І.В. Белякова, В.Р. Медвідь, В.П. Пісьціо, О.К. Шкодзінський

(Тернопільський національний технічний університет

імені І. Пулюя, Україна)

П’ЄЗОТРАНСФОРМАТОР СТРУМУ В СХЕМАХ БЕЗСТАРТЕРНОГО УВІМКНЕННЯ ЛЮМІНЕСЦЕНТНИХ ЛАМП

П’єзоелектричні трансформатори (ПТ) за своїми характеристиками аналогічні електромагнітним трансформаторам з розсіюванням, тому можуть використовуватися в електронних пускрегулюючих апаратах (ЕПРА) як в схемах стартерного, так і безстартерного ввімкнення люмінесцентних ламп (ЛЛ) [1-6].

Проведено дослідження впливу зміни параметрів навантаження, напруги та частоти джерела живлення на параметри п’єзотрансформатора, які враховують як особливості самого ПТ, так і нелінійного навантаження, яким є люмінесцентна лампа в пусковому та робочому режимах роботи.

Досліджувався п'єзотрансформатор струму з додатковими (підігрівними) секціями для навантаження електродами ЛЛ, що працював на 2-й моді поперечних коливань (рис. 1).

Рис. 1. Конструкція п'єзотрансформатора струму безстартерного типу для запалювання та стабілізації розряду ЛЛ:

1- вхідна секція, 2- вихідна секція, 3, 3' - підігрівні секції, 4- спільний електрод

Вихідна секція ПТ навантажувалася активним опором R_н, величина якого змінювалася, а підігрівні секції - постійним опором, еквівалентним опору електродів ЛЛ на робочій частоті п’єзотрансформатора. На вхід ПТ подавалася синусоїдна напруга з частотою резонансу, який фіксувався по максимуму вихідної напруги.

При певному заданому значенні вхідної напруги U_вх вимірювалися:

- вихідна напруга п’єзотрансформатора U_н,

- вихідний І_н та вхідний струм І_вх ,

- кут зсуву між вхідною напругою та вхідним струмом φ,

- резонансна частота f_р,

- напруга на виході підігрівних секцій U_ел.

Розрахунковим шляхом визначалися:

- вхідна Р_вх та вихідна Р_н потужності ПТ,

- соs φ,

- ККД η,

- коефіцієнт підсилення за напругою на навантаженні К_u,

- коефіцієнт підсилення за напругою на підігрівних секціях К_{u ел}.

Отримані залежності приведені на рис. 2 - рис. 9.

На рис. 2 подані навантажувальні характеристики ПТ при різних значеннях вхідної напруги U_вх та постійному навантаженні підігрівних секцій. Характеристики є лінійними при напруженостях вхідного електричного поля А_вх до 10 В/мм. Із збільшенням вхідної напруги нелінійність характеристик зростала, що пояснюється збільшенням втрат в ПТ через зростання механічних напружень в п’єзокерамічній пластині.

На рис. 3 подано залежності вхідного струму І_вх від вихідного струму І_н при різних значеннях вхідної напруги U_вх. Отримані характеристики лінійні при значеннях вхідної напруги до 15 В (відповідає напруженості електричного поля 7,5 В). Їх нелінійність проявляється при вхідних напругах 15...45 В, що є максимально допустимими для даної конструкції ПТ.

Рис.2 Залежності напруги U_н від Рис.3 Залежності струму І_вх ПТ від

струму І_н при різних значеннях U_вх струму І_н при різних значеннях U_вх

На рис. 4 зображені залежності вихідної напруги підігрівної секції U_ел від струму навантаження генераторної секції І_н ПТ при зміні вхідної напруги U_вх.

Характеристики є лінійними в заданому діапазоні зміни вхідної напруги, що пояснюється невеликими, порівняно із значенням струму навантаження вихідної секції ПТ, величинами струмів підігріву електродів ЛЛ, а також тим, що підігрівні секції працюють не в режимі максимального ККД. Опір навантаження підігрівної секції менший за її власний ємнісний опір (в два і більше разів, в залежності від типу ЛЛ), тобто режим її роботи наближений до режиму короткого замикання, в якому вихідна напруга ПТ практично не змінюється при зміні струму навантаження.

