SERWIS ELEKTRONIKI
SERWIS ELEKTRONIKI
SERWIS ELEKTRONIKI
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Zasilacze lamp CCFL w uk³adach podœwietlania ekranów LCD<br />
Transformatory piezoelektryczne. Byæ mo¿e zast¹pi¹ tradycyjne<br />
transformatory magnetyczne. Bie¿¹cy punkt krótko<br />
opisuje ich budowê i dzia³anie.<br />
Innym elementem pozwalaj¹cym ca³kowicie pozbyæ siê inwertera<br />
DC-AC s¹ wysokosprawne i jasne bia³e diody LED. Ich<br />
stosowanie dla celów podœwietlania ekranu ciek³okrystalicznego<br />
to ju¿ dzieñ dzisiejszy. Ogranicza siê jednak do ekranów o<br />
ma³ych przek¹tnych. W skrajnym przypadku, to ekrany telefonów<br />
komórkowych czy cyfrowych aparatów fotograficznych lub<br />
kamer. Nale¿y siê jednak spodziewaæ ich stosowania w ekranach<br />
coraz to wiêkszych, choæ (na dzieñ dzisiejszy) monitorom ekranowym<br />
i odbiornikom OTVC „to nie grozi”. Czy uk³ad podœwietlania<br />
z diodami LED zawiera w ogóle jak¹œ elektronikê?<br />
Zawiera, aczkolwiek nieporównywalnie prostsz¹ od inwertera<br />
lampy CCFL. To zwykle zasilacz-przetwornica typu boost.LEDy<br />
³¹czone s¹ zwykle szeregowo, a sprzê¿enie zwrotne jest typu<br />
pr¹dowego, kontroluje pr¹d, nie napiêcie diod. To faktycznie<br />
bardzo skromna elektronika w porównaniu do zasilacza, któremu<br />
poœwiêcono koñcz¹cy siê artyku³. Tymczasem, powiedzmy<br />
jeszcze parê s³ów o transformatorze piezoelektrycznym.<br />
7.1. Co to jest transformator PZT<br />
„Piezoelektryczny transformator” nie jest w istocie transformatorem.<br />
Brak w nim przewodów (uzwojeñ) i pola magnetycznego.<br />
To element w du¿ej mierze mechaniczny o bli¿szej<br />
analogii do dynama ani¿eli do transformatora. Podobnie jak<br />
dynamo, zbudowane ze sprzê¿onego (poprzez wspóln¹ oœ obrotu)<br />
silnika elektrycznego i pr¹dnicy, zamienia energiê elektryczn¹<br />
na mechaniczn¹, poczym (pr¹dnica) dokonuje konwersji<br />
odwrotnej. „Transformator piezoelektryczny” dokonuje takiej<br />
konwersji poprzez wykorzystanie dwu zjawisk, „prostego”<br />
i „odwrotnego” zjawiska piezoelektrycznego. Zjawisko piezoelektryczne<br />
nie jest nowe, przez blisko 1/2 wieku jego wykorzystanie<br />
ogranicza³o siê do zapalarek, generuj¹cych iskrê<br />
elektryczn¹ pod wp³ywem si³y mechanicznej.<br />
Zjawisko piezoelektryczne wykorzystuje w³asnoœci niektórych<br />
materia³ów, polegaj¹cych na generacji ³adunku elektrycznego<br />
(napiêcia) gdy dokonuje siê deformacji (mechanicznej)<br />
materia³u (wykazuj¹cego efekt piezoelektryczny). W ten sposób,<br />
przy³o¿enie si³y skutkuj¹cej wibracj¹ materia³u powoduje<br />
generacjê napiêcia elektrycznego. To „prosty” efekt piezoelektryczny.<br />
Efekt „odwrotny” polega na zjawisku odkszta³cenia<br />
mechanicznego materia³u pod wp³ywem przy³o¿onego doñ napiêcia<br />
elektrycznego. W ten sposób, transformator piezoelektryczny<br />
w analogii do dynama, wykorzystuje wpierw odwrotne<br />
zjawisko piezoelektryczne (silnik elektryczny), a nastêpnie<br />
efekt „bezpoœredni” (pr¹dnica). Od kierunku przy³o¿onego<br />
napiêcia i budowy (czysto mechanicznej) materia³u piezoelektrycznego<br />
zale¿y relacja napiêcia wejœciowego i wyjœciowego<br />
uk³adu wykorzystuj¹cego oba wy¿ej wspomniane zjawiska.<br />
W tym momencie ju¿, analogia do transformatora jest bliska.<br />
Pomys³ budowy transformatora (z wykorzystaniem zjawiska<br />
piezoelektrycznego) zosta³ wysuniêty ju¿ w 1956 roku,<br />
jednak przez blisko 1/2 wieku nie by³ szerzej wykorzystywany.<br />
Patrz¹c na trafo PZT w ujêciu zjawisk fizycznych w nim<br />
wystêpuj¹cych nale¿y stwierdziæ, i¿ jest to „przetwornik energii”.<br />
Podobnie jak w „zwyk³ym” transformatorze energia elektryczna<br />
jest zamieniana na energiê pola magnetycznego, po<br />
czy (w uzwojeniu wtórnym) zachodzi konwersja odwrotna, w<br />
