается из двух пьезокерамнческих брусков, склеенных друг с другом (рис. 10.3). Один брусок служит возбудителем, другой — генератором. Оба бруска сделаны из пьезокерамики различного состава, так как к материалам возбудителя и генератора предъявляются разные требования.
В зависимости от расположения электродов на возбудителе и генераторе возможны трансформаторы различных типов. Наибольшее применение получили трансформаторы поперечио-продольного типа. Именно такой ПЭТ показан на рис. 10.3. У него в возбудителе электрическое поле направлено поперек, а в генераторе вдоль. В зависимости от соотношения размеров коэффициент трансформации напряжения в режиме Вход ~! —— Выход Рис. !Оаь Пьезоэлектрический трансформа- тор поперечно-прододьного типа холостого хода может достигать нескольких тысяч. Кроме «брусковых» применяются и другие ПЭТ: дисковые, цилиндрические, кольцевые.
Пьезотрансформаторы могут использоваться в различных схемах при мощности до нескольких ватт и даже десятков ватт, в частности в маломощных выпрямителях на высокие напряжения или в маломощных низковольтных выпрямителях для питания транзисторных схем. У таких трансформаторов КПД составляет 80 — 95 %. Следует отметить ряд важных особенностей ПЭТ: отсутствие обмоток, простоту устройства„низкую стоимость, малую массу, возможность микроминиатюризации для применения в микросхемах, возь1ожность работы как на низких, так и на высоких частотах, большое многообразие конструкций и режимов работы. Недостаток ПЭТ вЂ” отсутствие проводимости для постоянной составляющей тока, что не позволяет применять их в некоторых практических схемах.
10.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ Акустоэлектроника — сравнительно новая область электроники, посвященная теории и практике создания устройств, основанных на акустоэлектронном взаимодействии и служащих для преобразования и обработки сигналов.
Это могут быть преобразования временные !например, задержка сигналов или изменение их длительности), частотные и фазовые !например, преобразование частоты и спектра, фазовый сдвиг), амплитудные !усиление или модуляция), такие сложные преобразования, как кодирование и декодирование, интегрирование и др. Все эти виды преобразо- !бб ванпя находят применение в радиолокации, дальней связи, автоматическом управлении, вычислительной технике н других областях. В ряде случаев акустоэлектронные методы улобнее обычных, чисто электронных, а иногда даже единственно пригодны.
На основе акустоэлектронного взаимодействия могут быть созданы пассивные устройства, например линии задержки, фильтры, и активные — усилители, генераторы, модуляторы и др. В акустоэлектронике для преобразования акустических колебаний в электрические и обратно широко используется прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Таким образом, акустоэлектроннка тесно связана с пьезоэлектроникой. Устройства акустоэлектроники сравнительно просты для изготовления и во многих случаях могут быть выполнены методами, применяемыми в микроэлектронике, в частности методами планарной технологии.
Чтобы познакомиться с акустоэлектронными приборами, необходимо сначала рассмотреть физические принципы акустоэлектронного взаимодействия. Под акустоэлектроннмм взаимодействием понимают взаимолействие ультразвуковых волн частотой от 10 до 10' Гц с электронами проводимости в металлах нли полупроводниках. Ультразвуковые волны, распространяясь в твердом теле, воздействуют на внутри- кристаллические электрические поля. Последние существуют вследствие того, что электрические поля, созданные положительными и отрицательными ионамн в промежутках между атомами и молекулами кристаллической решетки, не скомпенсированы, а напряженность могут иметь большую — 10' В/см и более. Действие ультразвуковых волн состоит в том, что они вызывают колебания кристаллической решетки, а это приводит к изменению напряженности внутрикристаллических полей, которые, в свою очередь, изменяют свое действие на электроны проводимости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
