Introdução de um novo conversor de frequência usando modos de vibrações piezoelétricas

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11009 (2023) Citar este artigo

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A conversão de frequência é necessária em muitos campos da tecnologia avançada. “Circuitos elétricos” ou “motores e geradores acoplados” são normalmente usados ​​para conversão de frequência. Este artigo apresenta um novo conversor de frequência piezoelétrico (PFC), usando uma ideia semelhante aos transformadores piezoelétricos (PT). O PFC usa dois discos piezoelétricos como elementos de entrada e saída que são unidos. Existe um eletrodo comum entre esses dois elementos e dois eletrodos de entrada e saída nos outros lados. Quando o disco de entrada é forçado a vibrar no modo fora do plano, o disco de saída vibra no modo radial. Ao aplicar diferentes frequências de entrada, diferentes frequências de saída podem ser obtidas. No entanto, as frequências de entrada e saída são limitadas aos modos fora do plano e radial do elemento piezoelétrico. Portanto, o tamanho adequado de discos piezoelétricos deve ser utilizado para obter o ganho necessário. Simulações e experimentos mostram que o mecanismo funciona conforme previsto e seus resultados estão de acordo. Para o disco piezoelétrico escolhido, o menor ganho aumenta a frequência de 61,9 para 118 kHz, e o maior ganho aumenta a frequência de 3,7 para 51 kHz.

Elementos piezoelétricos têm sido usados ​​para fabricar transformadores de tensão (TP) há algumas décadas. Os TPs transmitem a tensão por meio de vibração mecânica e a aumentam ou diminuem. Esses transformadores geralmente consistem em dois elementos piezoelétricos como portas de entrada e saída. O disco piezoelétrico de entrada é excitado na frequência de ressonância e a tensão de saída é obtida do elemento de saída. A relação desejável entre tensões de entrada e saída pode ser obtida com um projeto adequado. Rosen introduziu o PT pela primeira vez em 19541. Depois disso, muitas pesquisas foram feitas em diferentes PTs, incluindo geometria, modelagem e melhoria de eficiência.

Os PTs são classificados em três tipos principais: Rosen, modo de vibração de espessura e modo de vibração radial. No transformador tipo Rosen, a parte de entrada fica no sentido longitudinal e a saída no sentido da espessura, sendo este tipo de TP normalmente utilizado como transformador elevador de tensão2. Os PTs de modo de vibração de espessura foram desenvolvidos pela NEC do Japão na década de 1990. Os dispositivos de modo radial são em forma de disco ou anel e operam em uma frequência próxima à ressonância radial. Vários arranjos para o dispositivo de modo radial foram propostos, dos quais o transformador de modo radial é provavelmente o mais conhecido3. Os transformadores de modo radial são adequados para uso em conversores ascendentes e descendentes e têm sido usados ​​em uma ampla gama de aplicações, desde reatores de lâmpadas fluorescentes4 até fontes de alimentação de laptops5.

O fator de acoplamento que mais corresponde à vibração no modo radial é kp. Isso ajuda os PTs de modo radial a atingir alta densidade de potência. Os transformadores de modo radial foram oferecidos em níveis de potência superiores a 100 W e espera-se que excedam 200 W através de desenvolvimento adicional6.

Os PTs podem operar em vários modos vibracionais possíveis, cada um com uma frequência diferente. No entanto, cada topologia PT possui um modo de vibração ideal que permite uma transferência de energia ideal. O modo de vibração ideal para um transformador piezoelétrico é geralmente o modo que possui o maior acoplamento eletromecânico e a menor perda7.

Entre as vantagens dos TPs em relação aos transformadores eletromagnéticos estão maior densidade de potência, ausência de ruído eletromagnético, maior eficiência no modo ressonante, simplicidade, tamanho reduzido, não inflamabilidade e processo de fabricação mais simples. Como os TPs operam em alta frequência em sua frequência de ressonância, os materiais piezoelétricos devem ter alto fator de qualidade mecânica e baixa perda dielétrica ao mesmo tempo .

Em 1992, Osamu et al. introduziu um novo tipo de PT multicamada composto de PbTiO3. O objetivo deles era usá-lo para trocar fontes de alimentação. O modo de vibração foi ao longo da espessura. O circuito equivalente eletromecânico apresentou eficiência superior a 90%. Eles fizeram o dispositivo e o avaliaram experimentalmente. Os resultados mostraram baixas vibrações espúrias, bem como boas características de ressonância na frequência de 2 MHz. Além disso, o PT produziu uma densidade de potência de 16 W/cm.s sem vibrações espúrias. Finalmente, eles fizeram uma fonte chaveada classe E de alta potência usando este PT9.