Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Hot Pressed K0.5Na0.5NbO3 Material for Piezoelectric Transformer for Energy Harvesting

Kozielski L., Feliksik K., Wodecka-Duś B., Szalbot D., Tutu S.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2018

|

Vol. 63, iss. 3

1275--1280

EN

An optimized method of vibration Energy Harvesting is based on a step-down transformer that regulates the power flow from the piezoelectric element to the desired electronic load. Taking into account parameters of the whole system, the “optimal” voltage gain the piezoelectric transformer can be determined where the harvested power is maximized for the actual level of mechanical excitation. Consequently the piezoelectric transformers can be used to boost up the conversion of mechanical strain into electrical power with considerable potential in Energy Harvesting applications. Nowadays however, the most important factor is usage of lead free material for its construction. Additional desired parameters of such ceramics include high value of piezoelectric coefficients, low dielectric losses and reasonable power density. This work for first time proposes a lead free K0.5Na0.5NbO3 (KNN) material implementation for stack type of piezoelectric transformer that is designed for load efficiency optimization of vibration energy harvester.

2

Lead free Ba0.85Ca0.15TiO3 piezoelectric transformer for energy harvesting application

Kozielski L., Feliksik K., Wodecka-Duś B.

Materiały Ceramiczne

|

2017

|

T. 69, nr 2

68--72

EN

Piezoelectric Transformers are utilized to boost the conversion of mechanical vibration energy into electrical power with considerable potential in Energy Harvesting applications. Nowadays however, the critical challenge that need to be addressed is the use of lead free materials for their construction. The other requirements include the high conversion ratio, small size and reasonable power density. This work, for the first time, proposes implementation of the lead free Ba0.85Ca0.15TiO3 material for a piezoelectric transformer that is designed for a vibration energy collection device.

PL

Transformatory piezoelektryczne wykorzystywane są w celu zwiększenia efektywności konwersji energii drgań mechanicznych w energię elektryczną z dużym potencjałem w zastosowaniach do zbierania energii z otoczenia. Obecnie jednak kluczowe wyzwanie, które należy rozwiązać, polega na wykorzystaniu bezołowiowego, ceramicznego materiału piezoelektrycznego do jego budowy. Pozostałe wymagania obejmują wysoki współczynnik konwersji, mały rozmiar i rozsądną gęstość mocy. Praca ta po raz pierwszy proponuje zastosowanie bezołowiowej ceramiki Ba0.85Ca0.15TiO3 w transformatorze piezoelektrycznym, zaprojektowanym do urządzenia do zbierania energii wibracyjnej.

3

Analiza teoretyczno-symulacyjna transformatora piezoelektrycznego

Łabędzki P., Pawlikowski R., Radowicz A.

Mechanik

|

2016

|

R. 89, nr 12

1836--1839

PL

Przedstawiono analizę teoretyczno-symulacyjną transformatora piezoelektrycznego o dowolnej konfiguracji. Poszukiwano optymalnych parametrów geometrycznych ze względu na uzyskiwane wzmocnienie napięcia. Dokonano analizy pracy transformatora przy różnych postaciach drgań własnych dla dwóch różnych materiałów.

EN

Theoretical and simulation analysis for the description of a piezoelectric transformer with respect to unrestricted configuration is developed. The working conditions of the transformer dependent on various eigen vibrations for two different kinds of material are considered and the influence of the gauge optimal parameters on a voltage amplification have been studied.

4

Transformatorowy czujnik oświetlenia

Kozielski L.

Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Technicznej w Katowicach

|

2015

|

nr 7

137-143

PL

Materiały inteligentne to materiały wykazujące samoistną odpowiedź na zewnętrzny czynnik pobudzający, w związku z tym w naturalny sposób nadające się do aplikacji czujnikowych. Materiały, wykazujące jednocześnie właściwości fotowoltaiczne i piezoelektryczne, poddane działaniu zewnętrznego oświetlenia zamieniają część energii iluminacji na energię pola elektrycznego, wywołując dodatkową polaryzację elektryczną. W następstwie tego efektu następuje generacja napięcia na elektrodach użytego kompozytu, a pomiary współczynników przetwarzania energii i specyficznego efektu fotowoltaicznego (ang. anomalous photovoltaic effect APE) przeprowadza się metodą dynamiczną lub statyczną (ładunkową). W artykule została zaproponowana innowacyjna metoda wykorzystania, wyżej wymienionego efektu, do aplikacji czujnikowych przez implementację materiału inteligentnego w strukturę transformatora piezoelektrycznego, w celu uzyskania zmiany amplitudy i fazy napięcia wyjściowego w odpowiedzi na pobudzenie sygnałem świetlnym.

EN

Smart materials are materials having an intrinsic response to an external stimulating factor, therefore are naturally suited for sensor applications. Materials exhibiting photovoltaic and piezoelectric properties at the same time exposed to external illumination convert part of the illumination energy into energy of the electric field, causing additional electrical polarization. As a consequence of this effect occurs generation of voltage on the used composite electrodes and measurement of energy conversion factors of this anomalous photovoltaic effect (APE) is carried out using a dynamic or static method (charge loading). The article proposed an innovative method to use the above-mentioned effect for sensor applications by implementation of a smart material in the structure of the piezoelectric transformer in order to change the amplitude and phase of the output voltage in response to stimulation by a light signal.

5

Modelling of passive vibration damping using piezoelectric transducers – the mathematical model

Buchacz A., Płaczek M., Wróbel A.

Eksploatacja i Niezawodność

|

2014

|

Vol. 16, no. 2

301--306

PL

W pracy przedstawiono propozycję modelowania matematycznego drgających przetworników piezoelektrycznych poprzez zastosowanie analogii elektrycznej. Opracowany model stosowany jest w analizie oraz wyznaczaniu charakterystyk drgających płytek piezoelektrycznych z dołączonymi, zewnętrznymi, biernymi elementami elektrycznymi. Wprowadzono układ zastępczy przetwornika piezoelektrycznego równoważny trójwrotnikowi elektrycznemu. W pracy analizowano połączenia dwóch płytek piezoelektrycznych działających jako transformator piezoelektryczny, wprowadzając układy zastępcze obu przetworników. Przy stosowaniu układów zastępczych w postaci obwodów elektrycznych wszystkie wielkości mechaniczne w otrzymanym układzie Masona zostały zastąpione równoważnymi wielkościami elektrycznymi.

EN

A proposal of mathematical modelling of vibrating piezoelectric transducers using the electrical analogy is presented in this work. The developed mathematical model is used in analysis of vibrating piezoelectric plates with adjoined external passive electric elements and for designating of their characteristics. A substitute electric system of the piezoelectric transducer that is equal to a three-port system was introduced. A piezoelectric transformer created by connection of two plates was analysed. Substitute systems of both plates were introduced. All mechanical parameters of the analysed system were replaced by equivalent electrical parameters in obtained Mason’s model.

6

Transformator piezoelektryczny ze sprzężeniem magnetycznym

Kozielski L., Płońska M., Adamczyk M., Bućko M. M., Janik P.

