Про вибір раціональних розмірів сегнетоелектричних робочого тіла імпульсного генератора напруги.

к.т.н. Д.В. Третьяков

1. Введення

У статті розглядається генератор електричної напруги, що перетворює енергію механічного удару в електричну енергію. Основним елементом розглянутого генератора є сегнетоелектричних робоче тіло, по якому в процесі функціонування генератора рухається ударна хвиля. Навантаженням для даного генератора є конденсатор, а індуктивність і активний опір навантаження незначні.

У цій статті пропонуються оціночні емпіричні залежності, за якими може бути проведено попередній вибір геометричних розмірів сегнетоелектричних робочого тіла. Також вказуються методи уточнення параметрів генератора в процесі його відпрацювання конструкторської.

2. Конструкція генератора.

Як вже зазначалося вище, основним елементом розглянутого генератора є сегнетоелектричних робоче тіло. У загальному випадку, в робочому тілі можливо формування ударної хвилі, що рухається в напрямку коллінеарність або перпендикулярному напрямку спонтанної поляризації сегнетоелектричних матеріалу. Відмінність у фізичні процеси при різних напрямках руху фронту ударної хвилі аналізується в роботах/1,2 /. Остаточний вибір раціонального напрямку руху фронту ударної хвилі може бути зроблений тільки з урахуванням конкретного типу й призначення проектованого вибухового генератора. Так, при розробках малогабаритних джерел НВЧ v випромінювання в багатьох вдалих конструкціях напрямок руху фронту ударної хвилі було коллінеарність напряму спонтанної поляризації робочого тіла/3 /. Для розглянутого в цій статті вибухового генератора електричної напруги, як випливає з попередніх робіт і як показали експерименти, проведені автором, переважним є напрямок руху фронту ударної хвилі перпендикулярно до напрямку спонтанної поляризації робочого тіла.

При зазначеному виборі напрямку руху фронту ударної хвилі, робоче тіло являє собою паралелепіпед з сегнетоелектричних матеріалу, протилежні грані якого мають металеве покриття. Позначення розмірів робочого тіла наведено на рис. 1.

Існують різні відомі методи для формування в робочому тілі ударної хвилі, заданої форми. Мінімальна маса конструкції генератора може бути досягнута при формуванні ударної хвилі за рахунок спрацювання невеликого заряду вибухової речовини/4,5/масою 1-3 грами.

Рис. 1. Сегнетоелектричних робоче тіло.

3. Фізичні процеси, що протікають в генераторі. Еквівалентна схема генератора.

Можливі два підходи до опису процесів, що відбуваються в генераторі. По-перше, це модель процесу, заснована на описі п'єзоелектричного ефекту. Для великої кількості що застосовуються на практиці сегнетоелектричних джерел електричного напруги єдино придатною є тільки ця модель. По-друге, слід зазначити модель, яка передбачає, що по робочому тілу рухається ударна хвиля, яка має інтенсивність, достатню для перекладу матеріалу з сегнетоелектричних в параелектріческое стан. У цій моделі саме зміна стану матеріалу обумовлює генерацію електричного напруги. Зокрема, цей підхід описаний у роботах/1-5/і ряді інших робіт. Такий підхід передбачається і в цій статті.

Рис. 2. Еквівалентна електрична схема генератора. У реальному рукціі, навіть при наявності в робочому тілі досить сильної ударної хвилі, в ньому, тим не менше, обов'язково буде присутній і п'єзоелектричний ефект. Крім того, дана модель не враховує досить складну картину реальної системи ударних і акустичних хвиль, що розповсюджуються по робочому тілу. Всі ці неточності моделі, обумовлені прийнятими припущеннями, можуть бути компенсовані вибором величин емпіричних коефіцієнтів.

При зазначеному підході до моделювання процесу, еквівалентна електрична схема сегнетоелектричних генератора може бути представлена у вигляді, показаному на рис. 2. Обгрунтування представленої еквівалентної електричної схеми дано в роботі/5 /. Інтенсивність процесу деполяризації сегнетоелектричних робочого тіла буде характеризуватися параметрами джерела струму i0. Ємність сегнетоелектричних робочого тіла позначена на схемі Cg. Перемінна опір Rg, в узагальненому вигляді характеризує різного роду витоку заряду. Залежності величин i0 і Rg від часу можуть бути взяті, наприклад, з роботи/5 /.

Навантаження може бути представлена у вигляді послідовно з'єднаних між собою активного опору R, індуктивності L і ємності C. Характеристики навантаження зазвичай бувають хоча б приблизно відомі до початку проектування генератора.

