PRINCIPLES OF ELECTRICAL IMPEDANCE CALCULATING OF OSCILLATING PIEZOCERAMIC DISK IN THE AREA OF MEDIUM FREQUENCIES

C. V. Bazilo

Abstract


Context. The relevance of the use of various functional elements of piezoelectronics in power and informational systems is due, above all, to their high reliability. The final goal of mathematical modeling of the vibrating piezoelectric elements physical condition is a qualitative and quantitative description of characteristics and parameters of existing electrical and elastic fields.

Objective. The aim of this work is to calculate the electrical impedance of oscillating piezoelectric disk in the mid-frequency range.

Method. At sufficiently general initial assumptions a mathematical description of the electrical impedance of the oscillating thin piezoceramic disk with end surfaces continuous covering by electrodes in vacuum is obtained. It is shown that electric impedance is determined by the averaged values of the components of piezoceramics material particles displacement vector.

Results. Expression for electrical impedance calculating of the oscillating piezoceramic disk at middle frequencies is built, where the disk’s material particles displacement vector is almost completely determined by the radial component.

Conclusions. As a result of research of real device’s mathematical model a set of geometrical, physical and mechanical and electrical parameters of a real object can be determined which provides realization of technical parameters of piezoelectric functional element specified in technical specifications. This significantly reduces the time and cost of new functional elements of piezoelectronics development. Prospects for further research can be defined as the construction of technology for calculating of transformation coefficients in piezoelectric transformer with several secondary electrical circuits.

Keywords


Тhin disk; piezoelectric ceramics; electrical impedance; piezoelectric ceramics material particles displacement vector.

References


Bogdan A. V., Petrishhev O. N., Yakimenko Yu. I., Yanovskaya Yu. Yu. Issledovanie xarakteristik p’ezoe’lektricheskogo transformatora na osnove radial’nyx kolebanij v tonkix p’ezokeramicheskix diskax, E’lektronika i svyaz’, Tematicheskij vypusk «E’lektronika i nanotexnologii», 2009, Part 1, pp. 269–274.

Bogdan A. V., Petrishhev O. N., Yakimenko Yu. I., Yanovskaya Yu. Yu. Matematicheskoe modelirovanie kolebanij tonkix p’ezokeramicheskix diskov dlya sozdaniya funkcional’nyx e’lementov p’ezoe’lektroniki, E’lektronika i svyaz’, Tematicheskij vypusk «E’lektronika i nanotexnologii», 2009, Part 2, pp. 35–42.

Yu-Hsiang Hsu, Chih-Kung Lee, Wen-Hsin Hsiao Electrical and Mechanical Fully Coupled Theory and Experimental Veriыcation of Rosen-Type Piezoelectric Transformers, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2005, Vol. 52, No. 10, pp. 1829–1839.

Flynn Anita M., Sanders Seth R. Fundamental Limits on Energy Transfer and Circuit Considerations for Piezoelectric Transformers, IEEE Transactions on Power Electronics, 2002, Vol. 17, No. 1, pp. 8–14.

Pae’rand Yu. E’., Oxrimenko P. V., Filonenko K. Yu. Vliyanie mesta zakrepleniya p’ezotransformatora na e’ffektivnost’ ego raboty, MNPK «Sovremennye informacionnye i e’lektronnye texnologii», 2014, pp. 69–70.

Klimashin V. M., Nikiforov V. G., Safronov A. Ya., Kazakov V. K. Novye oblasti primeneniya p’ezotransformatorov, Komponenty i texnologii, 2004, No. 1, pp. 56–60.

Day Michael, Lee Bang S. Understanding piezoelectric transformers in CCFL backlight applications, Analog Applications Journal, 2002, 4Q, pp. 18–24.

Wells Eddy Comparing magnetic and piezoelectric transformer approaches in CCFL applications, Analog Applications Journal, 2002, 1Q, pp. 12–18.

Shkodzinskyi O., Bieliakova I., Pistsio V., Medvid V. Eksperymentalni chastotni kharakterystyky piezotransformatora poperechno-poperechnoho typu dlia stabilizatsii strumu liuminestsentnoi lampy, Visnyk TNTU, 2011, Vol. 16, No. 3, pp. 142–148.