Materiały Ceramiczne

|

2012

|

T. 64, nr 4

447-451

PL

Cyrkonian tytanian ołowiu i lantanu jest klasycznym materiałem ferro- i piezoelektrycznym. Wprowadzenie do jego struktury niewielkich ilości żelaza(III) w miejsce jonów lantanu powoduje pojawienie się efektu sprzężenia magnetoelektrycznego, którego wielkość wynika z odpowiednio dobranych proporcji wprowadzonej domieszki. Metodą bezpośredniej reakcji w ciele stałym uzyskano proszki, a następnie spieki materiałów o składach Pb0,91La0,09(Zr0,65Ti0,35)0,9775O3 (PLZT) oraz Pb0,91(La0,5Fe0,5)0,09(Zr0,65Ti0,35)0,9775O3 (PLFZT). Określono składy fazowe, mikrostrukturę, przenikalność elektryczną i straty dielektryczne obydwu materiałów. Z materiału PLFZT skonstruowano transformator piezoelektryczny, na którym określono wielkość sprzężenia magnetoelektrycznego oraz parametry przetwarzania wejściowego sygnału napięciowego funkcji natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Stwierdzono, że pomimo stosunkowo niewielkiej wartości sprzężenia uzyskano istotne wartości przesunięcia częstotliwościowego oraz spadek amplitudy napięcia wyjściowego w polu magnetycznym.

EN

Dense lead lantanium zirconate titanate (PLZT) ceramics is typically used for the fabrication of high power piezoelectric devices. The replacement of a small amount of lanthanium ions with iron(III) ones into the PLZT structure (PLFZT) leads to a multiferroic material with both piezoelectric and magnetic properties. Powders of Pb0.91La0.09(Zr0.65Ti0.35)0.9775O3 and Pb0.91(La0.5Fe0.5)0.09(Zr0.65Ti0.35)0.9775O3 were prepared by direct solid state reaction, and the phase composition, microstructure, dielectric permittivity and dielectric loss were determined for the sintered materials. The PLFZT material was used to construct a piezoelectric transformer with magnetic feedback, which converted an electrical a.c. input voltage into ultrasonic vibrations, and reconverted them back to an output as a.c. voltage proportionally to the magnetic field intensity. In despite of relatively low electromagnetic feedback, a substantial shift of voltage frequency and a voltage drop were observed in the magnetic field.

7

Analiza stanów przejściowych w transformatorze piezoelektrycznym typu Rosena

Luciński J.

Przegląd Elektrotechniczny

|

2011

|

R. 87, nr 7

163-166

PL

W artykule omówiono stany przejściowe w transformatorze piezoelektrycznym podwyższającym napięcie, płytkowym typu Rosena. Model obwodowy w programie SPICE dla typowego transformatora małej mocy użyto z dwoma łącznikami po stronie pierwotnej i wtórnej. Przeprowadzono symulacje przebiegów napięcia wyjściowego przy przełączaniu zasilania oraz oddzielnie - obciążenia. Przedyskutowano wpływ różnych parametrów układu na czasy załączania i wyłączania transformatora. Opisano interesujące zachowanie się transformatora w nietypowych warunkach pracy.

EN

In the paper the transient response of Rosen-type step-up piezotransformer (PZT) is described. A circuit SPICE model of chosen the typical PZT during switching process on primary and also on secondary side are simulated. The influence of various circuit parameters on turn-on and turn-off times are discussed. An interesting behaviour of transformer in non-typical conditions are observed and described.

8

Modelowanie obwodowe transformatora piezoelektrycznego w warunkach podwyższonych napięć i temperatur

Tomalczyk K.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2011

|

R. 57, nr 10

1206-1209

PL

Artykuł dotyczy modelowania obwodowego transformatorów piezoelektrycznych (PT) przy napięciach i temperaturach zbliżonych do panujących w rzeczywistych warunkach ich pracy. Typowe metody modelowania PT wykorzystują obwód zastępczy o stałych parametrach wyznaczanych przy niskim napięciu i temperaturze. W artykule potwierdzony został wpływ zarówno amplitudy napięcia wejściowego, jak i temperatury, na charakterystyki przejściowe PT. Aby uwzględnić stwierdzone zależności przy modelowaniu obwodowym PT, opracowana została metoda korekcji parametrów modelu PT uwzględniająca zmiany ich wartości w funkcji temperatury i napięcia wejściowego. Metoda ta pozwala uzyskać dużo lepszą zgodność wyników symulacji obwodowych z wynikami pomiarowymi w warunkach podwyższonych napięć i temperatur.

