К.т.н. Белякова І.В., к.т.н. Медвідь В.Р., Пісціо В.П., к.т.н. Шкодзінський О.К.

Тернопільський національний технічний університет імені І. Пулюя, Україна

СЕГНЕТОЕЛЕКТРИКИ В СВІТЛОТЕХНІЦІ

Одним з напрямків в розробці електронних пуско-регулювальних апаратів (ЕПРА) є використання п’єзоелектричних трансформаторів (ПТ).

На сьогодні об'єм продаж пристроїв на основі ПТ, в тому числі і для живлення ЛЛ з холодними і гарячими електродами, ультрафіолетових ламп та ламп з вторинною емісією складає більше 20 млн. штук на рік і постійно зростає.

Рис.1. Конструкція ПТ

Конструкція ПТ (рис. 1) містить не менше трьох електродів товщиною 10…20 мкм, нанесених на поверхню п’єзоелектричної пластини 4. Вхідні електроди 1,2 (збуджувач) використовуються для підведення напруги з частотою механічного резонансу ПТ. Вихідні електроди 3 (генератор) призначені для виведення в коло навантаження трансформованих в електричну напругу механічних коливань. В залежності від напрямку вектора поляризації збуджувача та генератора, розрізняють три основні конструкції ПТ із збудженням коливань в п’єзоелементі:

а) ПТ поздовжно - поздовжного типу (рис.2, а),

б) ПТ поперечно - поздовжного типу (рис.2, б);

в) ПТ поперечно - поперечного типу (рис.2, в ).

ПТ з генератором поздовжного типу (рис. 2, а та рис. 2, б) називають п’єзотрансформатором напруги, коефіцієнт трансформації за напругою якого перевищє 1000.

Рис. 2. Типи ПТ

Коефіцієнт трансформації за напругою у ПТ поперечно-поперечного типу (рис. 2, в) в робочому режимі не перевищує 10. ПТ цього типу відносяться до п’єзоелектричних трансформаторів струму і можуть працювати при значних струмах навантаження (до декількох ампер) [1].

При поданні на збуджувач ПТ змінної напруги в п’єзоелементі за рахунок зворотного п’єзоефекту виникають механічні коливання з частотою прикладеної напруги. На вихідних електродах ПТ за рахунок прямого п’єзоефекту виникає змінна напруга. Зв’язок між збуджувачем та генератором – механічний, гальванічний зв’язок відсутній. Робоча частота ПТ визначається його геометричними розмірами (шириною, довжиною або товщиною) та параметрами самого п’єзоматеріалу.

У вторинних джерелах живлення застосовуються здебільшого ПТ, які мають форму прямокутної (рис. 3, а) або квадратної одношарової пластини, а також диска з електродами у вигляді концентричних кіл (рис. 3, б).

Пристрої з ПТ є напівпровідниковими системами управління (НПСУ), що стабілізують напругу на навантаженні, яке може бути активним або комплексним, а його величина може змінюватися в широких межах [2].

Проста конструкція п'єзоелектричного трансформатора потребує досить складної системи керування, яка обумовлена такими його особливостями, як:

- вузькість резонансної АЧХ,

Рис. 3. Форма ПТ

- залежність коефіцієнту трансформації за напругою та ККД ПТ від частоти вхідної напруги,

- залежність частоти механічного резонансу від температури довкілля,

- залежність вихідної напруги від опору навантаження,

- залежність діелектричної проникності п’єзоелектричної кераміки від температури довкілля, наслідком чого є залежність від температури вхідного та вихідного ємнісного опору ПТ,

- залежність діелектричних втрат в п’єзокераміці від температури довкілля та величини напруженості вхідного електричного поля.

Тому, для збереження розрахованих параметрів ПТ при зміні наванта-ження або температури середовища, необхідно підтримувати частоту напруги живлення рівною частоті механічного резонансу ПТ, а напругу на наванта-женні – на рівні заданої величини, використовуючи систему зворотних зв’язків або системи, які відслідковують зміну одночасно декількох параметрів ПТ.

Одновимірний спосіб управління реалізується схемами, які забезпечують зміну діючого значення робочої гармоніки вхідної напруги ПТ для підтримки необхідної величини вихідної напруги ПТ. Стабілізація вихідної напруги ПТ при двовимірному способі керування забезпечується впливом одночасно по двох каналах, наприклад, амплітудному і частотному. Багатовимірні способи базуються на взаємодії управління по всіх основних каналах управління. Однією з реалізацій цього способу є одночасний вплив на частоту та амплітуду

вхідної напруги ПТ, яка, в свою, чергу є функцією фази вхідного сигналу [3].