На рис. 3, запозичений із роботи/5 /, наведена типова залежність напруги на ємності навантаження від часу. Суцільна крива на цьому малюнку отримана при випробуваннях сегнетоелектричних робочого тіла, в якому площа ударної хвилі складала 4,8 см2, а шлях ударної хвилі по робочому тілу 20 мм. Матеріал робочого тіла v п'єзоелектрична кераміка ЦТС-19. Конструкція генератора монтувалася в пластмасовому корпусі циліндричної форми із зовнішнім діаметром 40 мм і довжиною 42 мм. Маса заряду вибухової речовини становила близько 3 р. Генератор підключався до навантаження з ємністю 1000 пФ, індуктивністю 30 мкГн і з активним опором кілька десятків Ом. При функціонуванні генератора напруга на ємності навантаження підвищувалася до 35 кВ. Пунктирна крива на рис. 3 була розрахована за програмою, написаною відповідно до викладеної в роботі/5/методикою.

Рис. 3. Експериментальна та теоретична залежності напруги на ємності навантаження від часу.

4. Попередня оцінка параметрів сегнетоелектричних робочого тіла.

Передбачається, що заданими до початку проектування є ємність конденсатора навантаження C, енергія, запасається у конденсаторі навантаження на момент закінчення роботи генератора, і тривалість функціонування генератора. Загальна тривалість функціонування генератора можна прийняти рівною часу руху фронту ударної хвилі по робочому тілу.

Як перше наближення може бути взято сегнетоелектричних робоче тіло у вигляді паралелепіпеда з наступними геометричними розмірами (рис. 1):

- відстань між контактними поверхнями

;

- площа контактної поверхні ()

;

де -- напруженість електричного поля, при якому відбувається пробій матеріалу робочого тіла.

-- скачок поляризації на фронті ударної хвилі.

, -- безрозмірні емпіричні коефіцієнти узагальнено характеризує різні втрати енергії при функціонуванні генератора.

Розмір робочого тіла в у напрямку руху ударної хвилі:

,

де -- швидкість руху фронту ударної хвилі.

Ширина робочого тіла.

Площа фронту ударної хвилі ():

Значення, і залежать від тиску на фронті ударної хвилі. Однак, за відсутності даних з цієї залежності, за величину може бути прийняте значення статичної електропрочності. При відсутності значень стрибка поляризації на фронті ударної хвилі або швидкості руху фронту ударної хвилі вони наближено можуть бути замінені на, відповідно, залишкову поляризацію й швидкість звуку в матеріалі робочого тіла. При цьому при проведенні розрахунків доцільно коригувати значення і .

Маса сегнетоелектричних робочого тіла може бути оцінена по залежності:

де щільність матеріалу робочого тіла.

5. Висновок.

Для отримання раціональної конструкції сегнетоелектричних генератора напруги геометричні розміри його робочого тіла можуть бути обрані виходячи з наведених у розділі 4 залежностей.

Рис. 4. Випробування чотирьох з'єднаних між собою генераторів, змонтованих в обном корпусі.

Корпус генератор у вигляді тора лежить на землі. Вгорі видно соленоїд і конденсатори навантаження. Після попереднього вибору розмірів робочого тіла перед початком експериментальної відпрацювання генератора доцільно провести уточнюючі розрахунки, наприклад, за методикою викладеної в роботі/5/і провести коректування конструктивних параметрів.

В загальному випадку в електричний ланцюг може бути включено декілька з'єднаних між собою генераторів описуваного типу. На рис. 4 представлено випробування чотирьох генераторів, змонтованих в одному корпусі.

Список літератури

Е.З. Новицький, В.Д. Садунов, Г.Я. Карпенко Поведінка сегнетоелектриків в ударних хвилях. Фізика горіння та вибуху. 1978, т. 14, | 4, с. 115 - 129.

Е.З. Новицький, В.Д. Садунов Енергетичні характеристики сегнетоелектрик як робочого тіла перетворювача енергії УВ. Фізика горіння та вибуху. 1985, т.21, | 5, с. 104 -- 107.

Пріщепенко А.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс енергії вибухового п'єзоелектричного генератора частоти. v Мегагауссная і мегаамперная технологія і застосування/Праці конференції v Саров, ВНІІЕФ, 1997, с.954-958.

П'єзокерамічні джерело живлення ВМГ./Демидов В.А., Садунов В.Д., Казаков С.А. та ін/в збірнику: Мегагауссная і мегаамперная технологія і застосування/Праці конференції v Саров, ВНІІЕФ, 1997, с.347-350.

Третьяков Д. В. Оцінка параметрів вибухового генератора напруги з сегнетоелектричних робочим тілом. v Електрика. 2000, | 12, с. 56-61.