圧電素子制御用高電圧アンプ。スキーム、説明

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圧電素子を制御するための高電圧アンプ。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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電気信号を機械的な動きに変換するセラミック圧電コンバータは、測定機器や光学システムで使用されます。これらのコンバータは、大きな振幅 (最大 100 V) の電圧パルスによって電力を供給する必要があります。この記事で説明されているアンプを使用すると、この問題を解決できます。

動きを正確に再現するために機器システムで使用される圧電信号対変位変換器の固有共振周波数は単位から数十キロヘルツの範囲にあり、それ自身の静電容量は数万から数十万ピコファラッドの範囲にあります。システム全体の安定性を確保するには、アンプを設計する際に負荷のこれらの特徴を考慮する必要があります。このようなコンバータに基づいてシステムを構築する理論と実践の問題については、[1] で詳しく説明されています。

線形領域におけるアンプの周波数帯域幅は、コンバータの固有共振周波数よりも数倍高くなければなりません。この場合、電圧フィードバックアンプで使用すると、コマンド処理時のコンバータの共振発振が抑制されます。入力信号は、オペアンプ DA1 に組み込まれた差動アンプの入力に供給され (図を参照)、コモンモードノイズを減衰できます。抵抗器 R1、R2 および R3、R4 は、抵抗値に応じて 0,1% 以下の精度でペアで選択する必要があります。

（クリックして拡大）

増幅された信号とともに、負荷 BQ2 と並列に接続された抵抗分圧器 R7R10 からの OS 信号が、抵抗 R5 を介してオペアンプ DA1 の反転入力に供給されます。図に示されている抵抗R1〜R1、R7の値を伴うアンプDA10の入力における信号の公称値は5 Vであり、負荷における出力電圧は100 Vになります。

帯域幅内のゲインの変化は +20% を超えず、これはアンプの説明したアプリケーションにとっては十分許容範囲です。 R9C2 OS補正回路は、出力段トランジスタに存在する独自の容量によるRFアンプの自励励振を排除します。この周波数領域におけるオペアンプ DA2 のゲインは、R9/R6 の比に依存します。この比を 2 以下に選択することをお勧めします。また、コンデンサ CXNUMX の静電容量は最小限にする必要がありますが、アンプが自励しないようにする必要があります。この回路が低周波に与える影響は非常に小さいです。

デバイスの高電圧部分は、プリアンプ (VT1 ～ VT3) とパワーアンプ (VT4 ～ VT7) で構成されます。

プリアンプは、異なる構造のトランジスタ [2] - VT1、VT2 のカスコード回路に従って組み立てられます。これにより、プリアンプとアンプ全体を最大限に活用することができます。前置増幅段の負荷は、トランジスタ VT3 の電流源です。

入力信号がない場合、抵抗 R17、R18 には約 1,2 mA の電流が流れ、これらの抵抗の合計電圧降下は約 1,5 V になります。この電圧は実際にはトランジスタ VT4 と VT5 のエミッタ接合に印加されるため、それらはオープンであり、回路内の静止電流が流れます: VT4 (エミッタ接合)、R22、R24、R25、R23、VT5 (エミッタ接合)。この静止電流は 0,5 mA です。その値は、一方では出力トランジスタによる消費電力をヒートシンクなしで動作できるレベルに制限し、他方では帯域幅を狭めることなく過渡歪みを低減するように選択されます。

トランジスタＶＴ２のコレクタ負荷として電流源を使用するのには、多くの理由がある。圧電トランスデューサは静的モードでは事実上電流を消費せず（これはコンデンサであると想定できます）、設定電圧値を維持するには相補トランジスタ VT2、VT4 での 5 ステップの電力増幅で十分です。コマンドパルスがアンプの入力に到着すると (0 から 5 V に降下し、0 に戻る)、パワーアンプは負荷容量を急速に 100 V に充電し、その後ゼロまで放電する必要があります。この場合の出力電圧の変化率は、コンバータ BQ1 を流れる電流に正比例します。

充電時、電流は電源の正線から主にトランジスタ VT6 を通って流れ、トランジスタ VT4 とともに複合トランジスタを形成します。放電は、第 5 複合トランジスタ VT7VT5 によって行われます。負極性のコマンドパルスを生成する場合、同じトランジスタ VT7、VTXNUMX を通じて充電が発生します。

ダイオード VD8 ～ VD13 と抵抗 R24、R25 は、過渡時のアンプ出力の最大電流値を約 120 mA に制限するユニットを形成します。このノードは負荷の長い緊急回路から保護されないことに注意してください。負荷が閉じると、出力トランジスタは約 15 ワットの電力を消費します。ダイオード VD14、VD15 は、直接的な圧電効果によって生じる電圧パルスから出力トランジスタを保護します。

アンプには MLT 抵抗が使用されています。コンデンサC1、C3、C5、C6 - 73 Vの電圧用のK17-160、C2、C4 - KM-6、C7 - マイカ。 OU KR544UD2A は K140UD23A または K140UD23B に、トランジスタ KT850B と KT851B はそれぞれ 2T882A と 2T883A に置き換えることができます。

アンプの調整は、圧電素子の固有容量と等しい容量のコンデンサを負荷した状態から開始し、圧電素子を負荷した場合の動作の安定性を確認してください。上記のアンプをテストする場合、TsTS-0,01 セラミックで作られた 19 μF の静電容量を持つ管状圧電素子が負荷として機能しました。高電圧アンプの線形領域の周波数帯域幅は 60 kHz です。入力電圧がゼロから +5 V まで段階的に変化し、ゼロに降下する場合の出力電圧のスルーレートは 2 V/μs です。

文学

Nikolsky AA ピエゾ補償器を備えた精密な 1988 チャンネルサーボドライブ。 - M.: Energoatomizdat、XNUMX 年。
Horowitz P.、Hill W.回路の芸術。 T. 3. - M.: ミール、1993年。

著者：A。Orlov、ノギンスク、モスクワ地方

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