О виборі раціональних розмірів сегнетоэлектрического робочого тіла імпульсного генератора напруги

О виборі раціональних розмірів сегнетоэлектрического робочого тіла імпульсного генератора напряжения.

к.т.н. Д. В. Третьяков.

1. Введение

В статті розглядається генератор електричного напруги, перетворюючий енергію механічного удару у електричну енергію. Основним елементом аналізованого генератора є сегнетоэлектрическое робоче тіло, по якій у процесі функціонування генератора рухається ударна хвиля. Навантаженням для аналізованого генератора є конденсатор, а индуктивность й активна опір навантаження незначительны.

В справжньої статті пропонуються оціночні емпіричні залежності, якими то, можливо проведено попередній вибір геометричних розмірів сегнетоэлектрического робочого тіла. Також вказуються методи уточнення параметрів генератора в процесі її конструкторської отработки.

2. Конструкція генератора.

Как вже вказувалося вище, основний елемент аналізованого генератора є сегнетоэлектрическое робоче тіло. У випадку, у робочому тілі можливо формування ударної хвилі, що просувалася у бік коллинеарном чи перпендикулярному напрямку спонтанної поляризації сегнетоэлектрического матеріалу. Відмінність в фізичних процесах що за різних напрямах руху фронту ударної хвилі аналізується на роботах /1,2/. Остаточний вибір раціонального напрями руху фронту ударної хвилі може бути зроблений лише з урахуванням конкретного типу, і призначення проектованого вибухового генератора. Так, при розробках малогабаритних джерел НВЧ v випромінювання у багатьох вдалих конструкціях собі напрямок руху фронту ударної хвилі було коллинеарно напрямку спонтанної поляризації робочого тіла /3/. Для аналізованого в справжньої статті вибухового генератора електричного напруги, як випливає з попередніх робіт як і показали експерименти, проведені автором, кращим є собі напрямок руху фронту ударної хвилі перпендикулярне напрямку спонтанної поляризації робочого тела.

При зазначеному виборі напрями руху фронту ударної хвилі, робоче тіло представляє собою паралелепіпед з сегнетоэлектрического матеріалу, протилежні межі якої мають металеве покриття. Позначення розмірів робочого тіла наведено на рис. 1.

Существуют різні відомі методи на формування у робочому тілі ударної хвилі, заданої форми. Мінімальна маса конструкції генератора можна досягти для формування ударної хвилі з допомогою спрацьовування невеликого заряду вибухової речовини /4,5/ масою 1−3 грама. .

Рис. 1. Сегнетоэлектрическое робоче тело.

3. Фізичні процеси, які у генераторі. Еквівалентна схема генератора.

Возможны два підходу до опису процесів які у генераторі. По-перше, це модель процесу, джерело якої в описі п'єзоелектричного ефекту. Для значної частини застосовуваних практично сегнетоэлектрических джерел електричного напруги єдино застосовувану є лише ця модель. По-друге, треба сказати модель, яка передбачає, що у робочому тілу рухається ударна хвиля, має інтенсивність, достатню для перекладу матеріалу зі сегнетоэлектрического в параэлектрическое стан. У цьому моделі саме зміна стану матеріалу зумовлює генерацію електричного напруги. Зокрема, цей підхід описаний на роботах /1−5/ та інших робіт. Такий їхній підхід передбачається й у справжньої статье.

.

Рис. 2. Еквівалентна електрична схема генератора. У реальної рукции, навіть за про наявність у робочому тілі досить сильної ударної хвилі, у ньому, тим щонайменше, обов’язково буде і п'єзоелектричний ефект. З іншого боку, розглянута модель не враховує дуже складну картину реальної системи ударних і акустичних хвиль, поширених по робочому тілу. Всі ці неточності моделі, зумовлені прийнятими допущеннями, може бути компенсовано вибором величин емпіричних коефіцієнтів.

При зазначеному підході до моделювання процесу, еквівалентна електрична схема сегнетоэлектрического генератора то, можливо представленій у вигляді, показаним на рис. 2. Обгрунтування представленої еквівалентній електричної схеми дано в роботі /5/. Інтенсивність процесу деполяризации сегнетоэлектрического робочого тіла характеризуватиметься параметрами джерела струму i0. Ємність сегнетоэлектрического робочого тіла позначена на схемою Cg. Змінне опір Rg, в узагальненому вигляді характеризує різноманітних витоку заряду. Залежності величин i0 і Rg від часу можуть бути взяті, наприклад, із роботи /5/.

Нагрузка може бути представленій у вигляді послідовно з'єднаних між собою активного опору R, індуктивності L і ємності З. Характеристики навантаження зазвичай бувають хоча приблизно відомі на початок проектування генератора.