EN

The paper refers to circuit modeling of piezoelectric transformers (PTs) operating under elevated voltage and temperature conditions. A PT is a resonant mechanical converter of electrical energy. Its characteristics (Fig. 1) are modeled by an equivalent circuit (Fig. 2) whose parameters are typically determined under low-voltage and low-temperature conditions and remain constant regardless of the model application. This approach is possibly erroneous due to the known temperature dependency and nonlinearities of piezoelectric materials. The temperature- and voltage-dependent variation of PT model parameters (Fig. 3) was determined by means of time domain measurements, which contrary to the widely used impedance analysis, allows high input voltages. A method for correction of the model parameters was established. Furthermore, the PT transfer characteristics were measured (Figs. 4 and 5) and compared to simulation results with and without the parameter correction (Fig. 6), showing considerable improvement in modeling accuracy with the new method applied.

9

Influence of square wave harmonic components on the efficiency of a piezoelectric transformer in a converter circuit

Tomalczyk K., Napiórkowski K.

Przegląd Elektrotechniczny

|

2010

|

R. 86, nr 11a

84-89

EN

The paper considers the influence of high harmonic components of the square wave input voltage on the efficiency of a piezoelectric transformer (PT). The efficiency analysis results of a 40W ring-shaped step-down prototype PT are presented. The analysis includes comparison of PT operation efficiency with several different input voltage harmonics combinations from pure sinusoidal to full-square signals. A simple selective harmonic elimination method is introduced as an alternative to series inductance used as input matching circuit in most today’s PT-based converters.

PL

W artykule rozważany jest wpływ wyższych składowych harmonicznych napięcia wejściowego na sprawność transformatora piezoelektrycznego (PT). Przedstawione są wyniki analizy sprawności prototypowego pierścieniowego PT o mocy 40W dla różnych zawartości harmonicznych. Zaproponowana jest prosta i skuteczna metoda selektywnej eliminacji harmonicznych celem poprawy sprawności pracy PT.

10

Model explanation of electrical characteristics anomalies in PLZT graded structure for piezoelectric transformers

Kozielski L., Janik P., Janik M., Bućko M. M.

Materiały Ceramiczne

|

2010

|

T. 62, nr 4

471-476

EN

In this paper, the influence of one directional diffusion between the two components in functionally graded structure (FGS) on the impedance (dielectric) spectrum of the system was investigated. Lanthanum-modified lead zirconate titanate (PLZT) ceramic materials have gained considerable attention due to their photostriction which is the superposition of photovoltaic and piezoelectric effects. The idea of functionally graded materials (FGM) implemented in the construction of piezoelectric transformer (PT) can be used for direct converting photonic energy to electrical one by implementing photostrictive actuators with a piezoelectric generator in one graded structure of PT. The presented measurements revealed complexity of the integration process of functionally graded materials and high electrical anisotropy of this graded structure. Impedance spectroscopy (IS) proved to be the method capable to present such an inequality in the form of well separated semicircles. Additionally, it was demonstrated that the characteristics of the graded structure is not a simply addition result of starting materials parameters but is deeply influenced predominantly by a diffusion direction. Finally, the influence of the directional diffusion process on impedance spectra was explained by RC electrical model and confirmed experimentally by XPS method.

