Wyspecjalizowany układ sterujący silnikiem piezoelektrycznym napięciem 150V oparty na niskonapięciowym wzmacniaczu operacyjnym

Piezo

Wystarczy zastosować podstawowy wzmacniacz operacyjny i dyskretne elementy, aby sterować silnikiem piezoelektrycznym i zapewnić ochronę obwodu.
Silnik piezoelektryczny jest silnikiem liniowym z ruchem dwukierunkowym.
Wykorzystuje tarcie do włączenia twornika, co występuje, gdy rosnące napięcie odkształca materiał piezoelektryczny i porusza wirnikiem.
Następnie napięcie jest szybko usuwane.
Ze względu na sprężyste właściwości materiału, odrywa się od twornika i powraca do pierwotnego położenia, podczas gdy twornik pozostaje w nowej pozycji, przesuwając kilka mikronów wzdłuż prowadnic.
Może to być powtarzane tysiące razy z częstotliwością rzędu kiloherca.
Chociaż każde przemieszczenie jest bardzo małe, jeśli przyjrzymy się uważnie, po kilku sekundach można zauważyć, że twornik zmienił położenie.
(Muszę przyznać, że nigdy nie słyszałem o silnikach piezoelektrycznych, zanim nie poproszono mnie o stworzenie sterownika dla jednego z nich).
Obwód sterujący generuje dwa rodzaje sygnałów piłokształtnych sterujących ruchem silnika: jeden do przodu i drugi do tyłu. Jeden, z płynnym wzrostem liniowym i gwałtownym spadkiem – by posuwać się do przodu, drugi, symetryczny względem pierwszego – aby przesuwać się do tyłu.
Odbywa się to za pomocą generatora przebiegu trójkątnego o częstotliwości 1kHz i diod, które są włączane, aby skrócić czas narastania lub opadania zbocza do około 5% czasu cyklu pracy. Sterownik potrzebuje bardzo wąskiego pasma częstotliwości od 10 do 15kHz.
Problemem jest napięcie. Na szczęście jest tranzystor unipolarny, ale niestety, musi on wytrzymać +150V (w szczycie). Wymagany prąd jest wyjątkowo niewielki.
Musi być wystarczający do naładowania i rozładowania pojemności piezoelektrycznej 20nF. Obliczenia wykonane na podstawie ilości przesłanego ładunku (Q) pozwalają łatwo obliczyć:

Q=I × t = C × V
gdzie:
t= 1ms, C=20nF, V=150V
co daje:
I = C × V/t =3mA
Napięcie o wartości +200V można uzyskać przy wymaganym prądzie wyjściowym 3mA przy napięciu +12V, stosując impulsowy przetwornik podwyższający o mocy 600mW.
Najprostszym rozwiązaniem byłoby użycie wzmacniacza operacyjnego z napięciem zasilania wynoszącym, co najmniej 200V. Chociaż takie wzmacniacze operacyjne są dostępne, są one przeznaczone do zastosowań wysokoprądowych i są dość drogie.
Obwód pokazany na rysunku 1 jest znacznie tańszy i opiera się na uniwersalnym wzmacniaczu operacyjnym, używanym, jako wzmacniacz nieodwracający.
Sercem obwodu jest lustro prądowe, składające się z rezystora R7, tranzystora Q3 MOSFET z kanałem N i połączonych szeregowo rezystorów R4, R5 i R6. (Powód zastosowania trzech rezystorów połączonych szeregowo wyjaśniono poniżej).
Tranzystor Q3 jest podłączony w konfiguracji wspólnej bramki, która jest podłączona do napięcia +12 V. Napięcie na wyprowadzeniu źródła tego tranzystora pozostaje w miarę stałe na poziomie +10V (+12V minus spadek napięcia VGS(ON)).
Każde napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego IC1 mniejsze niż +10V powoduje spadek napięcia na rezystorze R7, przy czym prąd płynie z rezystora R4 do rezystora R6.
Ponieważ prąd płynący przez rezystor R7 jest taki sam jak prąd płynący przez rezystor R4 do rezystora R6, współczynnik wzmocnienia napięcia jest równy stosunkowi (od R4 do R6)/R7, czyli 33.
Napięcie na dole połączonych szeregowo rezystorów od R4 do R6 (dren tranzystora Q3) ma teraz wymaganą wartość, ale zbyt wysoką impedancję.
Para komplementarnych tranzystorów polowych działa, jako wtórnik, aby obniżyć impedancję wyjściową i zwiększyć prąd wyjściowy.
Ujemne sprzężenie zwrotne jest dostarczane przez rezystory R2 i R3, wraz z ograniczeniem szerokości pasma przez kondensator C1.
Całkowite wzmocnienie w pętli zamkniętej jest równa:
[(R2+R3)/R1] + 1 = 16
Zastanówmy się nad pewnymi subtelnościami obwodu.
Diody Zenera D1 i D2 zastosowano w celu ochrony bramek tranzystorów FET w przypadku jakichkolwiek problemów z silnikiem piezoelektrycznym, na przykład, w przypadku jego zwarcia.
Rezystancja lustra prądowego jest zapewniana przez trzy rezystory: od R4 do R6, które pozwalają zmniejszyć moc rozpraszaną przez każdy element, dzięki czemu można zastosować rezystory do montażu powierzchniowego typu 0805/2012.
Rezystancja sprzężenia zwrotnego złożona z rezystorów R2 i R3 jest podzielona na dwa elementy w celu zmniejszenia wpływu współczynnika rezystancji. Ten nieco niejasny efekt przejawia się niewielkimi zmianami początkowej rezystancji przy wysokich napięciach roboczych.
Mały kondensator sprzężenia zwrotnego między wejściem i wyjściem wzmacniacza operacyjnego zaprojektowano, aby skompensować niestabilność obwodu.
Bez niego pasożytnicze pojemności (przede wszystkim pojemność Millera CDG i pojemność elementu piezoelektrycznego) spowodowałaby przesunięcie fazowe wystarczające do oscylacji (samowzbudzenia) wzmacniacza operacyjnego.
Zniekształcenia skrośne nie stanowią problemu, ponieważ element piezoelektryczny po prostu nie może reagować na nie z powodu ograniczonej odpowiedzi częstotliwościowej.
Innym problemem byłby nieskończony biegun spowodowany czysto pojemnościowym elementem piezoelektrycznym.
Stabilność obwodu można poprawić, pobierając sygnał sprzężenia zwrotnego bezpośrednio ze źródeł tranzystorów Q1 i Q2 przez dodatkowy rezystor R8.
Po nieco drobiazgowym wyregulowaniu „lekko kapryśnego” silnika piezoelektrycznego, w efekcie końcowym obwód działał dobrze.
Twornik poruszał się tam i z powrotem z niewiarygodnie wysoką rozdzielczością.
Do sterowania piezoelektrycznym silnikiem wysokoprądowym można zastosować niskonapięciowy wzmacniacz operacyjny.
Diody D1 i D2 chronią obwód przed zwarciami obciążenia, a rezystory w połączeniach szeregowych są stosowane w celu zmniejszenia indywidualnego rozpraszania mocy przez pojedynczy rezystor i zminimalizowania ich współczynnika napięciowego rezystancji.

Autor: Alan Stummer (Kanada)

Komentarze z Facebooka

Komentarze obecnie - OFF.