Lyamov V. E. Polyarizacionnye e’ffekty i anizotropiya vzaimodejstviya akusticheskix voln v kristallax. Moscow, Izd-vo Mosk. un-ta, 1983, 223 p.

Bogdanov S. V. Opredelenie uprugix i p’ezokeramicheskix postoyannyx rombicheskix kristallov akusticheskim metodom, Akust. zhurn., 1997, Vol. 43, No. 3, P. 304.

Bogdanov S. V. Akusticheskij metod opredeleniya uprugix i p’ezoe’lektricheskix postoyannyx kristallov 6 mm- i 4 mm- klassov, Akust. zhurn., 2000, Vol. 46, No. 5, pp. 609.

Shul’ga N. A., Bolkisev A. M. Kolebaniya p’ezoe’lektricheskix tel, Kiev, Naukova dumka, 1990, 228 p.

Ke’di U. P’ezoe’lektrichestvo i ego prakticheskie primeneniya. Moscow, IL, 1949, 718 p.

Didkovskij V. S., Petrishhev O. N., Shablatovich A. N. K voprosu ob opredelenii fiziko-mexanicheskij konstant p’ezokeramicheskix materialov, E’lektronika i svyaz’, 2004, No. 22, pp. 76–87.

Grinchenko V. T., Ulitko A. F., Shul’ga N. A. Mexanika svyazannyx polej v e’lementax konstrukcij, Vol. 5, E’lektrouprugost’. Kiev, Naukova dumka, 1989, 280 p.

Parton V. Z., Kudryavtsev B. A. E’lektromagnitouprugost’ p’ezoe’lektricheskix i e’lektroprovodnyx tel. Moscow, Nauka, 1988, 472 p.

Petrishhev O. N. Garmonicheskie kolebaniya p’ezokeramicheskix e’lementov. Chast’ 1. Garmonicheskie kolebaniya p’ezokeramicheskix e’lementov v vakuume i metod rezonansa – antirezonansa. Kiev, Avers, 2012, 300 p.

Novackij V. Teoriya uprugosti. Moscow, Mir, 1975, 873 p.

Ulitko A. F. Amplitudy i fazy prodol’nyx kolebanij p’ezokeramicheskix sterzhnej s uchetom peremennoj mexanicheskoj dobrotnosti, Kyiv, Vydavnycho-polihrafichnyi tsentr «Kyivskyi universytet», 2004, pp. 204–208.

Papadakis E’. Zatuxanie ul’trazvuka, obuslovlennoe rasseyaniem v polikristallicheskix sredax, V kn. Fizicheskaya akustika, Vol. IV, P. B, Prilozheniya fizicheskoj akustiki v kvantovoj fizike i fizike tverdogo tela. Moscow, Mir, 1970, pp. 317–381.


GOST Style Citations


1. Исследование характеристик пьезоэлектрического трансформатора на основе радиальных колебаний в тонких пьезокерамических дисках / [А. В. Богдан, О. Н. Петрищев, Ю. И. Якименко, Ю. Ю. Яновская] // Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии». – 2009. – Ч. 1. – С. 269–274.

2. Математическое моделирование колебаний тонких пьезокерамических дисков для создания функциональных элементов пьезоэлектроники / А. В. Богдан, О. Н. Петрищев, Ю. И. Якименко, Ю. Ю. Яновская // Электроника и связь. Тематический выпуск «Электроника и нанотехнологии». – 2009. – Ч. 2. – С. 35–42.

3. Hsu Yu-Hsiang. Electrical and Mechanical Fully Coupled Theory and Experimental Veriыcation of Rosen-Type Piezoelectric Transformers / Yu-Hsiang Hsu, Chih-Kung Lee, Wen-Hsin Hsiao // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. – 2005. – Vol. 52, No. 10. – P. 1829–1839.

4. Flynn Anita M. Fundamental Limits on Energy Transfer and Circuit Considerations for Piezoelectric Transformers / Anita M. Flynn, Seth R. Sanders // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2002. – Vol. 17, No. 1. – P. 8–14.