PL

W artykule zbadano wpływ jednokierunkowej dyfuzji pomiędzy dwoma składnikami struktury funkcjonalnie stopniowanej (FGS) na jej widmo impedancyjne (dielektryczne). Modyfikowana lantanem ceramika cyrkonianu tytanianu ołowiu (PLZT) zyskała znaczne zainteresowanie w związku z jej fotostrykcją, która jest superpozycją efektów fotowoltaicznego i piezoelektrycznego. Idea materiałów funkcjonalnie stopniowanego (FGM) zaimplementowana do transformatora piezoelektrycznego (PT) może być wykorzystana do bezpośredniej zamiany energii fotonicznej na elektryczną poprzez wykorzystanie fotostrykcyjnych oscylatorów wzbudzających z generatorem piezoelektrycznym w jednostopniowej strukturze PT. Przedstawione badania ujawniły złożoność procesu integracji materiałów funkcjonalnie stopniowanych i ich wysoką anizotropię elektryczną. Spektroskopia impedancyjna (IS) sprawdziła sie jako metoda zdolna do pokazania takiej nierówności w postaci dobrze rozdzielonych półokręgów. Dodatkowo, zademonstrowano, że charakterystyka struktury stopniowanej nie jest wynikiem prostego sumowania właściwości materiałów wyjściowych, ale jest głównie mocno zależna od kierunku dyfuzji. Na koniec, wyjaśniono wpływ procesu dyfuzji kierunkowej na widma impedancyjne za pomocą elektrycznego modelu RC i potwierdzono doświadczalnie metodą XPS.

11

Modelowanie transformatora piezoelektrycznego z uwzględnieniem samonagrzewania

Tomalczyk K., Więcek B.

Pomiary Automatyka Kontrola

|

2009

|

R. 55, nr 11

973-976

PL

Artykuł wprowadza w temat zastosowania transformatorów piezoelektrycznych (PT) jako alternatywy dla powszechnych transformatorów z rdzeniem magnetycznym, omawia także najważniejsze problemy występujące przy projektowaniu układów zasilających opartych na PT, ze szczególnym uwzględnieniem zjawisk termicznych. W artykule przedstawiony jest nowy sprzężony model elektrotermiczny uwzględniający zależność częstotliwości rezonansowej od temperatury obliczanej na podstawie strat mocy. Model poprawnie odwzorowuje zjawisko samonagrzewania się PT podczas pracy w zmiennych warunkach w układzie przetwornicy.

EN

Piezoelectric transformers (PTs) are high quality factor, high efficiency electrical energy transducers based on mechanical coupling between the primary and secondary side. Their power density levels as high as 50W/cm3 make them very promising alternative to traditional magnetic core transformers, primarily in terms of miniaturization and efficiency. There are, however, some problems slowing down their development, among which thermal management is one of the most important. A PT is a resonant transducer designed to work within an exactly determined narrow frequency range (Fig. 1). It can be modeled with use of a simple single-branch circuit model (Fig. 2) in which a series RLC connection correspond to the main resonance. Our research focuses on a prototype 40W step-down ring-shaped PT (Fig. 3) having the advanced multi-layer structure (Fig. 4). Its main resonance of approx. 322 kHz (Fig. 5) exhibits a tendency to move towards higher frequencies with temperature (Fig. 6). This can possibly induce an undesired positive thermal feedback leading to stability problems and thus should be included in modeling and simulation. We propose a simple coupled electro-thermal model (Fig. 7) in which the resonance frequency shift (Fig. 8) depends on the temperature rise calculated from power losses. Our model, contrary to the traditional isothermal one, allows simulating the self-heating phenomenon and its influence on the key waveforms of the PT working in a converter circuit (Fig. 9).

12

Electrical and Mechanical Examination of PLZT Graded Structure for Photovoltaic Driven Piezoelectric Transformers

Kozielski L., Adamczyk M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2009

|

Vol. 54, iss. 4

973-978

EN

Lanthanum-modifed lead zirconate titanate (PLZT) ceramic materials have gained considerable attention due to their photostriction, which is the superposition of photovoltaic and piezoelectric effects. Idea of this photo effect implemented in construction of Piezoelectric Transformer (PT) can be used for direct coiwerting photonic energy to electrical one by implementing photostrictive actuators with piezoelectric generator in one structure of piezoelectric transformer. Possible application in electronic industry needs thoroughly electrical and mechanical characterisation of this new graded structure constructed from the PLZT/PZT material. We revealed by our measurements high electrical anisotropy of this graded structure and the Impedance Spectroscopy (IS) proved to be method capable present such ineąuality in form of well separated semicircles. Additionally for ąuality testing of the both materials integration we used nano-mechanical methods. Finally our dielectric measurement demonstrated complexity of the integration process because the summary characteristics of the graded structure is not a simply addition result of starting materials parameters but are deeply influenced by a predominant diffusion direction.

