Упругая емкость в цепи питания пьезоэлектрического преобразователя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

током обмотки двигателя и определить для режима непрерывных ходов продолжительность его включения. Попытка в экспериментах превысить предельную частоту ходов за счёт увеличения частоты питающих обмотку двигателя импульсов напряжения приводит к снижению энергии его рабочего хода и снижению ударной мощности, что подтверждается и расчётами [3].

Полученные выражения для продолжительности включения могут быть использованы при проектном расчёте электромагнитного привода .

Список литературы

1 ГОСТ 15989-83. Молотки ручные электромагнитные. М. : Изд-во стандартов, 1984. 20 с.

2 Определение продолжительности включения линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) в приводе технологического оборудования /Проблемы электроэнергетики //В. И. Мошкин, Г. Г. Угаров, О. В. Вдовина Саратов : Изд-во СГТУ, 2010. С.92-94.

3 Мошкин В. И., Угаров Г. Г., Помялов С. Ю. Продолжительность включения линейного электромагнитного двигателя в приводе технологического оборудования //Достижения науки - агропромышленному производству: материалы LI Международной научно-технической конференции. Ч. 5. Челябинск: Изд-во ЧГАА, 2013. С. 57-60.

4 Прессовое оборудование с линейными электромагнитными двигателями /Электромагнитные силовые импульсные системы // Н. П. Ряшенцев, Г. Г. Угаров, А. В. Львицын и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1982. С. 3-13.

5 Мошкин В. И. Основные энергетические и динамические параметры однообмоточных ЛЭМД с возвратной пружиной // Вестник КГУ, №1 (20). Вып. 6. Курган : Изд-во Курганского гос.ун-та, 2011. С.105-109.

УДК 621.314

И.П. Попов, В.Г. Чумаков, С.С. Родионов, И.В. Шевцов, С.С. Низавитин, В.В. Михайлов Курганская государственная сельскохозяйственная академия им. Т.С. Мальцева

упругая емкость в цепи питания пьезоэлектрического преобразователя

Аннотация. Показано, что упругая нагрузка пьезоэлектрического преобразователя может быть представлена в виде емкостного сопротивления в его электрической цепи и обоснована возможность возникновения свободных гармонических колебаний при подключении к преобразователю катушки индуктивности.

Ключевые слова: пьезоэлектрический преобразователь, емкость, индуктивность, упругость, колебания.

I.P. Popov, V.G. Chumakov, S.S. Rodionov, I.V. Shevtsov, S.S. Nizavitin, V.V. Mikhailov Kurgan State Agricultural Academy by T.S. Maltsev

RESILIENT capacity

of apiezoelectric

TRANSDUCER pOWER supply CIRCUIT

Annotation. It is shown that the resilient load of the piezoelectric transducer can be represented as a capacitance in the electrical grid and proved the possibility of free harmonic oscillation in connecting to a transmitter coil.

Keywords: piezoelectric transducer, capacitance, inductance, resiliency, oscillations.

введение

В настоящее время на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения и сельхозпере-работки широко внедряются системы автоматизации, в том числе, роботизированные комплексы. В составе таких систем в качестве датчиков и высокоточных приводов используются, в частности, пьезокерамические электромеханические преобразователи [1-3]. Актуальной задачей является выявление влияния упругой нагрузки преобразователей на реактивное сопротивление их электрических цепей и вытекающей из этого возможности возникновения свободных гармонических колебаний, которые могут иметь как отрицательное, так и положительное воздействие на систему в целом.

В литературе нет непосредственного решения этой задачи. Предпосылкой ее решения является одна из двух систем аналогий между электромагнитными и механическими величинами, в соответствии с которыми коэффициент упругости связан дуальным соотношением с электрической емкостью к о C.

Однако дуальная связь не является функциональной, поскольку охватываемые ею величины относятся к изолированным друг от друга системам. Поэтому указанное соотношение само по себе не дает оснований рассматривать механическую величину «коэффициент упругости» в качестве параметра электрических цепей.

