Исследование характеристик источников питания с пьезотрансформаторами

     2  ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ  ПИТАНИЯ С ПЬЕЗОТРАНСФОРМАТОРАМИ 

     2.1 Исследования принципиальных возможностей создания ЗУ и систем питания люминесцентных ламп 

     Применение  пьезотрансформаторов является перспективным  направлением в области электроники. Они широко применяются в современной светотехнической аппаратуре и приборах. Пьезотрансформаторы позволяют минимизировать габариты устройств зажигания и питания различного класса газоразрядных ламп, создать высокоэффективные высокочастотные источники питания с КПД до 95%., обеспечивающие повышение долговечности ламп в 5 – 10 раз и светоотдачу более чем в 1.4 раза. Применение пьезотрансформатора обеспечивает два режима зажигания и питания ламп, позволяет отказаться от индуктивных , конденсаторных и некоторых активных компонентов в источниках питания и, соответственно, повысить надежность и снизить себестоимость изделий.

       Некоторые фирмы занимаются созданием  новых разработок с применением  пьезотрансформаторов. Например, предприятие  «ЭЛПА» исследовала принципиальную возможность создания ЗУ и систем питания люминесцентных ламп. Современная элементная база, значительная эволюция в области пьезотехники, новые конструктивные решения по оптимизации параметров пьезотрансформаторов, а также разработка новых высокоэффективных супертонких люминесцентных ламп типа Т-5 и Т-8 с диаметром разрядной колбы 16 мм, которые работают в высокочастотных режимах, позволяют сформировать и реализовать высокоэффективные источники включения и питания люминесцентных ламп на одном пьезотрансформаторе. В последние годы за рубежом опубликован цикл работ, в которых обосновано применение пьезотрансформаторов в различных устройствах питания люминесцентных ламп - типа Т-5, Т-8 и ламп с холодным катодом.

     Был проведен ряд экспериментов в  этой области. Теоретические исследования сопоставлялись с экспериментальными результатами. Получено удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных результатов, что позволяет осуществлять расчет оптимальных конструкций пьезотрансформаторов под конкретные условия работы. Теоретически и экспериментально показана зависимость входной и выходной мощности, входного и выходного напряжения, коэффициента трансформации и КПД от частоты и величины нагрузки. Причем, максимальным значениям этих величин соответствуют различные значения выходной нагрузки. Максимальные значения электрических параметров имеют место на резонансной частоте, которая определяется его конструкцией и используемым пьзокерамическим материалом. Зависимость основных параметров от частоты позволяет управлять ими путем частотной модуляции.   

               Следует отметить, что пьезотрансформаторы  Розена, имеющие низкое значение  выходных токов, могут быть  использованы в устройстве зажигания  газоразрядных ламп и системах  питания лампы со значениями рабочих токов 5–10 мА, то есть люминесцентных ламп с холодным катодом.  

     Рассматривалась традиционная схема электронного ПРА  со сложным резонансным контуром и схема на основе пьезотрансформатора. Применение пьезотрансформатора позволяет  отказаться от индуктивных и конденсаторных компонентов, используемых в обычных ЭПРА, что повышает надежность ЭПРА и снижает его себестоимость. При работе пьезотрансформатора коммутация в балластной цепи осуществлялась в режиме ZVS (коммутация при нулевом напряжении), что существенно снижает потери в ключе. Кроме того, внутренняя входная емкость пьезотрансформатора улучшает работу мостовых ключей, так как работает в качестве демпфера.

               Указанные технические решения  позволили создать ЭПРА на  пьезотрансформаторе, обеспечивающим выходную мощность 32 Вт (частота 81 кГц), КПД 90% при питании от сети 110 В 60 Гц для питания Т-8 длиной 120 см. В ЭПРА использовалась конструкция пьезотрансформатора, имеющего форму квадрата, с малым коэффициентом трансформации с выходной мощностью до 40 Вт. Создана и исследована ЭПРА на основе пьезотрансформатора, работающая на частоте 65–69 кГц, обеспечивающая надежную работу люминесцентной лампы типа Т-5 с КПД 97% и мощностью 30 Вт.

