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:

Ранняя Вселенная не была ледяной 28.11.2025

Понимание того, как формировались первые структуры во Вселенной, требует взгляда в эпохи, в которых не существовало ни звезд, ни галактик, ни привычных нам источников света. Научные группы по всему миру пытаются восстановить картину тех времен при помощи слабейших радиосигналов, оставшихся от водорода, который наполнял космос вскоре после Большого взрыва. Новые результаты, полученные на радиотелескопе Murchison Widefield Array в Австралии, неожиданным образом меняют представление об этих ранних этапах. Сразу после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиарда лет назад, пространство стремительно расширялось и остывало. Через несколько сотен тысяч лет образовался нейтральный водород, и началась так называемая эпоха тьмы, когда Вселенная была лишена источников излучения. Лишь значительно позже гравитация собрала газ в плотные области, где зародились первые звезды и ранние черные дыры, а их интенсивное излучение привело к реионизации водорода и окончательному появлению света. ...>>

Устройство идеальной очистки воздуха 28.11.2025

Качество воздуха в закрытых помещениях давно стало важнейшим фактором здоровья, особенно в городах, где люди проводят подавляющую часть времени внутри зданий. В последние годы исследователи уделяют все больше внимания именно тем технологиям, которые способны задерживать или разрушать вредоносные частицы до того, как они попадут в дыхательные пути человека. Одним из таких новаторских направлений стала разработка инженеров Университета Британской Колумбии в Оканагане, которые предложили принципиально иной подход к очистке воздуха в присутствии людей. По словам профессора Школы инженерии доктора Санни Ли, традиционные персонализированные вентиляционные системы действительно могут улучшать качество воздуха вокруг пользователя, однако их принцип работы имеет ряд ограничений. Человек вынужден находиться в строго определенной зоне, а одновременное использование одной системы несколькими людьми снижает эффективность. Кроме того, непрерывный поток сухого очищенного воздуха способен вызывать ...>>

Ощущение текстуры через экран гаджета 27.11.2025

Гаджеты научились передавать изображение и звук с впечатляющей реалистичностью, но тактильные ощущения по-прежнему остаются недоступными для полноценной цифровой симуляции. Именно поэтому инженеры и исследователи во всем мире стремятся создать технологии, которые позволят "почувствовать" виртуальный объект так же естественно, как и настоящий. Новая разработка специалистов Северо-Западного университета США стала одним из самых заметных шагов в этом направлении. Возглавлявшая исследование аспирантка Сильвия Тан (Sylvia Tan) подчеркивает, что прикосновение остается последним фундаментальным чувственным каналом, для которого пока нет зрелого цифрового аналога. По ее словам, если визуальные и звуковые интерфейсы давно обеспечивают высокую степень реалистичности, то осязание лишь начинает приближаться к этому уровню. В недавней публикации в журнале Science Advances Тан отмечает, что новая технология способна изменить само представление о взаимодействии человека с устройствами. Разработ ...>>

Случайная новость из Архива Антисептик из воды 12.10.2020 Разработанное харьковскими учеными из Института микробиологии и иммунологии имени Мечникова устройство, преобразующее обычную воду в санитайзер, начнут производить серийно. Устройство разработчики назвали IOON. Технология основана на целевом синтезе трехвалентного серебра, который разрушает бактериальную или вирусную оболочку, нарушает обмен веществ и процессы разделения (размножения) микробов. По словам ученых, они стремились создать такой антисептик, который действовал бы очень быстро, не был токсичным, убивал большинство бактерий, и к которому бактерии не смогли бы адаптироваться. Команда стартапа выиграла грант в $25000 от Ukrainian Startup Found и получила менторскую поддержку от Polish-Ukrainian Startup Bridge и EO Business Incubator. "Выигранный грант мы вложили в усовершенствование нашего устройства для серийного производства. Есть и новый корпус, и электроника, которую разработали инженеры из украинского представительства немецкой компании", - рассказали ученые.

Другие интересные новости:

▪ Спутниковая связь в диапазоне 300 ГГц

▪ Термоэлектрогенератор, использующий тепло человека

▪ Новая файловая система для Windows 8

▪ Высокопроизводительный 2-канальный 8-разрядный АЦП AT84AD004

▪ Диск нашей галактики искривлен по краям

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Часы, таймеры, реле, коммутаторы нагрузки. Подборка статей

▪ статья Эх, дороги, пыль да туман. Крылатое выражение

▪ статья Почему лондонских полицейских называют бобби? Подробный ответ

▪ статья Курильские острова. Чудо природы

▪ статья Чистка никелевых предметов. Простые рецепты и советы

▪ статья Приставка для паяльника. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025