PL

Roztwór stały cyrkonaniu ołowiu modyfikowany lantanem znajduje szereg zastosowań praktycznych wykorzystujących efekt fotostrykcji, który jest połączeniem efektu fotoelektrycznego z piezoelektrycznym. W przypadku transformatora piezo-ele-ktrycznego nałożenie tych dwóch efektów może zostać wykorzystane do sterowania wielkością napięcia wyjściowego przy pomocy zmiany natężenia oświetlenia. Zjawisko fotostrykcji wpływa w takim przypadku na zmianę sumarycznych wielkości współczynników piezoelektrycznych wejściowej części tego transformatora. Ta część transformatora jest wykonana z materiału fotostrykcyjnego podczas gdy, druga generatorowa część, z typowej ceramiki piezoelektrycznej PZT. Te dwie ceramiki zostały połączone w jedną strukturę w procesie spiekania, na wskutek procesu dyfuzji, tworząc monolityczny Funkcjonalny Materiał Gradientowy (FGM). Potencjalne aplikacje w zasilaczach z regulowaną przy pomocy światła wartością napięcia wyjściowego, wymagają charakterystyki właściwości elektrycznych i mechanicznych tej nowej struktury. W szczególności Spektroskopia Impedancyjna (IS) jest tu przydatną metodą badawczą ponieważ pozwala na separację i analizę wpływu poszczególnych składowych materiałów z osobna w postaci rozsuniętych półkoli. Zostały także przeprowadzone mechaniczne testy jakościowe gradientowej struktury łączącej oba materiały PLZT i PZT. W końcowym etapie przeprowadzono pomiary dielektryczne, które potwierdzają złożoność procesów integracyjnych takich struktur gradientowych ponieważ finalne charakterystyki nie są wypadkowym złożeniem przebiegów dla składowych materiałów.

13

Transformatory piezoelektryczne w elektronicznych układach zasilających

Tomalczyk K., Napiórkowski K., Więcek B.

Elektronika : prace naukowe

|

2004

|

nr 9

63-77

PL

Transformatory piezoelektryczne to przetworniki energii elektrycznej wykorzystujące sprzężenie mechaniczne. Dzięki wielu zaletom, w porównaniu do transformatorów konwencjonalnych, są coraz częściej stosowane w elektronice. Ostatnie postępy technologiczne zaowocowały opracowaniem nowego typu transformatora piezoelektrycznego o szerokim zakresie zastosowań. Pozwoli on zastąpić tradycyjny transformator magnetyczny w powszechnie stosowanych elektronicznych układach zasilających. Da to wymierne efekty w postaci miniaturyzacji i istotnego zmniejszenia zużycia energii elektrycznej przez te układy. Artykuł niniejszy stanowi ogólne wprowadzenie w tematykę transformatorów piezoelektrycznych i prezentuje wyniki wstępnych prac Zakładu Układów Elektronicznych i Termografii w tej dziedzinie.

EN

Piezoelectric transformers convert electrical energy by means of mechanical coupling. Thanks to many advantages, when compared to conventional magnetic-core transformers, they are becoming more and more widely used in electronics. The early designs of piezoelectric transformers were applicable only to high-voltage low-power circuits. The recent technological advances made it possible to build a 10W step-down piezoelectric transformer. Its application range is very wide and includes power supply circuits commonly used in consumer electronics. This is supposed to have effect in energy saving and further miniaturisation of electronic devices in the near future. The paper gives a brief introduction to the general topic of piezoelectric transformers and presents the results of initial works peformed by the Electronic Circuits and Thermography Division in this field.