     Рис. 2.1 - Принципиальная схема измерений параметров ЗУ на основе пьезотрансформаторов, а также газоразрядных ламп 

               Для высоковольтных ЗУ газоразрядных  ламп и люминесцентных ламп  с холодным катодом исследовался  пьезотрансформатор Розена, который  обеспечивает высокие выходные  напряжения и выходную мощность до 6 Вт.

     Конструкция пьезотрансформатора Розена представляла собой брусок длиной 50, толщиной 12 и  шириной 3–5 мм, изготовленный из пьезокерамического материала типа ЦТС-43. Половина (входная  секция) трансформатора поляризована в направлении толщины, а другая (выходная секция) поляризована в направлении длины. Два электрода расположены на лицевых поверхностях входной секции, а третий электрод — на торцевой стороне выходной секции. Электроды наносились на поверхность методом вжигания серебряной пасты. Толщина серебряного электродного покрытия — 6–10 мкм. После поляризации, режим которой обеспечивает приобретение пьезотрансформатором требуемых пьезоэлектрических характеристик, к электродам припаивались входные и выходные электрические контакты (из медной проволоки диаметром 2 мм) с помощью припоя типа ПСР2. Исследования проводились на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 2.1. С помощью звукового генератора осуществлялась настройка на его резонансную частоту 66 кГц. Слабый сигнал усиливался усилителем мощности и подавался на входную секцию пьезотрансформатора. Контроль частоты осуществлялся частотомером. Напряжение на входе измерялось вольтметром В3-38, на выходе — киловольтметром С-50. С помощью токовых шунтов на входной секции (R = 10 Ом) и на выходной секции (R = 1 Ом) измерялся ток во входной и выходной цепи пьезотрансформатора. Исследовалась партия пьезотрансформаторов 50E12E3,5 в количестве 10 шт. Исследования проводились в режиме холостого хода и при подключении на выход пьезотрансформатора нагрузки вместо газоразрядной лампы. На рис. 2.2, 2.3 приведена зависимость выходного напряжения и входного тока в режиме холостого хода от входного напряжения. Приведены данные, усредненные по измерениям 10 образцов. Разброс от образца к образцу не превышал ±3%.

     Рисунок 2.2 - Зависимость выходного напряжения и входного тока в

     режиме  холостого хода от входного напряжения

     Рисунок 2.3 - Зависимость напряжения на выходе и входного тока от

     величины  нагрузки (входное напряжение 30 В, частота 66 кГц) 

               В измеренном диапазоне наблюдается  практически линейная зависимость  выходного напряжения и входного  тока от входного напряжения. Это позволяет рассчитать режим  работы пьезотрансформатора в  ЗУ газоразрядных ламп по нормированному  значению напряжения зажигания конкретного типа газоразрядной лампы.

               На рис. 2.4 представлены результаты измерений КПД и коэффициента трансформации от выходной проводимости. 

     Рисунок 2.4 - Зависимость кпд и коэффициента трансформации от

     входной проводимости 
 

               Зависимость носит нелинейный  характер и может быть аппроксимирована  для КПД в виде  

     у = ах²+dх–к, 

     а для коэффициента трансформации  в виде экспоненты: 

     у=А  

               Следует отметить, что существует  минимальное значение нагрузки, при котором значение КПД имеет максимальное значение. Данная закономерность позволяет для каждого конкретного типа лампы (ее импеданса) рассчитать оптимальную конструкцию пьезотрансформатора, позволяющую осуществить в режиме поджига газоразрядных ламп переход от режима самопробоя (режим холостого хода) в режим маломощной высокочастотной «дежурной» дуги. В таблице 1 приведены результаты исследований различных типов газоразрядных ламп.

