Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения

Полезная модель относится к электронике и может быть использована в радиотехнике для преобразования переменного напряжения определенной частоты. Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения представляет собой структуру, состоящую из катушки индуктивности, намотанной на конденсатор, в качестве диэлектрика которого используется объемный феррит-пьезоэлектрический материал в форме пластинки, геометрические размеры которой соответствуют условию механического резонанса. При подаче на конденсатор переменного напряжения в пьезоэлектрической фазе диэлектрика создаются механические деформации, которые передаются в ферритовую фазу, где, вследствие магнитострикции, возникает переменная намагниченность, которая индуцирует ЭДС в намотанной на образец катушке индуктивности. При совпадении частоты переменного напряжения с частотой механического резонанса пластинки диэлектрика имеет место пиковое увеличение выходного напряжения, в результате чего происходит преобразования напряжения в узкой полосе частот, ширина которой определяется добротностью структуры. Техническим результатом является упрощение конструкции прибора, возможность выделения узкой полосы преобразования напряжения и уменьшение потери энергии во входной цепи. 1 ил.

Полезная модель относится к электронике и может быть использована в радиотехнике для преобразования переменного напряжения определенной частоты. Работа узкополосного магнитоэлектрического трансформатора напряжения основана на резонансном увеличении инверсного магнитоэлектрического эффекта.

В классическом исполнении трансформатор напряжения состоит из магнитопровода, с намотанными на него двумя электрическими обмотками. Передача энергии из одной цепи в другую производится благодаря явлению взаимной индукции [см. Л.А.Бессонов "Теоретические основы электротехники". Издание девятое переработанное и дополненное. Москва, "Высшая школа", 1996 г., 639 с.]. Коэффициент трансформации определяется только соотношением количества витков упомянутых обмоток (за вычетом потерь).

Многофункциональность трансформаторов, различные принципиальные схемы и конструкции приборов, в которых они применяются, обусловили большое их разнообразие по электрическим и конструктивным данным.

К общим недостаткам трансформаторов следует отнести громоздкость элементов конструкции, связанную с наличием двух обмоток - первичной и вторичной.

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является магнитоэлектрический трансформатор, содержащий слоистую структуру, состоящую из механически связанных между собой пьезоэлектрической и двух магнитострикционных пластинок и намотанную на них катушку индуктивности. На торцевые поверхности пьезоэлектрической пластинки нанесены тонкие металлические контакты. [cм. S.Dong, J.F.Li, D.Viehland, J.Cheng, L.E.Cross A strong magnetoelectric voltage gain effect in magnetostrictiv-piezoelectric composite // Applied Physics Letters, 2004, v.85, 16, p.3534].

Недостатком прототипа является то, что входной цепью прибора является катушка индуктивности с малым активным сопротивлением, вследствие чего во входной цепи протекает большой электрический ток, приводящий к значительным потерям энергии. Кроме того, диэлектрик конденсатора выполнен в виде трехслойной структуры, состоящей из механически связанных между собой двух ферритовых и одной пьезоэлектрической пластинок, что создает трудности при изготовлении и снижает механическую прочность структуры. Задачей полезной модели является упрощение конструкции прибора, снижение электрических потерь во входной цепи и выделение узкой полосы преобразования напряжения.

Для решения данной задачи предложен узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения, состоящий из катушки индуктивности, намотанной на конденсатор, диэлектриком которого является образец из феррит-пьезоэлектрического композита в форме пластинки, геометрические размеры которой соответствуют условию механического резонанса.

Для пояснения предлагаемой полезной модели предложен чертеж, где изображен общий вид магнитоэлектрического трансформатора напряжения.

Устройство представляет собой магнитоэлектрический конденсатор, изготовленный из композиционного феррит-пьезоэлектрического материала в форме пластинки 1, на нижней и верхней поверхности которого нанесены тонкие металлические контакты 2, предназначенные для подачи входного сигнала. На конденсатор намотана катушка индуктивности 3, содержащая N витков.

Устройство работает следующим образом: к электродам прикладывается переменное напряжение частотой f, создающее в пьезоэлектрической фазе вынужденные механические деформации. Эти деформации, посредством механического взаимодействия, передаются в ферритовую подсистему, где, вследствие магнитострикции, возникает переменная намагниченность, приводящая к изменению магнитного потока, пронизывающего намотанную на образец катушку, что приводит к возникновению ЭДС индукции. При совпадении частоты входного электрического напряжения с частотой механического резонанса пластинки наступает резонансное увеличение амплитуды вынужденных колебаний, приводящее к пиковому увеличению амплитуды выходного напряжения. Полоса частот, соответствующая резонансному увеличению выходного напряжения, определяется добротностью структуры, а резонансная частота f_res связана с длиной пластинки L соотношением где - плотность пластинки, s₁₁ - модуль податливости.

В отличие от прототипа, магнитоэлектрическая система представляет собой не трехслойную структуру, а объемный феррит-пьезоэлектрический композит, что приводит к упрощению конструкции и улучшению ее механических свойств. Длина пластинки имеет не произвольные, а жестко связанные с частотой размеры что обеспечивает резонансное увеличение эффекта и выделение узкой полосы частот преобразования напряжения. Кроме того, управление осуществляется не магнитным, а электрическим полем, что позволяет заменить катушку индуктивности во входной цепи на конденсатор малой емкости, что приводит к уменьшению потерь энергии.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет упростить конструкцию прибора, выделить узкую полосу преобразования напряжения и уменьшить потери энергии во входной цепи.

Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения, представляющий структуру из катушки индуктивности и конденсатора, отличающийся тем, что катушка индуктивности намотана на магнитоэлектрический конденсатор, диэлектриком которого является объемный феррит-пьезоэлектрический композиционный материал в форме пластинки, геометрические размеры которой соответствуют условию механического резонанса, причем конденсатор включен во входную цепь, а выходное напряжение снимается с катушки индуктивности.