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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Amplificador de alta tensão para controlar elementos piezoelétricos. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Designer de rádio amador Conversores piezoelétricos cerâmicos de sinal elétrico em movimento mecânico são usados em equipamentos de medição e sistemas ópticos. Esses conversores devem ser alimentados por pulsos de tensão de amplitude significativa (até 100 V). O amplificador descrito no artigo permite resolver este problema. A frequência ressonante natural dos transdutores piezoelétricos de deslocamento de sinal usados em sistemas de instrumentos para reprodução precisa de movimento varia de unidades a dezenas de quilohertz, e sua própria capacidade varia de dezenas de milhares a centenas de milhares de picofarads. Estas características de carga devem ser levadas em consideração ao projetar amplificadores para garantir a estabilidade do sistema como um todo. A teoria e a prática de construção de sistemas baseados em tais conversores são apresentadas em detalhes em [1]. A largura de banda de frequência do amplificador na região linear deve ser várias vezes maior que a frequência de ressonância natural do conversor. Neste caso, quando utilizado em um amplificador de realimentação de tensão, suprimirá as oscilações ressonantes do conversor ao processar o comando. O sinal de entrada é alimentado na entrada de um amplificador diferencial montado no amplificador operacional DA1 (ver diagrama), o que permite reduzir a interferência de modo comum. Os resistores R1, R2 e R3, R4 devem ser emparelhados de acordo com a resistência com uma precisão não inferior a 0,1%.
Juntamente com o sinal amplificado, o sinal OS do divisor resistivo R2R7, conectado em paralelo com a carga BQ10, é enviado para a entrada inversora do amplificador operacional DA5 através do resistor R1. O valor nominal do sinal na entrada do amplificador DA1 com os valores dos resistores R1-R7, R10 indicados no diagrama é de 5 V, a tensão de saída na carga será de 100 V. A mudança no ganho dentro da banda passante não excede +20%, o que é bastante aceitável para a aplicação descrita do amplificador. O circuito de correção OS R9C2 elimina a autoexcitação do amplificador de RF devido à presença de capacitância própria dos transistores do estágio de saída. O ganho do amplificador operacional DA2 nesta região de frequência depende da relação R9/R6. Recomenda-se escolher esta relação menor ou igual à unidade, sendo que a capacitância do capacitor C2 deve ser mínima, mas garantir a ausência de autoexcitação do amplificador. A influência deste circuito nas baixas frequências é muito pequena. A parte de alta tensão do dispositivo consiste em um pré-amplificador (VT1-VT3) e um amplificador de potência (VT4-VT7). O pré-amplificador é montado em um circuito cascode utilizando transistores de diferentes estruturas [2] - VT1, VT2. Isso permite que você obtenha a saída máxima do pré-amplificador e de todo o amplificador como um todo. A carga do estágio pré-amplificador é a fonte de corrente no transistor VT3. Na ausência de um sinal de entrada, uma corrente de aproximadamente 17 mA flui através dos resistores R18, R1,2, e a queda total de tensão nesses resistores é de cerca de 1,5 V. Como essa tensão é realmente aplicada à junção do emissor dos transistores VT4 e VT5, eles estão abertos e fluem através deles uma corrente quiescente no circuito: VT4 (junção do emissor), R22, R24, R25, R23, VT5 (junção do emissor). Esta corrente quiescente é de 0,5 mA. Seu valor foi escolhido, por um lado, para limitar a potência dissipada pelos transistores de saída a um nível que lhes permita operar sem dissipadores de calor e, por outro lado, para reduzir a distorção transitória sem estreitar a largura de banda de frequência. O uso de uma fonte de corrente como carga coletora para o transistor VT2 se deve a uma série de razões. O transdutor piezoelétrico em modo estático praticamente não consome corrente (podemos assumir que é um capacitor), e para manter um determinado valor de tensão nele, um estágio de amplificação de potência nos transistores complementares VT4, VT5 é suficiente. Quando um pulso de comando (uma oscilação de 0 a 5 V e de volta a 0) é recebido na entrada do amplificador, o amplificador de potência deve carregar rapidamente a capacitância de carga até 100 V e então descarregá-la até zero. A taxa de variação da tensão de saída será diretamente proporcional à corrente através do conversor BQ1. Durante o carregamento, a corrente flui do fio positivo da fonte de alimentação, principalmente através do transistor VT6, que junto com o transistor VT4 forma um transistor composto. A descarga é fornecida pelo segundo transistor composto VT5VT7. Quando um pulso de comando de polaridade negativa é processado, o carregamento ocorre através dos mesmos transistores - VT5, VT7. Os diodos VD8-VD13 e os resistores R24, R25 formam uma unidade para limitar o valor máximo da corrente na saída do amplificador durante processos transitórios com valor de aproximadamente 120 mA. Deve-se observar que esta unidade não protege contra circuitos de carga de emergência de longo prazo. Quando a carga entra em curto-circuito, a energia é dissipada nos transistores de saída - cerca de 15 W. Os diodos VD14, VD15 protegem os transistores de saída dos pulsos de tensão causados pelo efeito piezoelétrico direto. O amplificador usa resistores MLT; capacitores C1, C3, C5, C6 - K73-17 para tensão 160 V, C2, C4 - KM-6, C7 - mica; O amplificador operacional KR544UD2A pode ser substituído por K140UD23A ou K140UD23B, e os transistores KT850B e KT851B podem ser substituídos por 2T882A e 2T883A, respectivamente. A configuração do amplificador deve começar carregando-o com um capacitor com capacidade igual à capacitância do próprio piezoelemento e, em seguida, verificar a estabilidade de operação quando carregado pelo piezoelemento. Ao testar o amplificador descrito, a carga era um elemento piezoelétrico tubular com capacitância intrínseca de 0,01 μF feito de cerâmica TsTS-19. A largura de banda de frequência do amplificador de alta tensão na região linear é de 60 kHz. A taxa de aumento da tensão de saída quando a tensão de entrada muda gradualmente de zero a +5 V e cai para zero é de 2 V/µs. Literatura
Autor: A. Orlov, Noginsk, Região de Moscou
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