     Таблица 2.1 - Параметры ЗУ на основе пьезотрансформаторов для поджига газоразрядных ламп

               Результаты исследований подтверждают  возможность создания 3У для газоразрядных  ламп. В начальный период при  работе ламп в холостом состоянии  пьезотрансформатор обеспечивает оптимальное значение напряжения самопробоя разрядного промежутка при минимальном значении тока. С развитием канала разряда и соответствующем снижении сопротивления лампы пьезотрансформатор автоматически уменьшает значение величины напряжения и увеличивает ток. В этом режиме он обеспечивает стабильность поддержания режима горения лампы на высокой частоте, аналогичную включению лампы в режиме «маломощной дежурной дуги». Маломощная дежурная дуга обеспечивает более стабильное положение столба разрядов в пространстве и стабилизирует пятно разряда на катоде, снижает распыление электродов, повышает ресурс работы лампы. Помимо внутреннего поджига возможно создание ЗУ на базе пьезотрансформатора для внешнего поджига газоразрядных ламп. Были проведены исследования возможности поджига ламп накачки лазеров и дуговых ламп при подаче напряжения от пьезотрансформатора на нихромовую проволоку, намотанную на колбу лампы. Лампы уверенно поджигались при напряжении 1,5–2 кВ. Однако, как показали исследования, длина провода от ЗУ до колбы лампы должна быть минимальной. Измерения зависимости напряжения на лампе от длины провода показали, что при длине более 250 мм емкость проводника составляет 50% значения выходной емкости пьезотрансформатора, и на высокой частоте в проводнике возникают потери. Для снижения потерь можно осуществить поджиг лампы высоковольтным выпрямленным напряжением при включении между выходом пьезотрансформатора и лампой схемы удвоения напряжения на двух высоковольтных диодах. Результаты исследований подтверждают возможности создания ЗУ для газоразрядных ламп на базе пьезотрансформатора, которые имеют перед традиционными ЗУ ряд преимуществ:

             •    обеспечивают минимизацию габаритов и веса;

             • невосприимчивы к электромагнитным  полям и не требуют экранировки;

             •  устойчивы к возникновению короткого замыкания, пожаробезопасны.

             • высокая гальваническая развязка  позволяет включить ЗУ непосредственно  в цепь питания лампы и поддерживать  в лампе непрерывно высокочастотную  маломощную дугу. В настоящее время одними из наиболее динамично развивающихся электронных устройств являются тонкие дисплеи с ЖК-экранами (типа FED). Одним из требований является разработка миниатюрного высоковольтного источника питания люминесцентных ламп с холодным катодом для подсветки экранов мощностью до 9 Вт в объеме, не превышающем 20 см3. Ассортимент ламп с холодным катодом, выпускаемых за рубежом для подсветки ЖК экранов 8 приведен в таблице 2 (номинальное значение тока 5 мА). Высокие напряжения поджига и рабочие напряжения в лампах с холодным катодом можно обеспечить с помощью пьезотрансформатора Розена (выходная мощность до 10 Вт). Исследовалась возможность применения пьезотрансформатора 50×12×3,5 в схеме питания люминесцентной лампы с холодным катодом (рис. 2.1). Объектом исследований была люминесцентная лампа с холодным катодом (диаметр 2 мм, длина разрезного промежутка 235 мм), применяемых для подсветки ЖК-экрана ноутбука фирмы Toshiba - 105 CS/528.

     На  рисунке 2.5 представлен пример схемы  включения пьезотрансформатора  для поджига лампы подсветки  дисплея.

     Рисунок 2.5 -  Схема включения пьезотрансформатора  для поджига лампы подсветки  дисплея

               Расчет показывает, что сопротивление  лампы в номинальном режиме  работы (напряжение на лампе 610 В, ток 5 мА) составляет 120 кОм. Напряжение зажигания лампы не менее 1100 Вт. Из анализа данных обследований пьезотрансформатора (рис. 2.2, 2.3) следует, что в режиме холостого хода он обеспечивает надежное зажигание лампы и в номинальном режиме работы лампы (сопротивление 120 кОм) обеспечивает напряжение горения 750–800 Вт. При заданном значении входного сопротивления КПД трансформатора имеет величину, близкую к максимальному значению ~90 (рис. 10), при этом значение импеданса трансформатора было сравнимо с величиной нагрузки. При включении лампы в схему (рис. 2.1) исследовалась вольтамперная характеристика. Время выхода лампы на режим составляло ~0,2 с. Минимальное значение напряжения зажигания — 950 В, напряжение горения - 640 В, ток — 4,8 мА, КПД составил 92% при входном напряжении 27 В. Исследования подтвердили возможность создания ЭПРА на основе пьезотрансформаторов типа Розена для люминесцентных ламп с холодным катодом (мощностью до 10 Вт), обеспечивающих надежную работу ламп с КПД не менее 92% на частотах в диапазоне 60–80 кГц. Применение пьезотрансформатора позволяет создать ЭПРА с минимальными габаритами и весом, исключает применение ряда электронных компонентов, используемых в традиционных ЭПРА, повышает надежность, обеспечивает эффективную работу с КПД не менее 92%. Высокая частота обеспечивает увеличение яркости ламп на 10~15%. Резонансный характер ЭПРА на основе пьезотрансформатора позволяет за счет изменения частоты управлять параметрами лампы, в частотности варьировать мощность на лампе и тем самым регулировать яркость в диапазоне от 200:1 до 2000:1. Этот режим используется при работе ламп в качестве источника подсветки ЖК - экранов.

