الغرض من المحولات الخزفية الكهرضغطية

                            مبدأ المحول الخزفي الكهرضغطي
المحول الخزفي الكهرضغطي هو نوع جديد من أجهزة الرقائق التي تحقق مدخلات الجهد المنخفض ومخرجات الجهد العالي من خلال تحويل الطاقة الثانوية للطاقة الكهربائية --- الطاقة الميكانيكية --- الطاقة الكهربائية. يحتوي هيكلها الأساسي على العديد من الأشكال وفقًا للشكل والقطب واتجاه الاستقطاب، والتي يعتبر المحول الكهرضغطي ذو هيكل الصفائح الطويلة هو الأكثر استخدامًا. هيكلها بسيط، وسهل التصنيع، ولها نسبة تصعيد عالية.

بالمقارنة مع المحولات الكهرومغناطيسية التقليدية، فإن المواد والهيكل وتكنولوجيا المعالجة ومبدأ العمل للمحولات الخزفية الكهرضغطية مختلفة. المواد الرئيسية المستخدمة في المحولات الكهرومغناطيسية هي المواد المغناطيسية والمواد الموصلة، والتي تستخدم كنواة ولف الهيكل، على التوالي، وشكل تحويل الطاقة هو كهربائي-مغناطيس-كهربائي. المواد الرئيسية المستخدمة في محولات السيراميك الكهرضغطية هي المواد الخزفية الكهرضغطية الثنائية (PZT) مثل تيتانات زركونات الرصاص والمواد الخزفية الكهرضغطية الثلاثية حلقة Pzt السيراميكية الانضغاطية (PCM، PSM) - أي إضافة عناصر بيزو أخرى وأربعة على أساس مواد السيراميك الكهرضغطية PZT (PMMN)، وما إلى ذلك. المنتج مصنوع عن طريق تلبيد درجة الحرارة العالية واستقطاب الضغط العالي، ووضع تحويل الطاقة الخاص به هو كهروميكانيكي-كهربائي. يمكن ملاحظة أن تحويل الطاقة للمحول الكهرومغناطيسي يجب أن يكتمل في مساحة ثلاثية الأبعاد متعامدة وفقًا لشكله الهيكلي، ويمكن للمحول الخزفي الكهرضغطي إجراء تحويل الطاقة في المستوى. ولذلك، فإن محول السيراميك الكهرضغطي مصمم بسهولة إلى هيكل من نوع الرقاقة.

هيكل محول السيراميك الكهروإجهادي
يعتمد محول السيراميك الكهروإجهادي مواد كهرضغطية، والتي تستخدم خصائص التحويل الكهروميكانيكية، وتتعاون مع جزء الاهتزاز من المكون ومحرك جزء توليد الطاقة لتنفيذ تصميم الاستقطاب. جهد الإدخال يجعل السيراميك الكهرضغطي في حالة رنين، ومن ثم سيغير التأثير الكهرضغطي الإيجابي الضغط العالي المحول إلى خرج الجهد، وذلك لتحقيق تأثير تحويل الجهد. يتم تصنيع المواد الخزفية الكهرضغطية الخاصة (مثل تيتانات زركونات الرصاص المعدلة أو تيتانات زركونات المغنيسيوم النيوبيوم الرصاص) من خلال سلسلة من العمليات مثل التشكيل بالضغط العالي، والتلبيد بدرجة حرارة عالية، واستقطاب المجال الكهربائي عالي الجهد.

تعتمد المحولات الخزفية الكهرضغطية على التأثيرات الكهرضغطية الإيجابية والعكسية. أثناء التحويل الثانوي للطاقة الكهروميكانيكية، يتم تعزيزها عن طريق تحويل المعاوقة داخل الجسم. عند إضافة جهد متناوب بتردد معين إلى طرف الإدخال (جزء القيادة) للمحول الكهرضغطي، يولد المحول الكهرضغطي اهتزازًا ممتدًا على طول اتجاه الطول بسبب التأثير الكهرضغطي العكسي، ويتم تحويل الطاقة الكهربائية عند طرف الإدخال إلى طاقة ميكانيكية. في قسم توليد الطاقة، بسبب وجود الاهتزاز الطولي، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال التأثير الكهرضغطي الإيجابي، بحيث يكون لطرف الإخراج خرج جهد عالي.

نظرًا لأن المعاوقة المنعكسة للمحول الخزفي الكهرضغطي تزداد مع انخفاض مقاومة الحمل، فإن هذه الخاصية مهمة للغاية في تطبيقات الجهد العالي. عندما يكون الحمل قصير الدائرة أو يتم تفريغ الجهد العالي، فإن مقاومة الإدخال لمحول السيراميك الانضغاطي تزداد بسرعة لضمان عدم حرق المحول والدوائر الطرفية. ولذلك، فإن استخدام المحولات الخزفية الكهرضغطية لا يتطلب دائرة حماية من قصر الدائرة.

استخدامات المحولات الخزفية الكهرضغطية
وهي منتجات صغيرة ورقيقة وخفيفة الوزن. نظرًا لأن المحولات الخزفية الكهرضغطية لها بعض الخصائص الموضحة، فهي مناسبة للمنتجات الإلكترونية الاستهلاكية التي تعمل بالبطارية، مثل الهواتف الخلوية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر القابلة للطي وأجهزة الفيديو المدمجة وتسجيل VTR و PAD وغيرها من أنظمة الطاقة للمنتجات. المعدات الخاصة مثل الرادار والناسخة الكهروستاتيكية والمرسبة الكهروستاتيكية وأنظمة الطاقة الأخرى التي تحتاج إلى تشغيلها بفولتية عالية للغاية وتيارات صغيرة.
شاشة الكريستال السائل (LCD) (بما في ذلك إضاءة LCD) عاكس بيزو للإضاءة الخلفية. لأن شاشات الكريستال السائل تتطلب طاقة خرج عالية وكفاءة نقل عالية، وتتطلب ارتفاعًا منخفضًا ووزنًا خفيفًا في الهيكل. في الوقت نفسه، نظرًا لخصائص مصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد ذات الإضاءة الخلفية: تكون المعاوقة قبل الإضاءة كبيرة، ويجب توفير الجهد العالي. بعد الإضاءة، تصبح الممانعة أصغر وينخفض ​​الجهد. يمكن مطابقة خصائص عاكس محول السيراميك الكهرضغطي مع هذا.

يستخدم في الأنظمة ذاتية الطاقة حيث يتم تقييد أداء البطارية وحجمها ووزنها بشكل صارم، مثل أنظمة محرك الفرامل الكهرضغطية المستخدمة في السيارات والمروحيات والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية والسونار والمعدات الطبية وما إلى ذلك. يتطلب مصدر الطاقة لهذه الأجهزة عمومًا 100 فولت ~ 1000 فولت، وهو يختلف تمامًا عن مصدر الطاقة 9 فولت ~ 24 فولت للبطاريات العادية، ويمكن لمحول السيراميك الكهرضغطي تحقيق هذا المؤشر.

باختصار، مجالات تطبيق المحولات الخزفية الكهرضغطية واسعة جدًا.

مبدأ المحول الخزفي الكهرضغطي
المحول الخزفي الكهرضغطي هو نوع جديد من أجهزة الرقائق التي تحقق مدخلات الجهد المنخفض ومخرجات الجهد العالي من خلال تحويل الطاقة الثانوية للطاقة الكهربائية --- الطاقة الميكانيكية --- الطاقة الكهربائية. يحتوي هيكلها الأساسي على العديد من الأشكال وفقًا للشكل والقطب الكهربائي واتجاه الاستقطاب، ومن بينها المحول الكهرضغطي ذو هيكل الصفائح الطويلة هو الأكثر استخدامًا. هيكلها بسيط، وسهل التصنيع، ولها نسبة تصعيد عالية.

بالمقارنة مع المحولات الكهرومغناطيسية التقليدية، فإن المواد وهيكل المنتج وتكنولوجيا المعالجة ومبدأ العمل للمحولات الخزفية الكهرضغطية مختلفة. المواد الرئيسية المستخدمة في المحولات الكهرومغناطيسية هي المواد المغناطيسية والمواد الموصلة، والتي تستخدم كنواة ولف الهيكل، على التوالي، وشكل تحويل الطاقة هو كهربائي-مغناطيس-كهربائي. المواد الرئيسية المستخدمة في محولات السيراميك الكهرضغطية هي المواد الخزفية الكهرضغطية الثنائية (PZT) مثل تيتانات زركونات الرصاص والمواد الخزفية الكهرضغطية الثلاثية (PCM، PSM) - أي إضافة عناصر أخرى وأربعة على أساس المواد الخزفية الكهرضغطية القائمة على عنصر PZT (PMMN)، وما إلى ذلك. يتم تصنيع المنتج عن طريق تلبيد درجة حرارة عالية واستقطاب عالي الضغط، ووضع تحويل الطاقة الخاص به هو كهروميكانيكي-كهربائي. يمكن ملاحظة أن تحويل الطاقة للمحول الكهرومغناطيسي يجب أن يكتمل في مساحة ثلاثية الأبعاد متعامدة وفقًا لشكله الهيكلي، ويمكن للمحول الخزفي الكهرضغطي إجراء تحويل الطاقة في المستوى. ولذلك، فإن محول السيراميك الكهرضغطي مصمم بسهولة إلى هيكل من نوع الرقاقة.

مبدأ العمل لمحول السيراميك الكهرضغطي هو استخدام خصائص مادة السيراميك الكهروإجهادية ذات التأثير الكهرضغطي الإيجابي والتأثير الكهرضغطي العكسي. ما يسمى بالتأثير الكهرضغطي الإيجابي هو أن هذه المادة تولد شحنة أو جهدًا تحت تأثير (أو تشوه) القوة، والتأثير الكهرضغطي العكسي هو أن المادة تتشوه أو تهتز عند تطبيق الجهد. مبدأ العمل لمحول السيراميك الكهرضغطي هو استخدام خصائص التأثير الكهرضغطية الإيجابية والعكسية لمادة السيراميك الكهرضغطية، من خلال تصميم خصائص اتجاه القطب الكهربائي واتجاه الاستقطاب لجسم السيراميك الكهرضغطي، واستخدام التأثير الكهرضغطي العكسي لصنع الطور مع محطة الإدخال. يولد الجسم الخزفي الكهرضغطي المتصل اهتزازًا ميكانيكيًا تحت تأثير الجهد، ثم يقوم الجسم الخزفي الكهرضغطي المتصل بمحطة الخرج بتوليد جهد كهربائي من خلال التأثير الكهرضغطي الإيجابي. عندما تكون مقاومة طرف الإدخال وطرف الخرج غير متساوية، فإن الجهد والتيار عند كلا الطرفين ليسا متساويين أيضًا، وبالتالي تحقيق وظيفة تحويل الجهد والتيار بين طرف الإدخال وطرف الخرج.

هيكل محول السيراميك الكهرضغطي
يعتمد محول السيراميك الكهرضغطي مواد كهرضغطية حلقة عناصر بيزوسيراميكية ، والتي تستخدم خصائص التحويل الكهروميكانيكية، وتتعاون مع جزء الاهتزاز للمكون ومحرك جزء توليد الطاقة لتنفيذ تصميم الاستقطاب. جهد الإدخال يجعل السيراميك الكهرضغطي في حالة رنين، ومن ثم سيغير التأثير الكهرضغطي الإيجابي الضغط العالي المحول إلى خرج الجهد، وذلك لتحقيق تأثير تحويل الجهد. مخطط الهيكل المتكامل، باستخدام مواد سيراميكية كهرضغطية خاصة (مثل تيتانات زركونات الرصاص المعدلة أو تيتانات زركونات مغنيسيوم النيوبيوم)، يتم تصنيعه من خلال سلسلة من العمليات مثل تشكيل الضغط العالي، والتلبيد بدرجة حرارة عالية، واستقطاب المجال الكهربائي عالي الجهد. تعتمد المحولات الخزفية الكهرضغطية على التأثيرات الكهرضغطية الإيجابية والعكسية. أثناء التحويل الثانوي للطاقة الكهروميكانيكية، يتم تعزيزها عن طريق تحويل المعاوقة داخل الجسم. عند إضافة جهد متناوب بتردد معين إلى طرف الإدخال (جزء القيادة) للمحول الكهرضغطي، يولد المحول الكهرضغطي اهتزازًا ممتدًا على طول اتجاه الطول بسبب التأثير الكهرضغطي العكسي، ويتم تحويل الطاقة الكهربائية عند طرف الإدخال إلى طاقة ميكانيكية. في قسم توليد الطاقة، بسبب وجود الاهتزاز الطولي، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية من خلال التأثير الكهرضغطي الإيجابي، بحيث يكون لطرف الإخراج خرج جهد عالي. نظرًا لأن المعاوقة المنعكسة للمحول الخزفي الكهرضغطي تزداد مع انخفاض مقاومة الحمل، فإن هذه الخاصية مهمة للغاية في تطبيقات الجهد العالي. عندما يكون الحمل قصير الدائرة أو يتم تفريغ الجهد العالي، فإن مقاومة الإدخال للمحول السيراميكي تزداد بسرعة لضمان عدم حرق المحول والدوائر الطرفية. ولذلك، فإن استخدام المحولات الخزفية الكهرضغطية لا يتطلب دائرة حماية من قصر الدائرة.

تطبيق محول السيراميك الكهرضغطي
منتجات صغيرة ورقيقة وخفيفة الوزن: نظرًا لأن محولات السيراميك الكهرضغطية لها بعض خصائص أجهزة الاستشعار الدائرية الخزفية ، فهي مناسبة لمنتجات الإلكترونيات الاستهلاكية التي تعمل بالبطارية، مثل الهواتف الخلوية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر القابلة للطي والفيديو المدمج وتسجيل VTR وPAD وغيرها من أنظمة طاقة المنتجات.
معدات الطاقة الخاصة التي تحتاج إلى أن يتم تشغيلها بجهد عالي للغاية وتيار صغير، مثل الرادار والناسخة الكهروستاتيكية والمرسبات الكهروستاتيكية وأنظمة الطاقة الأخرى.
شاشة الكريستال السائل (LCD) (بما في ذلك إضاءة LCD) عاكس بيزو للإضاءة الخلفية. لأن شاشات الكريستال السائل تتطلب طاقة خرج عالية وكفاءة نقل عالية، وتتطلب ارتفاعًا منخفضًا ووزنًا خفيفًا في الهيكل. في الوقت نفسه، نظرًا لخصائص مصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد ذات الإضاءة الخلفية، تكون المعاوقة قبل الإضاءة كبيرة، ويجب توفير الجهد العالي. بعد الإضاءة، تصبح الممانعة أصغر وينخفض ​​الجهد. يمكن مطابقة خصائص عاكس محول السيراميك الكهرضغطي مع هذا.

يستخدم في الأنظمة ذاتية الطاقة حيث يتم تقييد أداء البطارية وحجمها ووزنها بشكل صارم، مثل أنظمة محرك الفرامل الكهرضغطية المستخدمة في السيارات والمروحيات والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية والسونار والمعدات الطبية وما إلى ذلك. يتطلب مصدر الطاقة لهذه الأجهزة عمومًا 100 فولت ~ 1000 فولت، وهو يختلف تمامًا عن مصدر الطاقة 9 فولت ~ 24 فولت للبطاريات العادية، ويمكن لمحول السيراميك الكهرضغطي تحقيق هذا المؤشر.
باختصار، مجالات تطبيق المحولات الخزفية الكهرضغطية واسعة جدًا.