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:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Смартчасы Fenix 8 и Enduro 3 31.08.2024 Компания Garmin представила новые поколения своих популярных смартчасов - Fenix 8 и Enduro 3. Обе линейки получили значительные улучшения, которые делают их еще более привлекательными для активных пользователей. Эти устройства теперь предлагают не только более продолжительное время работы от батареи, но и новые тренировочные функции, обновленный интерфейс и ряд других инноваций. Fenix 8 предлагает пользователям возможность выбрать между ярким AMOLED-дисплеем или более энергоэффективным MIP-дисплеем. AMOLED-дисплей обеспечивает лучшую видимость данных, тогда как MIP-дисплей позволяет экономить заряд батареи. Варианты с AMOLED-дисплеем доступны в размерах 43 мм, 47 мм и 51 мм, а модели с MIP-дисплеем - в размерах 47 мм и 51 мм. Время работы на одном заряде впечатляет: модели с AMOLED-дисплеем могут работать до 29 дней, а с MIP-дисплеем - до 48 дней в режиме смартчасов. Garmin также улучшила функцию зарядки от солнечных батарей, что значительно увеличило автономность устройств. Fenix 8 поддерживает защиту сенсоров и герметичные кнопки, что делает его надежным и долговечным. Важной новинкой для пользователей Fenix 8 стало появление встроенного микрофона и динамика. Теперь можно принимать звонки прямо с запястья, если часы соединены со смартфоном через Bluetooth. Кроме того, появились простые голосовые команды, которые можно выполнять непосредственно на часах, даже без телефона, такие как установка таймера. Приложение Garmin Messenger позволяет обмениваться сообщениями с друзьями и семьей. Однако для использования этой функции приложение должно быть установлено и на смартфоне собеседника. Для фитнес-энтузиастов доступны продвинутые силовые тренировки и многодневные тренировочные планы, адаптированные под конкретные виды спорта. Часы также предлагают новые возможности для дайвинга и обновленный интерфейс карты. Цена на Fenix 8 начинается с $999,99. Garmin Enduro 3 продолжает традиции своей линейки, предлагая экстремально длительное время работы от батареи. Эти массивные 51-миллиметровые часы обеспечивают до 320 часов с включенным GPS-трекингом или до 90 дней в режиме смартчасов. Это более чем вдвое превышает возможности предыдущей модели Enduro 2, что стало возможным благодаря улучшенной солнечной зарядке. Enduro 3 сохраняет прочную конструкцию с титановым безелем и сапфировым стеклом, а также встроенным светодиодным фонариком. Часы оснащены технологией SatIQ, которая улучшает навигационные функции, и предлагают пользователям путеводители NextFork Map Guides, а также новые тренировочные инструменты Garmin. Модель Enduro 3 уже доступна на рынке по цене $899,99.

Другие интересные новости:

▪ Творческие люди получают удовольствие от траты времени впустую

▪ Искусственный лист, улавливающий углекислый газ

▪ Радар согреет

▪ Акустические датчики на армейских касках выявят снайперов

▪ Apple и Google полностью перешли на возобновляемые источники энергии

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Жизнь замечательных физиков. Подборка статей

▪ статья Эдгар Хоу. Знаменитые афоризмы

▪ статья Какие солдаты из восточных мусульманских стран воевали на стороне гитлеровской армии? Подробный ответ

▪ статья Растения пустыни. Советы туристу

▪ статья Сигнализатор уровня воды. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья УКВ радиоприемник на микросхеме КХА058. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026