               Фронтальный переход при разработке  и производстве большинства световых  приборов для внутреннего освещения  на тонкие прямолинейные люминесцентные лампы типа Т-5, которые работают только с ЭПРА, требует разработки качественных ЭПРА для этих высокоэффективных ламп. Как было показано выше, возможно использовать пьезотрансформатор с поперечно-поперечной поляризацией в ЭПРА для люминесцентных ламп типа  Т-5 мощностью до 50 Вт. Исследуемый в данной работе пьезотрансформатор представляет собой монолитную конструкцию в виде прямоугольного бруска (30×30×2,5 мм), изготовленного из пьезокерамического материала типа ЦТБС.

               Серебряные электроды были нанесены на плоскости пьезотрансформатора. Толщина слоя — 6–12 мкм. На внешнюю сторону наносилось покрытие общего электрода на всю поверхность с отступлениями от края 1–1,5мм. На внешнюю поверхность с помощью специального трафарета наносился электрод выходной секции в виде круга (диаметром 13,5 мм). Поляризация осуществлялась по толщине пьезотрансформатора. Габаритные размеры пьезотрансформатора: L = 30 мм, B = 30 мм, H-2,5 мм, D+15,5мм, d+13,5мм. На рис. 2.6 представлена принципиальная схема включения пьезотрансформатора и ламп типа Т-5.

     Рисунок 2.6 -  Принципиальная схема включения пьезотрансформатора

     и ламп типа Т-5. 

               Предварительно были проведены  исследования работы пьезотрансформатора  на эквивалентную нагрузку. Значение эквивалентной нагрузки определялось расчетным путем. Расчетные значения сопротивления ламп типа Т-5 при работе их в номинальном режиме составляли для ламп 6.28 Вт соответственно от 600 до 1500 Ом. Звуковым генератором осуществлялась настройка пьезотрансформатора на резонансную частоту в диапазоне 60–70 кГц. Сигнал усиливался усилителем мощности и подавался на входную секцию пьезотрансформатора. Контроль частоты осуществляется частотомером. Напряжение на входе и выходе измерялось вольтметром типа В 3-38. С помощью токовых щитов на входной (R = 10,0 м) и выходной (R = 1,0 м) секциях измерялся входной и выходной ток. Зависимость коэффициента трансформации от частоты для различных значений сопротивления нагрузки приведена на рис. 2.7. 

     Рисунок 2.7 -  Зависимость коэффициента трансформации от частоты 

     С увеличением сопротивления нагрузки растет коэффициент трансформации. Зависимость аналогична для пьезотрансформатора  Розена. Зависимость КПД от сопротивления  нагрузки показывает, что для данной конструкции пьезотрансформатора имеется оптимальное значение сопротивления, при котором значение КПД максимальное и составляет 95%.  
 
 

     Рисунок 2.8 -  Зависимость кпд от сопротивления нагрузки 

     Оптимальное значение сопротивления нагрузки соответствует значению импеданса выходной секции пьезотрансформатора. Наблюдается линейная зависимость (рис. 2.9) выходной мощности от входного напряжения при различных значениях сопротивления нагрузки. Исследовались предельные значения мощности пьезотрансформатора при работе на оптимальную нагрузку. 

