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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Amplificador de alto voltaje para el control de elementos piezoeléctricos. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / diseñador radioaficionado Los convertidores piezoeléctricos cerámicos de una señal eléctrica en movimiento mecánico se utilizan en equipos de medición y sistemas ópticos. Estos convertidores deben ser alimentados por pulsos de voltaje de amplitud significativa (hasta 100 V). El amplificador descrito en el artículo le permitirá solucionar este problema. La frecuencia de resonancia natural de los transductores piezoeléctricos de desplazamiento de señales utilizados en sistemas de instrumentos para la reproducción precisa del movimiento oscila entre unidades y decenas de kilohercios, y su propia capacidad oscila entre decenas de miles y cientos de miles de picofaradios. Estas características de carga deben tenerse en cuenta al diseñar amplificadores para garantizar la estabilidad del sistema en su conjunto. La teoría y la práctica de la construcción de sistemas basados en dichos convertidores se presentan en detalle en [1]. El ancho de banda de frecuencia del amplificador en la región lineal debe ser varias veces mayor que la frecuencia de resonancia natural del convertidor. En este caso, cuando se utiliza en un amplificador de retroalimentación de voltaje, suprimirá las oscilaciones resonantes del convertidor al procesar el comando. La señal de entrada se alimenta a la entrada de un amplificador diferencial ensamblado en el amplificador operacional DA1 (ver diagrama), lo que permite reducir la interferencia de modo común. Las resistencias R1, R2 y R3, R4 deben emparejarse según la resistencia con una precisión no inferior al 0,1%.
Junto con la señal amplificada, la señal OS del divisor resistivo R2R7, conectado en paralelo con la carga BQ10, se envía a la entrada inversora del amplificador operacional DA5 a través de la resistencia R1. El valor nominal de la señal en la entrada del amplificador DA1 con los valores de las resistencias R1-R7, R10 indicados en el diagrama es de 5 V, el voltaje de salida en la carga será de 100 V. El cambio en la ganancia dentro de la banda de paso no excede el +20%, lo cual es bastante aceptable para la aplicación descrita del amplificador. El circuito de corrección OS R9C2 elimina la autoexcitación del amplificador de RF debido a la presencia de su propia capacitancia de los transistores de la etapa de salida. La ganancia del amplificador operacional DA2 en esta región de frecuencia depende de la relación R9/R6. Se recomienda elegir esta relación menor o igual a la unidad, y la capacitancia del condensador C2 debe ser mínima, pero garantizar la ausencia de autoexcitación del amplificador. La influencia de este circuito en las bajas frecuencias es muy pequeña. La parte de alto voltaje del dispositivo consta de un preamplificador (VT1-VT3) y un amplificador de potencia (VT4-VT7). El preamplificador se ensambla mediante un circuito cascodo utilizando transistores de diferentes estructuras [2] - VT1, VT2. Esto le permite obtener la máxima salida del preamplificador y de todo el amplificador en su conjunto. La carga de la etapa del preamplificador es la fuente de corriente en el transistor VT3. En ausencia de una señal de entrada, una corriente de aproximadamente 17 mA fluye a través de las resistencias R18, R1,2, y la caída de voltaje total a través de estas resistencias es de aproximadamente 1,5 V. Dado que este voltaje en realidad se aplica a la unión del emisor de los transistores VT4 y VT5, están abiertos y a través de ellos fluye una corriente de reposo en el circuito: VT4 (unión de emisor), R22, R24, R25, R23, VT5 (unión de emisor). Esta corriente de reposo es de 0,5 mA. Su valor se eligió, por un lado, para limitar la potencia disipada por los transistores de salida a un nivel que les permita funcionar sin disipadores de calor y, por otro lado, para reducir la distorsión transitoria sin estrechar el ancho de banda de frecuencia. El uso de una fuente de corriente como carga colectora para el transistor VT2 se debe a varias razones. El transductor piezoeléctrico en modo estático prácticamente no consume corriente (se puede suponer que es un condensador) y para mantener un valor de voltaje determinado a través de él, una etapa de amplificación de potencia en los transistores complementarios VT4, VT5 es suficiente. Cuando se recibe un pulso de comando (una oscilación de 0 a 5 V y de regreso a 0) en la entrada del amplificador, el amplificador de potencia debe cargar rápidamente la capacitancia de carga a 100 V y luego descargarla a cero. La tasa de cambio del voltaje de salida será directamente proporcional a la corriente a través del convertidor BQ1. Durante la carga, la corriente fluye desde el cable positivo de la fuente de alimentación, principalmente a través del transistor VT6, que junto con el transistor VT4 forma un transistor compuesto. La descarga la proporciona el segundo transistor compuesto VT5VT7. Cuando se procesa un pulso de comando de polaridad negativa, la carga se produce a través de los mismos transistores: VT5, VT7. Los diodos VD8-VD13 y las resistencias R24, R25 forman una unidad para limitar el valor de corriente máximo en la salida del amplificador durante procesos transitorios con un valor de aproximadamente 120 mA. Cabe señalar que esta unidad no protege contra circuitos de carga de emergencia a largo plazo. Cuando se produce un cortocircuito en la carga, la potencia se disipa en los transistores de salida: aproximadamente 15 W. Los diodos VD14, VD15 protegen los transistores de salida de los impulsos de tensión causados por el efecto piezoeléctrico directo. El amplificador utiliza resistencias MLT; condensadores C1, C3, C5, C6 - K73-17 para voltaje 160 V, C2, C4 - KM-6, C7 - mica; El amplificador operacional KR544UD2A se puede reemplazar con K140UD23A o K140UD23B, y los transistores KT850B y KT851B se pueden reemplazar con 2T882A y 2T883A, respectivamente. La configuración del amplificador debe comenzar cargándolo con un capacitor con una capacidad igual a la capacitancia del propio elemento piezoeléctrico, y luego verificar la estabilidad de funcionamiento cuando se carga con el elemento piezoeléctrico. Al probar el amplificador descrito, se utilizó como carga un elemento piezoeléctrico tubular con una capacitancia intrínseca de 0,01 μF hecho de cerámica TsTS-19. El ancho de banda de frecuencia del amplificador de alto voltaje en la región lineal es de 60 kHz. La tasa de aumento del voltaje de salida cuando el voltaje de entrada cambia gradualmente de cero a +5 V y cae a cero es 2 V/μs. Literatura
Autor: A. Orlov, Noginsk, región de Moscú
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