Частіше віддають перевагу конструкціям НПСУ з одновимірним та двовимірним способами, які відрізняються простотою та економічністю.

На відміну від НПСУ, які забезпечують стабілізацію вихідної напруги ПТ, ЕПРА працюють в режимі стабілізації струму навантаження.

Використання ПТ для запалювання та стабілізації струму люмінесцентних ламп надає ЕПРА ряд переваг завдяки:

- високій напрузі холостого ходу для запалювання ЛЛ з першої спроби, в тому числі ламп з “холодними електродами” (для ПТ струму коефіцієнт трансформації за напругою в режимі холостого ходу перевищує 10),

- синусоїдальній формі струму лампи, тоді як силовий каскад ЕПРА працює в імпульсному режимі,

- коефіцієнту амплітуди струму ЛЛ, який не перевищує значення Ö 2.

В основному, для запалювання та стабілізації струму ЛЛ ЕПРА використовують ПТ струму. Схеми на основі ПТ дозволяють відмовитися від індуктивних та конденсаторних елементів традиційних ЕПРА, що містять резонансний контур. Окрім того, комутація транзисторних ключів вихідних каскадів ЕПРА на основі ПТ здійснюється при нульовій напрузі, що суттєво знижує втрати потужності при перемиканні.

Серед публікацій зустрічаються статті про використання ПТ в пристроях живлення ламп типу Т-5, Т-8 та ламп з холодним катодом. Так, наприклад, створені на основі ПТ ЕПРА, забезпечують надійну роботу лампи типу Т-5 з ККД 97% та потужністю 30 Вт [4]. В цих ЕПРА стабілізація струму ЛЛ забезпечується самим ПТ за рахунок його спадаючої вольт-амперної характеристики, а запалювання ЛЛ здійснюється в режимі холостого ходу ПТ за рахунок високого коефіцієнту трансформації за напругою в цьому режимі.

В конструкції ЕПРА [5], який забезпечує роботу ЛЛ з “гарячими електродами”, ПТ використовується не в двох, а в трьох режимах роботи ЛЛ:

- підігріву електродів ЛЛ, коли ПТ навантажується низькоомним опором електродів ЛЛ. Цей режим є близьким до режиму короткого замикання ПТ;

- запалювання ЛЛ, коли після розмикання контактів стартера на лампу

подається висока напруга холостого ходу ПТ (режим холостого ходу ПТ);

- стабілізації струму ЛЛ, який, за розрахунками, має відповідати режиму максимального ККД ПТ.

Типова конструкція такого ЕПРА з ПТ повинна містити:

- перетворювач напруги (частоти), схема якого реалізує один із відомих способів керування ПТ,

- функціональний елемент чи пристрій для усунення температурного впливу на параметри ПТ,

- пристрій захисту, призначений для відключення ЕПРА в аварійних режимах роботи ПТ (тривалих режимах холостого ходу та попереднього нагріву електродів лампи),

- електронний стартер, який забезпечує попередній нагрів електродів ЛЛ, що значно подовжує термін використання лампи.

Проведений аналіз конструкцій ПТ та схем ЕПРА на їх основі дозволяє стверджувати, що розробка ЕПРА на базі ПТ залишається на даний час актуальною.

ЛІТЕРАТУРА

1. Карташов И.А. Пьезоэлектрические трансформаторы тока / И.А. Карташов, Н.Б. Марченко. –Киев: Техника, 1968.-176 с.

2. Ерофеев А.А. Пьезоэлектронные устройства автоматики/ Ерофеев А.А. -Ленинград: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982.-212 с.

3. Расчет пьезотрансформатора для стабилизации разряда в люминесцентных лампах / В.Р. Медвидь, Н.Г. Тарасенко. // Светотехника.-1987.- №12. -С. 11-14.

4. Новые области применения пьезотрансформаторов / В.М. Климашин, В.Г. Никифоров, А.Я. Сафронов, В.К. Казаков. //Компоненты технологии. – 2004. -№1. – С. 56-59.

5. Патент України на корисну модель № 75202 "Освітлювальний пристрій" Автори: Медвідь В.Р.; Белякова І.В.; Пісціо В.П.; Шкодзінський О.К. Заявник та власник ТНТУ імені І. Пулюя. Пріоритет від 26.11.2012.