压电陶瓷变压器在静电复印机上的应用研究
1 引言
随着科学技术发展，静电复印机已经成为办公自动化的主要设备，在行政、技术、医疗、企业管理等领域起着越来越大的作用。目前使用最广泛的静电复印机是卡尔逊复印法静电复印机，这种复印机通常有充电、转印、分离、偏压四组高压，它们的电压值高达数千伏，负载电流也有几十到几百微安，在四组高压电源中，要求充电高压电源具有较好的恒流特性，电流稳定系数小于3%，另外三组高压电源具有较好的恒压特性，电压稳定系数也小于±3%。这些高压传统的产生主法是采用电子逆变技术，电磁变压器是逆变器的升压器件，由于受体积的限制，升压变压器的绕制及绝缘处理困难，变压器的次组绕组工作在高压状态易打火，击穿是静电复印机中故障率较高的部件。
我们采用PMMN四元系陶瓷材料［3］制备出片式结构的压电陶瓷变压器，又以它为升压器件，以双管自激式振荡器为驱动器，以脉宽调制器为稳定调整电路，分别为卡尔逊复印研制出恒压高压电源和恒流高压电源，从根本上解决了静电复印机中传统高压电源所存在的问题，显示出极好的推广应用前景。
2 压电陶瓷变压器
2.1材料与结构
压电陶瓷变压器采用Pb(Mg1/3Nb2/3)A(Mn1/3Nb2/3)BZrcTiDO3陶瓷材料制备，在配方中添加适量CeO2和用Sr部分取代铅材料的温度特性得到了改善。该材料品质因数Qm值可达3500、压电常数d33为310、Kp为0.64，这些对制备高升压比压电陶瓷变压器是非常有利的。
压电陶瓷变压器采用传统工艺制备而成，为了提高升压比，将压电陶瓷变压器结构设计成长条片形，几何尺寸为40mm×8mm×1.5mm，其结构如图1所示。整个瓷片分成两个部分：左半部分上下两面都烧渗有银的电极，沿厚度方向激化作为输入端，称为驱动部分，右半部分的右端是烧渗银的电极，沿长度方向激化，作为输出端，称为发电部分。这种压电陶瓷变压器空载升压比为300，全波谐振模式谐振频率为85kHz，转换效率最高可达90%。

2.2基本特性
压电陶瓷变压器是谐振体，只有在驱动电压频率等于压电陶瓷耦合器固有谐振频率、谐振体处于谐振状态、沿长度方向振幅最大的情况下，才能进行有效的电压变换。压电陶瓷变压器等效电路比较复杂，考虑到输出端对输入端的影响，用电声学理论最终可导出从输入端看进去的等效电路如图2所示。图中Co表示压电陶瓷变压器输入极板之间的静态电容L1、C1分别为驱动部分的动态等效电感和等效电容，R为等效损耗电阻，在忽略损耗情况下，压电陶瓷变压器谐振频率为

（1）
反谐振频率为
（2）
谐振时电路为串联谐振性质。理论分析及实验结果证明：压电陶瓷变压器空载时输入谐振阻抗很小，只有几百欧，且为纯电阻，重载时损耗变大，谐振阻抗增加，一般在几百欧到几千欧之间。压电陶瓷变压器的输出阻抗很大，因此不怕短路，但也要尽量避免开路工作。压电陶瓷变压器等效电路是设计驱动电路的基础。
3驱动电路
驱动压电陶瓷变压器的频率，需要与压电陶瓷变压器的谐振频率保持一致，而实际上压电陶瓷变压器的谐振频率常常受到负载阻抗、环境温度等外界因素的影响而发生变化。为了得到最佳输出，需要跟踪谐振频率的变化对驱动频率进行自动调整。另外由于压电陶瓷变压器的输出阻抗很大，当负载变化时，输出电压随之变化，难以满足高压电源输出电压稳定性的技术要求，因此也需要一种调整电路对输出高压进行自动调整。我们以双管自激式振荡电路为驱动电路，以脉宽调制器为高压稳定调整电路，很好的解决了这些问题。
图3是静电复印机转印稳压高压电源的工作原理图。图中Q1、Q2、T1、T2、T、R1、D2、C5组成双管自激式振荡电路，T1为驱动变压器，T2为反馈振荡线，T是压电陶瓷变压器，L2、C2组成谐振回路，合理调整L2的电感量，使谐振频率等于压电陶瓷变压器谐振频率，这时压电陶瓷变压器输出电压最高，输入阻抗最低，通过L1的反馈电流最强，当压电陶瓷变压器的固有谐振率发生变化时，通过反馈实现驱动电路的频率跟踪。

该电源稳压调整电路由脉宽调制器PWM、Q3、L、D1、C1组成，R2、W、R3是取样电路，下面以负载电阻增加使输出电压升高为例来说明高压稳定原理，当高压升高时，脉宽调制器反相输入端1脚电压升高，输出端2脚输出脉宽变窄，经过晶体管Q3电流放大、L、C2滤波后的输出电压（即自激式振荡电路的输入电压）降低，又使输出高压降低，从而实现了该电源输出的稳定。这种高压调整电路的优点是稳定性好、工作效率高。
静电复印机充电稳流高压电源电路结构除取样回路与上述电路不同外，其他部分完全一样。
4实验结果
压电陶瓷变压器转印高压电源根据静电复印机技术条件进行实验。
4.1负载稳定性实验
在额定输入电压31V，输出电压5.7kV，负载电阻为19MΩ条件下，改变负载电阻使输出电流变化±30%，输出电压变化应小于±3%。图4是压电陶瓷变压器转印高压电源的输出电压随负载变化曲线。图中曲线A是未知调整电路时的Uo-RL曲线，曲线B是加调整电路后Uo-RL曲线，从图可以看出，加稳压电路后，电源的电压调整率得到很大改善，输出电压变化小于±2%，完全可满足静电复印机的技术要求。

4.2温度实验
电源样品置入高低温箱内，将高压输出线引出箱外，由Q3高压表测试输出高压，箱内温度调到-10℃，20 min后启动高压并开始升温，每升10℃保温20 min使样品温度与环境温度达热平衡，最终升温到60℃，图5是输出电压的温度变化曲线。从图可以看出，压电陶瓷变压器转印高压电源输出高压随温度变化小于1%。

4.3潮湿实验
将电源样品置入恒湿温箱内，在温度为93%±3%，温度为40±2℃条件下，存放48 h，高压电源工作正常。压电陶瓷变压器被银电极无锈蚀。
5结论
研究及实验表明，将PMMN压电陶瓷变压器用于静电复印机高压电源不仅能满足静电复印机技术条件，而且与传统的高压电源相比还具有体积小、质量轻、不怕短路、不会击穿、工作效率高等显著特点，很好地解决了传统的静电复印机高压电源故障率高的问题，有极好的推广应用前景。■

参考文献
［1］ 包学城，徐维铮，陈 离.静电复印机原理与设计［M］.上海:上海交通大学出版社，1992.168-170.
［2］ 张晓敏，杨清汉.复印技术300题［M］.上海:上海交通大学出版社，1993.
［3］ 邝安祥，周桃生，何昌鑫，等.大功率压电陶瓷变压器［J］.科学通报，1989，11：811-813.