Рис.4 Залежності напруги U_ел від Рис. 5 Залежності резонансної частоти f_р

струму І_н при різних значеннях U_вх від струму І_н при різних значеннях U_вх

Тому, навантажувальні характеристики самого ПТ при навантаженнях, близьких до короткого замикання, є практично лінійними.

Залежність резонансної частоти f_р від струму навантаження вихідної секції І_н, яку представлено на рис. 5, має нелінійний характер. З графіків видно, що резонансна частота нелінійно спадає із збільшенням струму, причому її зміна не залежить від величини вхідної напруги і лежить в межах 1 % від значення резонансної частоти в режимі холостого ходу ПТ.

На рис. 6 показано залежності вихідної потужності п’єзотрансформатора Р_н від вихідного струму генераторної секції І_н та опору навантаження R_н.

Характеристики мають максимум при кожному значенні U_вх, причому цей максимум відповідає одному і тому ж значенню опору навантаження вихідної секції R_н, що дорівнює номінальному опору ЛЛ на резонансній частоті ПТ. Такий опір навантаження генераторної секції відповідає режиму максимального ККД п’єзотрансформатора.

Рис. 6 Залежності потужності Р_н від Рис. 7 Залежності потужності Р_ел від

величини R_н при різних значеннях струму І_н при різних значеннях

напруги U_вх напруги U_вх

Графіки, подані на рис. 7, відображають залежність вихідної потужності підігрівної секції Р_ел від струму навантаження генераторної секції І_н при зміні напруги U_вх. Залежність має нелінійний характер і практично не змінюється із зростанням вхідної напруги в діапазоні 15...45 В.

Проводилися також дослідження коефіцієнту трансформації K _u вихідної секції від величини струму І_н, результати яких приведено на рис. 8. Із залежностей видно, що коефіцієнт K _u спадає лінійно із ростом струму І_н при вхідній напрузі до 20 В. При збільшенні напруги U_вх нелінійність характеристик стає суттєвою, що пояснюється зростанням втрат в ПТ.

Рис. 8 Залежності K _u від струму І_н Рис. 9 Залежності K_{u ел} від струму І_н

при різних значеннях напруги U_вх при різних значеннях напруги U_вх

На відміну від залежності K_u від І_н , коефіцієнт трансформації підігрівних секцій K_{u ел} (рис. 9) має лінійну залежність від струму І_н, причому його значення зростає із збільшенням величини струму, але це зростання спадає із збільшенням вхідної напруги U_вх п’єзотрансформатора.

Таким чином, параметри ПТ є незмінними лише в слабких електричних полях (до 10 В/мм). При величинах А_вх, що перевищують 10...15 В/мм, спостерігаються нелінійні залежності електричних параметрів ПТ, основні з яких U_вих=f(А_вх), К_u=f(A_вх), f_р=f(A_вх), І_н=f(A_вх) та ін. Нелінійність цих параметрів пояснюється нелінійною залежністю між компонентами електричних і механічних змінних та появою вищих гармонік в кривій струму, крім основної, а також в залежності параметрів ε, d, tgδ п’єзокераміки від А_вх.

Збільшення втрат в ПТ при значеннях напруженості А_вх, що перевищують 10...15 В/мм, призводить до зростання температури п’єзотрансформатора, і, як наслідок, до зміни вихідних електричних параметрів ПТ (І_н, U_н, P_н).

При постійному значенні вхідної напруги величина U_вих ПТ спадає із зменшенням опору навантаження. Залежність є практично лінійною при значеннях вхідної напруги до 15 В. Нелінійність вихідної характеристики спостерігається вже при U_вх ≥15 В (А_вх≥7,5 В/мм).

При розрахунку параметрів ПТ з підігрівними секціями для його вихідної секції слід вибрати режим макисмального ККД, а для підігрівних секцій - режим максимальної потужності (другий узгоджений режим).

ЛІТЕРАТУРА

1. Пьезоэлектричество в светотехнике / М.Е.Клыков, В.Р.Медвидь, Н.Г.Тарасенко, В.А.Шевченко, Р.Ю.Яремчук // Светотехника.-1986.- №4.- С. 11-13.

2. О работе пьезотрансформатора с люминесцентной лампой / А.Т.Булгаков, М.Е.Клыков, В.Р.Медвидь, Н.Г.Тарасенко, Р.Х.Хафизов, В.А.Шевченко // Светотехника.-1987.- №2. -С. 20-21.

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

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

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

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