На рис. 3, запозичений із роботи /5/, приведено типова залежність напруги на ємності навантаження від часу. Суцільна крива у цьому малюнку отримана при випробуваннях сегнетоэлектрического робочого тіла, у якому площа ударної хвилі становила 4,8 см², а шлях ударної хвилі по робочому тілу 20 мм. Матеріал робочого тіла v пьезоэлектрическая кераміка ЦТС-19. Конструкція генератора монтувалася в пластмасовому корпусі циліндричною форми з зовнішнім діаметром 40 мм довжиною 42 мм. Маса заряду вибухової речовини становила близько 3 р. Генератор підключався до навантаження з ємністю 1000 пФ, индуктивностью 30 мкГн і з активним опором кілька десятків Ом. При функціонуванні генератора напруга на ємності навантаження підвищувався до 35 кВ. Пунктирна крива на рис. 3 була за програмою, написаної відповідність до що викладена у роботі /5/ методикою. .

Рис. 3. Експериментальна і теоретична залежності напруги на ємності навантаження від времени.

4. Попередня оцінка параметрів сегнетоэлектрического робочого тела.

Предполагается, що заданими на початок проектування є ємність конденсатора навантаження З, енергія , запасна в конденсаторі навантаження на даний момент закінчення роботи генератора, і тривалість функціонування генератора. Тривалість функціонування генератора можна взяти рівної часу руху фронту ударної хвилі по робочому тілу .

В ролі першого наближення то, можливо взято сегнетоэлектрическое робоче тіло у вигляді паралелепіпеда з такими геометричними розмірами (рис. 1):

— відстань між контактними поверхнями.

;

— площа контактної поверхні ().

;

где — напруженість електричного поля, коли відбувається пробою матеріалу робочого тела.

— перегонів поляризації на фронті ударної волны.

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

Размер робочого тіла в у бік руху ударної волны:

,.

где — швидкість руху фронту ударної волны.

Ширина робочого тіла .

Площадь фронту ударної хвилі ():

.

Значения , і залежать тиску на фронті ударної хвилі. Проте, за відсутності даних із цієї залежності, за величину може з’явитися значення статичної электропрочности. За відсутності значень стрибка поляризації на фронті ударної хвилі чи швидкість руху фронту ударної хвилі вони наближено можуть бути на, відповідно, залишкову поляризацію і швидкість звуку у вихідному матеріалі робочого тіла. У цьому під час проведення розрахунків доцільно коригувати значення і .

Масса сегнетоэлектрического робочого тіла можна оцінити по зависимости:

.

где щільність матеріалу робочого тела.

5.

Заключение

.

Для отримання раціональної конструкції сегнетоэлектрического генератора напруги геометричні розміри його робочого тіла може бути обрані з які у розділі 4 зависимостей.

.

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

Корпус генератор як тору лежить землі. Вгорі видно соленоид і конденсатори навантаження. Після попереднього вибору розмірів робочого тіла до початку експериментальної відпрацювання генератора доцільно провести уточнюючі розрахунки, наприклад, по методиці що викладена у роботі /5/ і започаткувати коригування конструктивних параметрів.

В загальному разі електричну ланцюг то, можливо включено кілька з'єднаних між собою генераторів описуваного типу. На рис. 4 представлено випробування чотирьох генераторів, змонтованих щодо одного корпусе.

Список литературы

Е.З. Новицький, В. Д. Садунов, Г. Я. Карпенко Поведінка сегнетоелектриків в ударних хвилях. Фізика горіння й Великого вибуху. 1978, т. 14, ¦4, з. 115 — 129.

Е.З. Новицький, В. Д. Садунов Енергетичні характеристики сегнетоэлектрика як робочого тіла перетворювача енергії УВ. Фізика горіння й Великого вибуху. 1985, т.21, ¦5, з. 104 — 107.

Прищепенко Г. Б., Третьяков Д. В., Щелкачев М. В. Баланс енергії вибухового п'єзоелектричного генератора частоти. v Мегагауссная і мегаамперная технологія й застосування / Праці конференції v Саров, ВНИИЭФ, 1997, с.954−958.

Пьезокерамический джерело харчування ВМГ./ Демидів В.А., Садунов В. Д., Казаков С. А. та інших./ в збірнику: Мегагауссная і мегаамперная технологія й застосування / Праці конференції v Саров, ВНИИЭФ, 1997, с.347−350.

Третьяков Д. У. Оцінка параметрів вибухового генератора напруженості із сегнетоэлектрическим робочим тілом. v Електрика. 2000, ¦12, з. 56−61.