transformatorze piezoelektrycznym energia elektryczna zamie-<br />
10 <strong>SERWIS</strong> <strong>ELEKTRONIKI</strong> 5/2007<br />
niana jest na mechaniczn¹ (od strony wejœcia), i z powrotem<br />
na elektryczn¹, po „drugiej stronie” materia³u „transformatora”.<br />
Poza t¹ prost¹ analogi¹, istnieje wiele cech podobieñstwa<br />
jak i ró¿nic miêdzy transformatorem magnetycznym i PZT. Oba,<br />
wykorzystane w uk³adzie elektrycznym wykazuj¹ cechy rezonansowe,<br />
transformatory PZT cechuje jednak bardzo wysoka<br />
dobroæ. Wartoœci rzêdu, i powy¿ej 1000 s¹ typowymi („zwyk³e”<br />
trafo wykazuje Q rzêdu 20÷30). To cecha zarówno korzystna<br />
jak i niepo¿¹dana. Dobroæ, jak i czêstotliwoœæ rezonansowa<br />
transformatora piezoelektrycznego uwarunkowana<br />
jest jego konstrukcj¹ mechaniczn¹. Wysoka dobroæ czyni uk³ad<br />
w¹skopasmowym (na osi czêstotliwoœci). Równoczeœnie, czêstotliwoœæ<br />
rezonansu jest zale¿na od odkszta³cenia (jest funkcj¹<br />
modu³u Younga, parametru czysto mechanicznego). Zwykle,<br />
przesuniêcie czêstotliwoœci rezonansowej (zmiana punktu<br />
pracy uk³adu) jest szersze ani¿eli pasmo czêstotliwoœci (uwarunkowane<br />
dobroci¹).<br />
Dla utrzymania du¿ej sprawnoœci uk³adu elektronicznego<br />
zawieraj¹cego trafo PZT, jak i jego stabilnoœci, wymagana jest<br />
praca na czêstotliwoœci rezonansowej. To oznacza koniecznoœæ<br />
budowy uk³adów œledz¹cych „pod¹¿aj¹cych” za „chwilow¹”<br />
czêstotliwoœci¹ rezonansow¹. Zalet¹ w¹skopasmowej cechy<br />
trafa PZT jest naturalna filtracja i eliminacja zniekszta³ceñ,<br />
uk³ad niemal w ka¿dych warunkach generuje przebieg czystej<br />
sinusoidy. Kolejn¹ cech¹ nieznan¹ w pracy transformatora magnetycznego<br />
jest opóŸnienie miêdzy sygna³em wejœciowym i<br />
wyjœciowym trafa. W transformatorze PZT opóŸnienie to uwarunkowane<br />
jest mechanicznym „transportem” energii. A wiêc,<br />
jest ono z zasady du¿e. Niemal ka¿dy „szanuj¹cy siê” uk³ad<br />
elektroniczny pracuje z (co najmniej jedn¹) pêtl¹ sprzê¿enia<br />
zwrotnego. Transmitancja cz³onu opóŸniaj¹cego w pêtli to bardzo<br />
niebezpieczna cecha (dla stabilnoœci uk³adu zamkniêtego).<br />
Powy¿sze cechy sprawiaj¹, i¿ konstrukcja inwertera wykorzystuj¹cego<br />
transformator PZT odbiega zdecydowanie od<br />
„starszego brata” ze „zwyk³ym” transformatorem. Jego budowie<br />
poœwiêcimy kolejny punkt artyku³u. W zakresie korzyœci<br />
wyró¿niaj¹cych trafo PZT, obok jego niewielkich wymiarów<br />
(i kszta³tu, pasek materia³u piezoelektrycznego) nale¿y umieœciæ<br />
jego niewra¿liwoœæ na uszkodzenia. W transformatorze<br />
piezoelektrycznym nie mo¿e wyst¹piæ przebicie miêdzyzwojowe,<br />
czy przebicie miêdzy uzwojeniami. Nie jest groŸne (zarówno<br />
dla transformatora jak i uk³adu elektronicznego) od³¹czenie<br />
obci¹¿enia czy jego obwodu „pierwotnego”. Wy¿ej<br />
wymienione cechy przywo³amy jeszcze w nastêpnych podpunktach<br />
bie¿¹cego punktu artyku³u.<br />
7.2. Koncepcja drivera zasilacza CCFL wykorzystuj¹cego<br />
transformator piezoelektryczny<br />
W bie¿¹cym punkcie rozwa¿ymy (bardzo pobie¿nie) ewolucjê<br />
uk³adu „kandydata” na zasilacz lampy CCFL. Czy to<br />
dziwne, i¿ charakterystyka uk³adu elektronicznego zdominowana<br />
jest charakterystyk¹ transformatora piezoelektrycznego?<br />
Pobie¿n¹ charakterystykê podano ju¿ w punkcie poprzednim.<br />
Do tego nale¿y dodaæ, i¿ w przeciwieñstwie do cechy któr¹<br />
wykazuje „normalny transformator”, du¿¹ indukcyjnoœæ wejœciow¹,<br />
trafo PZT wykazuje znaczn¹ pojemnoœæ wejœciow¹.<br />
Pierwsze podejœcie do problemu prezentuje rysunek 7.1a.<br />
Transformator PZT umieszczony jest w obwodzie elementu<br />
aktywnego wzmacniacza podobnie jak kwarc chc¹c utworzyæ<br />
generator. W¹skopasmowa charakterystyka rezonansowa czy-
Change language