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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Hochspannungsverstärker zur Ansteuerung piezoelektrischer Elemente. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Keramische piezoelektrische Wandler eines elektrischen Signals in mechanische Bewegung werden in Messgeräten und optischen Systemen eingesetzt. Diese Wandler müssen mit Spannungsimpulsen mit erheblicher Amplitude (bis zu 100 V) versorgt werden. Der im Artikel beschriebene Verstärker ermöglicht die Lösung dieses Problems. Die Eigenresonanzfrequenz piezoelektrischer Signal-Weg-Wandler, die in Instrumentensystemen zur präzisen Bewegungswiedergabe verwendet werden, liegt im Bereich von eins bis mehreren zehn Kilohertz, und ihre eigene Kapazität reicht von Zehntausenden bis Hunderttausenden Picofarad. Diese Lastmerkmale müssen bei der Auslegung von Verstärkern berücksichtigt werden, um die Stabilität des Gesamtsystems sicherzustellen. Die theoretischen und praktischen Fragestellungen zum Aufbau von Systemen auf Basis solcher Konverter werden ausführlich in [1] beschrieben. Die Frequenzbandbreite des Verstärkers im linearen Bereich sollte um ein Vielfaches höher sein als die Eigenresonanzfrequenz des Wandlers. In diesem Fall werden bei Verwendung in einem Spannungsrückkopplungsverstärker die Resonanzschwingungen des Wandlers bei der Verarbeitung des Befehls unterdrückt. Das Eingangssignal wird dem Eingang eines Differenzverstärkers zugeführt, der auf dem Operationsverstärker DA1 montiert ist (siehe Diagramm), wodurch Sie Gleichtaktrauschen dämpfen können. Die Widerstände R1, R2 und R3, R4 müssen paarweise entsprechend ihrem Widerstand mit einer Genauigkeit von nicht schlechter als 0,1 % ausgewählt werden.
Zusammen mit dem verstärkten Signal wird das OS-Signal vom parallel zur Last BQ2 geschalteten Widerstandsteiler R7R10 über den Widerstand R5 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA1 zugeführt. Der Nennwert des Signals am Eingang des Verstärkers DA1 mit den im Diagramm angegebenen Werten der Widerstände R1-R7, R10 beträgt 5 V, die Ausgangsspannung an der Last beträgt 100 V. Die Verstärkungsänderung innerhalb der Bandbreite überschreitet nicht +20 %, was für die beschriebene Anwendung des Verstärkers durchaus akzeptabel ist. Die R9C2 OS-Korrekturschaltung eliminiert die Selbsterregung des HF-Verstärkers aufgrund des Vorhandenseins seiner eigenen Kapazität in den Ausgangsstufentransistoren. Die Verstärkung des Operationsverstärkers DA2 in diesem Frequenzbereich hängt vom Verhältnis R9/R6 ab. Es wird empfohlen, dieses Verhältnis kleiner oder gleich eins zu wählen, und die Kapazität des Kondensators C2 sollte minimal sein, aber darauf achten, dass sich der Verstärker nicht selbst erregt. Der Einfluss dieser Schaltung auf tiefe Frequenzen ist sehr gering. Der Hochspannungsteil des Gerätes besteht aus einem Vorverstärker (VT1-VT3) und einem Leistungsverstärker (VT4-VT7). Der Vorverstärker ist nach einer Kaskodenschaltung auf Transistoren unterschiedlicher Struktur [2] aufgebaut - VT1, VT2. Dadurch können Sie den Vorverstärker und den gesamten Verstärker optimal nutzen. Die Last der Vorverstärkungsstufe ist die Stromquelle am Transistor VT3. Ohne Eingangssignal fließt ein Strom von etwa 17 mA durch die Widerstände R18, R1,2 und der gesamte Spannungsabfall an diesen Widerständen beträgt etwa 1,5 V. Da diese Spannung tatsächlich an den Emitterübergang der Transistoren VT4 und VT5 angelegt wird, Sie sind offen und durch sie fließt Ruhestrom im Stromkreis: VT4 (Emitterübergang), R22, R24, R25, R23, VT5 (Emitterübergang). Dieser Ruhestrom beträgt 0,5 mA. Sein Wert wird einerseits so gewählt, dass die Verlustleistung der Ausgangstransistoren auf ein Maß begrenzt wird, das es ihnen ermöglicht, ohne Kühlkörper zu arbeiten, und andererseits, um vorübergehende Verzerrungen zu reduzieren, ohne die Bandbreite zu verringern. Die Verwendung einer Stromquelle als Kollektorlast des Transistors VT2 hat mehrere Gründe. Der piezoelektrische Wandler verbraucht im statischen Modus praktisch keinen Strom (wir können davon ausgehen, dass es sich um einen Kondensator handelt), und eine Stufe der Leistungsverstärkung an den Komplementärtransistoren VT4, VT5 reicht völlig aus, um den eingestellten Spannungswert aufrechtzuerhalten. Wenn am Eingang des Verstärkers ein Befehlsimpuls eintrifft (Abfall von 0 auf 5 V und zurück auf 0), muss der Leistungsverstärker die Lastkapazität schnell auf 100 V laden und dann auf Null entladen. Die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung ist in diesem Fall direkt proportional zum Strom durch den Wandler BQ1. Beim Laden fließt der Strom vom Pluskabel der Stromquelle hauptsächlich durch den Transistor VT6, der zusammen mit dem Transistor VT4 einen Verbundtransistor bildet. Für die Entladung sorgt der zweite Verbundtransistor VT5VT7. Bei der Ausgabe eines Befehlsimpulses negativer Polarität erfolgt der Ladevorgang über dieselben Transistoren - VT5, VT7. Die Dioden VD8-VD13 und die Widerstände R24, R25 bilden eine Einheit zur Begrenzung des maximalen Stromwerts am Ausgang des Verstärkers bei Transienten mit einem Wert von ca. 120 mA. Es ist zu beachten, dass dieser Knoten keinen Schutz vor einem langen Notstromkreis der Last bietet. Bei geschlossener Last verbrauchen die Ausgangstransistoren Leistung – etwa 15 Watt. Die Dioden VD14, VD15 schützen die Ausgangstransistoren vor Spannungsimpulsen, die durch den direkten piezoelektrischen Effekt verursacht werden. Der Verstärker verwendet MLT-Widerstände; Kondensatoren C1, C3, C5, C6 - K73-17 für eine Spannung von 160 V, C2, C4 - KM-6, C7 - Glimmer; OU KR544UD2A kann durch K140UD23A oder K140UD23B und die Transistoren KT850B und KT851B durch 2T882A bzw. 2T883A ersetzt werden. Mit der Einstellung des Verstärkers sollte begonnen werden, wenn er mit einem Kondensator mit einer Kapazität gleich der Eigenkapazität des piezoelektrischen Elements belastet wird. Anschließend sollte die Betriebsstabilität bei Belastung mit einem piezoelektrischen Element überprüft werden. Als Last diente beim Test des beschriebenen Verstärkers ein rohrförmiges piezoelektrisches Element mit einer Eigenkapazität von 0,01 µF aus TsTS-19-Keramik. Die Frequenzbandbreite des Hochspannungsverstärkers im linearen Bereich beträgt 60 kHz. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung bei einer sprunghaften Änderung der Eingangsspannung von Null auf +5 V und einem Abfall auf Null beträgt 2 V/μs. Literatur
Autor: A. Orlov, Noginsk, Gebiet Moskau
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