Целью настоящей работы является представление упругой нагрузки в виде емкостного сопротивления в электрической цепи пьезоэлектрического преобразователя и обоснование возможности возникновения свободных гармонических колебаний при подключении к нему катушки индуктивности.

1 пьезоэлектрический преобразователь с упругой нагрузкой

На рисунке изображен пьезоэлектрический преобразователь с упругой нагрузкой с коэффициентом упругости к. Работа преобразователя основана на прямом и обратном пьезоэффектах [4-6]. Прямой пьезоэффект проявляется в том, что на обкладках пьезоэлемента при его деформации х появляется электрический заряд q.

q = dxx , (1)

где - пьезомодуль. При подаче на обкладки напряжения и пьезоэлемент деформируется и

развивает усилие Г . В этом заключается обратный пьезоэффект.

Г = ё2и

(2)

3 Колебательная система

Для электрической цепи упругая (искусственная) емкость Ск неотличима от «натуральной»

емкости С. При соединении преобразователя, обладающего упругой емкостью, с катушкой индуктивности образуется колебательная система, в которой могут возникать свободные гармонические колебания.

Собственная частота колебаний автономной

консервативной упруго-индуктивной (кЬ) системы

&кЬ0 = '

1

и

-0" ^

Рисунок 1 - Пьезоэлектрический преобразователь с упругой нагрузкой

2 Упругая емкость

Для выявления характера реактивного сопротивления цепи питания преобразователя, в виде которого представлена упругая нагрузка, целесообразно абстрагироваться от собственных емкости, индуктивности, массы и упругости пьезоэлемента, потерь на трение и активного сопротивления.

Пусть на обкладки пьезоэлемента подается напряжение и . В соответствии с третьим законом Ньютона, законом Гука, а также с учетом (2)

4ЬСк

Сравнение этого выражения с формулой для частоты пружинного маятника

V т

искусственную или

Г = ё2и = кх. (3) Производная (1)

ёа , ёх = г = ё1—,

ёг ёг

С учетом этого производная (3)

, ёи , ёх к .

ё2 — = к— = — г

ёг ёг ё1

. ё ёи

к ёг

где ё = ёё . Сравнение последнего выражения с током в конденсаторе

_ ёи

г = С — ёг

ё

дает Ск =~т, к

где Ск - упругая емкость. Для сравнения, упругая нагрузка индуктивных электромеханических преобразователей обусловливает противоположный характер реактивности - индуктивный [7-12].

ю0 =-/—

позволяет определить «индуктивную массу»

тЬ = ёЬ.

вывод

Таким образом, упругая нагрузка пьезоэлектрического преобразователя может быть представлена в виде емкостного сопротивления в его цепи питания.

Пьезоэлектрический преобразователь с упругой нагрузкой запасает потенциальную энергию упругого элемента, чем отличается от конденсатора, который запасает энергию электрического поля. Вместе с тем, он воспринимается цепью как емкостное устройство, поэтому может рассматриваться как объект с искусственной (упругой) емкостью.

При соединении преобразователя, обладающего искусственной емкостью, с катушкой индуктивности образуется колебательная система, в которой могут возникать свободные гармонические колебания. При этом происходит взаимное превращение энергии магнитного поля катушки индуктивности в потенциальную энергию упругого элемента, т.е. взаимодействие величин различной физической природы, что принципиально отличает их от колебательных систем с однородными элементами.

Образование подобных колебательных систем в устройствах автоматики может приводить к резонансным явлениям и иметь негативные последствия.

Перспективными для робототехники являются индуктивно-емкостные электромеханические преобразователи, использующие магнитострик-ционный и пьезоэлектрический эффекты. Такие преобразователи способны обеспечивать высокоточные трехмерные перемещения. Их наивысшие

88

Вестник КГУ, 2016. № 3

энергетические показатели обеспечиваются в режиме электромеханического резонанса, в частности, при реализации упруго-индуктивной (kL) колебательной системы, что доставляет пример ее положительного воздействия.