5. Паэранд Ю. Э. Влияние места закрепления пьезотрансформатора на эффективность его работы / Ю. Э.  Паэранд, П. В. Охрименко, К. Ю. Филоненко // МНПК «Современные информационные и электронные  технологии». – 2014. – С. 69–70.

6. Новые области применения пьезотрансформаторов / [В. М. Климашин, В. Г. Никифоров, А. Я. Сафронов, В. К. Казаков] // Компоненты и технологии. – 2004. – № 1. – С. 56–60.

7. Day Michael. Understanding piezoelectric transformers in CCFL backlight applications / Michael Day, Bang S. Lee // Analog Applications Journal. – 2002. – 4Q. – P. 18–24.

8. Wells Eddy. Comparing magnetic and piezoelectric transformer approaches in CCFL applications / Eddy Wells // Analog Applications Journal. – 2002. – 1Q. – P. 12–18.

9. Експериментальні частотні характеристики п’єзотрансформатора поперечно-поперечного типу для стабілізації струму люмінесцентної лампи / [Шкодзінський О., Бєлякова І., Пісьціо В., Медвідь В.] // Вісник ТНТУ. – 2011. – Том 16, № 3. – С. 142–148.

10. Лямов В. Е. Поляризационные эффекты и анизотропия взаимодействия акустических волн в кристаллах / В. Е. Лямов. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1983. – 223 с.

11. Богданов С. В. Определение  упругих и  пьезокерамических постоянных ромбических кристаллов акустическим методом / С. В. Богданов // Акуст. журн. – 1997. – Т.43, № 3. – С. 304.

12. Богданов С. В. Акустический метод определения упругих и

пьезоэлектрических постоянных кристаллов 6 mm- и 4 mm- классов / С. В. Богданов // Акуст . журн. – 2000. – Т. 46, № 5. – С. 609.

13. Шульга Н. А. Колебания пьезоэлектрических тел / Н. А. Шульга, А. М. Болкисев. – Киев : Наукова думка, 1990. – 228 с.

14. Кэди У. Пьезоэлектричество и его практические применения / У. Кэди. – М. : ИЛ, 1949. – 718 с.

15. Дидковский В. С. К вопросу об определении физико-механических констант пьезокерамических материалов / В. С. Дидковский, О. Н. Петрищев, А. Н. Шаблатович // Электроника и связь. – 2004. – № 22. – С. 76–87.

16. Гринченко В. Т. Механика связанных полей в элементах конструкций. Т.5. Электроупругость / В. Т. Гринченко, А. Ф. Улитко, Н. А. Шульга. – Киев : Наукова думка, 1989. – 280 с.

17. Партон В. З. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел / В. З. Партон, Б. А. Кудряв цев. – М. : Наука, 1988. – 472 с.

18. Петрищев О.Н. Гармонические колебания пьезокерамических элементов. Часть 1. Гармонические колебания пьезокерамических элементов в вакууме и метод резонанса – антирезонанса / О. Н. Петрищев. – Киев : Аверс, 2012. – 300 с.

19. Новацкий В. Теория упругости / В. Новацкий. – М. : Мир, 1975. – 873 с.

20. Улитко А. Ф. Амплитуды и фазы продольных колебаний пьезокерамических стержней с учетом переменной механической добротности / А. Ф. Улитко. – Київ :  Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2004. – С. 204–208.

21. Пападакис Э. Затухание ультразвука, обусловленное рассеянием в поликристаллических средах. – В кн. Физическая акустика, т. IV. Часть Б. Приложения физической акустики в квантовой физике и физике твердого тела / Э. Пападакис. – М. : Мир, 1970. – С. 317–381.




DOI: https://doi.org/10.15588/1607-3274-2017-4-2



Copyright (c) 2017 C. V. Bazilo

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Address of the journal editorial office:
Editorial office of the journal «Radio Electronics, Computer Science, Control»,
Zaporizhzhya National Technical University, 
Zhukovskiy street, 64, Zaporizhzhya, 69063, Ukraine. 
Telephone: +38-061-769-82-96 – the Editing and Publishing Department.
E-mail: rvv@zntu.edu.ua

The reference to the journal is obligatory in the cases of complete or partial use of its materials.