Высоковольтный усилитель для управления пьезоэлементами. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Керамические пьезоэлектрические преобразователи электрического сигнала в механическое перемещение применяют в измерительной аппаратуре и оптических системах. Эти преобразователи необходимо питать импульсами напряжения значительной амплитуды (до 100 В). Описанный в статье усилитель позволяет решить эту задачу.

Собственная резонансная частота пьезоэлектрических преобразователей сигнал-перемещение, используемых в приборных системах точного воспроизведения движения, находится в пределах от единиц до десятков килогерц, а собственная емкость - от десятков тысяч до сотен тысяч пикофарад. Эти особенности нагрузки необходимо учитывать при проектировании усилителей для обеспечения устойчивости системы в целом. Подробно вопросы теории и практики построения систем на основе таких преобразователей изложены в [1].

Частотная полоса пропускания усилителя в линейной области должна в несколько раз превышать собственную резонансную частоту преобразователя. В этом случае при использовании в усилителе ОС по напряжению он будет подавлять резонансные колебания преобразователя при отработке команды. Входной сигнал поступает на вход дифференциального усилителя, собранного на ОУ DA1 (см. схему), что позволяет ослабить синфазные помехи. Резисторы R1, R2 и R3, R4 необходимо подобрать в пары по сопротивлению с точностью не хуже 0,1 %.

(нажмите для увеличения)

Вместе с усиленным сигналом на инвертирующий вход ОУ DA2 через резистор R7 поступает сигнал ОС с резистивного делителя R10R5, подключенного параллельно нагрузке BQ1. Номинальное значение сигнала на входе усилителя DA1 при указанных на схеме номиналах резисторов R1-R7, R10 равно 5 В, выходное напряжение на нагрузке при этом будет равно 100 В.

Изменение коэффициента усиления в пределах полосы пропускания не превышает +20 %, что вполне допустимо для описываемого применения усилителя. Корректирующая цепь ОС R9C2 устраняет самовозбуждение усилителя на ВЧ из-за наличия собственной емкости транзисторов выходных ступеней. Коэффициент усиления ОУ DA2 в этой частотной области зависит от отношения R9/R6. Рекомендуется выбирать это отношение меньшим или равным единице, а емкость конденсатора С2 должна быть минимальной, но обеспечивающей отсутствие самовозбуждения усилителя. На НЧ влияние этой цепи очень мало.

Высоковольтная часть устройства состоит из предварительного усилителя (VT1-VT3) и усилителя мощности (VT4-VT7).

Предварительный усилитель собран по каскодной схеме на транзисторах разной структуры [2] - VT1, VT2. Это позволяет получить наибопускания предусилителя и всего усилителя в целом. Нагрузкой ступени предварительного усиления служит источник тока на транзисторе VT3.

В отсутствие входного сигнала через резисторы R17, R18 протекает ток примерно 1,2 мА, а суммарное падение напряжения на этих резисторах - около 1,5 В. Поскольку это напряжение фактически приложено к эмиттерному переходу транзисторов VT4 и VT5, они открыты и через них протекает ток покоя по цепи: VT4 (эмиттерный переход), R22, R24, R25, R23, VT5 (эмиттерный переход). Этот ток покоя равен 0,5 мА. Его значение выбрано, с одной стороны, так, чтобы ограничить рассеиваемую выходными транзисторами мощность до уровня, позволяющего им работать без теплоотводов, а с другой - чтобы уменьшить переходные искажения, не сужая частотной полосы пропускания.

Применение источника тока в качестве коллекторной нагрузки транзистора VT2 обусловлено рядом причин. Пьезоэлектрический преобразователь в статическом режиме тока практически не потребляет (можно считать, что это конденсатор), и для поддержания заданного значения напряжения на нем вполне достаточно одной ступени усиления мощности на комплементарных транзисторах VT4, VT5. Когда на вход усилителя поступает командный импульс (перепад от 0 до 5 В и обратно до 0), усилитель мощности должен быстро зарядить емкость нагрузки до 100 В, а затем разрядить до нулевого значения. Скорость изменения выходного напряжения при этом будет прямо пропорциональна току через преобразователь BQ1.

При зарядке ток протекает от плюсового провода источника питания, в основном, через транзистор VT6, который вместе с транзистором VT4 образует составной транзистор. Разрядку обеспечивает второй составной транзистор VT5VT7. При отработке командного импульса отрицательной полярности зарядка происходит через те же транзисторы - VT5, VT7.

Диоды VD8-VD13 и резисторы R24, R25 образуют узел ограничения максимального значения тока на выходе усилителя в переходных процессах значением примерно 120 мА. Следует отметить, что от длительного аварийного замыкания нагрузки этот узел не защищает. При замыкании нагрузки на выходных транзисторах рассеивается мощность - около 15 Вт. Диоды VD14, VD15 защищают выходные транзисторы от импульсов напряжения, вызванных прямым пьезоэффектом.

В усилителе использованы резисторы МЛТ; конденсаторы С1, C3, С5, С6 - К73-17 на напряжение 160 В, С2, С4 - КМ-6, С7 - слюдяной; ОУ КР544УД2А можно заменить на К140УД23А или К140УД23Б, а транзисторы КТ850Б и КТ851Б - на 2Т882А и 2Т883А соответственно.

Налаживание усилителя следует начинать при нагрузке его конденсатором емкостью, равной собственной емкости пьезоэлемента, а затем уже проверить устойчивость работы при нагрузке пьезоэлементом. При испытаниях описываемого усилителя нагрузкой служил трубчатый пьезоэлемент с собственной емкостью 0,01 мкФ из керамики ЦТС-19. Частотная полоса пропускания высоковольтного усилителя в линейной области при этом равна 60 кГц. Скорость нарастания выходного напряжения при ступенчатом изменении входного напряжения от нуля до +5 В и спада до нуля равна 2 В/мкс.

Литература

1. Никольский А. А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 3. - М.: Мир, 1993.

Автор: А.Орлов, г.Ногинск Московской области

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива Наушники The Pilot переводят в режиме реального времени 31.05.2016 Компания Waverly Labs разработала вкладной наушник, который с помощью сопутствующего приложения на смартфоне сможет переводить иностранные языки в режиме реального времени. Так сказать, виртуальный переводчик будет сидеть прямо у вас в ухе и помогать воспринимать иностранную речь. Наушники от компании Waverly Labs получили название "The Pilot" и должны будут стоить около $300. С 25 мая должен начаться сбор средств для реализации проекта на краудфандинговой платформе Indiegogo, а первые экземпляры должны дойти до покупателей весной 2017 года. Сначала, помимо английского, будут доступны основные языки романо-германской группы. Затем список расширят славянскими и азиатскими языками, а также хинди.

Другие интересные новости:

▪ Обнаружены клетки, отвечающие за тягу к спиртному

▪ Наушники Corsair HS55 и HS65

▪ Цифровая камера в корпусе зажигалки

▪ Закодированная информация на экране телефона

▪ GaAs-солнечные батареи для крыш электромобилей

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цифровая техника. Подборка статей

▪ статья Всыпать по первое число. Крылатое выражение

▪ статья Какое бедствие сделало возможным появление пейзажа на фоне рабочего стола Windows XP? Подробный ответ

▪ статья Эксплуатация сварочного аппарата. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Регистратор солнечной энергии. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Простой двухступенчатый регулятор напряжения на базе вольтодобавочного трансформатора. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026