     Рисунок 2.9 -  Зависимость выходной мощности от входного

     напряжения

     С помощью термопары определялась температура на поверхности выходной секции пьезотрансформатора. Результаты зависимости температуры на поверхности пьезотрансформатора от мощности, рассеянной на выходной секции, показывают, что значение предельной мощности 44 Вт вызывает нагрев пьезотрансформатора до температуры 50 °С. В течение 30 мин это значение не увеличивалось. При включении ламп типа Т-5 (GEF8W/ Т5/33, GEF13W/Т5/SL) проводились измерения основных эксплуатационных параметров ламп, результаты которых представлены в таблице 2.2.

              Таблица 2.2 - Основные параметры ламп типа Т-5 с ЭПРА на основе пьезотрансформатора 

               Время выхода лампы на номинальный  режим горения составляет 0,2–0,3 с  без предварительного подогрева. Таблица 2.2 - Основные параметры ламп типа Т-5 с ЭПРА на основе пьезотрансформатора Анализ результатов исследований показывает, что возможно создание нового поколения высокоэффективных высокочастотных ЭПРА для питания ламп типа Т-5 при оптимизации конструкции пьезотрансформатора под конкретную лампу, сопротивление которой равно выходному импедансу пьезотрансформатора. В общем случае выходной импеданс пьезотрансформатора может быть подстроен путем изменения емкости выходной секции пьезотрансформатора - варьированием размеров выходного электрода. Другим важным требованием является необходимость обеспечения требуемого коэффициента трансформации как в режиме зажигания, так и в установившимся режиме. Изменение коэффициента трансформации достигается путем изменения соотношения площадей входного и выходного электродов. Кроме того, коэффициент трансформации и КПД линейно зависят от параметров пьезокерамического материала (коэффициента электромеханической связи, относительной диэлектрической проницаемости, механической добротности). Основные параметры, которые обеспечивает пьезотрансформатор в схеме его включения с лампой Т-5, -  напряжение и ток показывают возможность его применения в схемах включения ламп тлеющего разряда для световой рекламы мощностью от 15 до 40 Вт (диаметр колбы ламп 10–18 мм). Оптимизация конструктивных параметров для конкретной лампы типа Т-5 позволяет создать высокоэффективные высокочастотные ЭПРА с КПД не менее 95%, не требующие предварительного подогрева, снизить стоимость и уменьшить сложность схем электронного балласта и тем самым расширить рынок их реализации.   

     2.2 Исследования многослойных пьезотрансформаторов 

     Исследования  проводились на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.9. С помощью низкочастотного генератора сигналов осуществлялась настройка пьезотрансформаторов на резонансную частоту. Контроль частоты осуществлялся частотомером Ч3 - 34.  

     Рисунок 2.9  -  Принципиальная схема исследования пьезотрансформаторов

     С помощью звукового генератора осуществлялась настройка на его резонансную  частоту. Слабый сигнал усиливался усилителем мощности и подавался на входную секцию пьезотрансформатора. Контроль частоты осуществлялся частотомером. Напряжение на входе измерялось вольтметром В3-38 В, на выходе — вольтметром В3-38 Б. С помощью токового шунта на входной секции (R = 10 Ом) и делителя в выходной секции (R3 = 10 кОм и R3 = 100 МОм) измерялся ток и напряжение во входной и выходной цепи пьезотрансформатора. Измерения на выходе на делителе проводились с помощью  вольтметра В3 – 55А. В качестве нагрузки использовалось 100 МОм сопротивление.

       В качестве исследуемых образцов  использовались поперечно-продольные  пьезотрансформаторы с многослойным  возбудителем. Потому что, поперечно-продольный пьезоэлектрический трансформатор имеет максимальный коэффициент трансформации имеет. Следует учесть, что детали корпуса, в который заключен трансформатор, так же создают потери на излучение за счет их более высокой диэлектрической проницаемости (по сравнению с воздухом). Например, приближение к тому же трансформатору пластины из оргстекла уменьшает коэффициент трансформации на 5%. Эти потери можно уменьшить за счет уменьшения поверхности генератора. Для этого сечение генератора выполняют в форме, близкой к квадрату или кругу, и применяют многослойный возбудитель.

     Исследования проводились нескольких образцов многослойных пьезотрансформаторов. Использовались следующие образцы, представленные в таблице 2.3 

     Таблица 2.3 – Пьезотрансформаторы многослойные 

     В результате были получены следующие  характеристики: