УДК 537.8
УЗКОПОЛОСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
НА ОСНОВЕ ИНВЕРСНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
А.
Кафедра “Физики твердого тела и микроэлектроники”,
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
*****@***ru
Многофункциональность трансформаторов, различные принципиальные схемы и конструкции приборов, в которых они применяются, обусловили большое их разнообразие по электрическим и конструктивным данным. В классическом исполнении преобразователь напряжения представляет собой магнитопровод, с намотанными на него двумя электрическими обмотками. Передача энергии из одной цепи в другую производится благодаря явлению взаимной индукции [1]. Коэффициент трансформации такого трансформатора определяется только соотношением количества витков упомянутых обмоток (за вычетом потерь).
К общим недостаткам трансформаторов следует отнести громоздкость элементов конструкции, связанную с наличием двух обмоток – первичной и вторичной.
Для решения данной задачи предложен узкополосный преобразователь [2]. Устройство относится к электронике и может быть использовано в радиотехнике для преобразования переменного напряжения определенной частоты. Работа узкополосного преобразователя основана на резонансном увеличении инверсного магнитоэлектрического эффекта. Этот эффект, с практической точки зрения, интересен тем, что позволяет создавать на его основе принципиально новые приборы твердотельной электроники [3].
Узкополосный преобразователь представляет собой (см. рисунок) 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. Геометрические размеры пластинки соответствуют условию механического резонанса. На конденсатор намотана катушка индуктивности 3, содержащая N витков.
Рисунок – Общий вид узкополосного преобразователя
Устройство работает следующим образом: к электродам прикладывается переменное напряжение частотой 
, 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, в результате чего происходит преобразование напряжения. Коэффициент преобразования зависит не только от числа витков катушки, но также от физических параметров композита и геометрических характеристик структуры [4].
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 
связана с длиной пластинки 
соотношением 
, где 
- плотность пластинки, 
- модуль податливости.
Наиболее близким по техническому решению 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 [4]. Недостатком такого магнитоэлектрического трансформатора 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.
В отличие от описанного магнитоэлектрического трансформатора, у узкополосного преобразователя 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, узкополосный преобразователь позволяет упростить конструкцию прибора, выделить узкую полосу преобразования напряжения и уменьшить потери энергии во входной цепи.
Литература
1. Л. А.Бессонов «Теоретические основы электротехники». Издание девятое переработанное и дополненное. Москва, «Высшая школа», 1996 г., 639с.
2 Д. А. Филиппов, Т. А. Галкина Узкополосный магнитоэлектрический трансформатор напряжения Заявка на полезную модель . Решение о выдаче патента от 2011.01.12.
3 «Магнитоэлектрический преобразователь напряжения»: Патент на полезную модель г., приоритет от 01.01.2001г. Авторы: Д. А. Филиппов, Т. А. Галкина, Патентообладатель – Новгородский государственный университет.
4 Д. А. Филиппов, Т. А. Галкина, G. Srinivasan. Инверсный магнитоэлектрический эффект в феррит-пьезоэлектрических структурах Письма в ЖТФ, 2010, т.36, в. 21, с. 23-28
5 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. 83, № 16, p. 1354
Научный руководитель – д. ф.-м. н., профессор А.
Основные порталы (построено редакторами)