Список литературы

1 Попов И. П. Зависимость реактивного сопротивления пьезоэлектрического преобразователя от механических параметров его нагрузки //Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 5 (87). С. 94-98.

2 Попов И. П. Реализация частной функциональной зависимости между индуктивностью и массой // Российский научный журнал. 2012. № 6(31). С. 300, 301.

3 Попов И. П. Упруго-индуктивный осциллятор // Российский научный журнал. 2013. № 1(32). С. 269, 270.

4 Попов И. П. Переходный процесс при подключении пьезоэлектрического преобразователя с инертной нагрузкой к источнику постоянного напряжения //Вестник Курганского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 8. № 2(29). С. 82, 83.

5 Попов И. П., Попов Д. П., Кубарева С. Ю. Упруго-индуктивные колебания в системах автоматики // Вестник Курганской ГСХА. 2013. № 3 (7). С. 57-59.

6 Попов И. П. Инертно-емкостная колебательная система // Зауральский научный вестник. 2013. № 2(4).

С. 65, 66.

7 Попов И. П. Свободные гармонические колебания в системах с элементами различной физической природы // Вестник Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова. 2012. Т. 18. № 4. С. 22-24.

8 Попов И. П. Функциональная связь между индуктивностью и массой, емкостью и упругостью // Вестник Забайкальского государственного университета. 2013. № 02(93). С. 109-114.

9 Попов И. П., Чарыков В. И., Попов Д. П. Электромеханические колебания в системах автоматики // Вестник НГАУ. 2014. № 4(33). С. 173-177.

10 Попов И. П. Свободные гармонические колебания в упруго-емкостной системе // Вестник Курганского государственного университета. Естественные науки. 2011. Вып. 4. №2(21). С. 87-89.

11 Попов И. П., Сарапулов Ф. Н, Сарапулов С. Ф.

О емкостных и индуктивных свойствах электромеханических преобразователей // Вестник Курганского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 6. №1(20). С. 102, 103.

12 Попов И. П., Сарапулов Ф. Н., Сарапулов С. Ф. Переходный процесс при подключении электромеханического преобразователя с упругой нагрузкой к источнику постоянного напряжения // Вестник Курганского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 7. №2(24). С. 80-82.

УДК 621.316.722

В.И. Чарыков, А.Н. Шабуров, И.П. Попов Курганская государственная сельскохозяйственная академия имени Т.С. Мальцева

регулируемый высоковольтный преобразователь напряжения

Аннотация. В статье приводится алгоритм разработки преобразователя напряжения для питания газоразрядных ламп ИН-14 на базе микросхемы mc34063. Дана характеристика микросхемы и назначение всех входящих в схему преобразователя элементов.

Ключевые слова: преобразователь напряжения, схемотехника, микросхема, транзистор, конденсатор, драйвер, печатная плата.

V.I. Tcharykov, A.N. Chaburov, I.P. Popov Kurgan State Agricultural Academy by T.S. Maltsev

ADJUSTABLE HIGH VOLTAGE CONVERTER

Annotation. The article provides an algorithm of thedevelopmentofvoltage converter for powering discharge lamps based on a microcircuit IN-14 mc34063. The article describes the characteristics of the microcircuit and the purpose of all the elementsof converterscheme.

Keywords: voltage converter, circuitry, microcircuit, transistor, capacitor, driver, printed circuit board.

Введение

Преобразователи напряжения - это специальные электротехнические устройства, назначением которых является получение переменного тока от какого-либо источника постоянного напряжения. В нашем случае преобразователь напряжения был разработан для питания газоразрядных индикаторов ИН-14. Данный преобразователь выполнен на микросхеме mc34063.

1 Характеристика микросхемы

Данная микросхема очень универсальна в плане построения импульсных преобразователей напряжения. Используя схемотехнику, на данной микросхеме можно строить понижающие, повышающие и инвертирующие преобразователи. Эти типы преобразователей являются базовыми и не имеют гальванической развязки [1].

Основные характеристики:

Широкий диапазон входных напряжений, от 3 до 40 В.

Высокий выходной импульсный ток, до 1.5 А.