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如何使用高压放大器来驱动高容性压电器件
时间:2019-09-23 点击次数:53
     高压放大器的工作电压范围可能是10V至200V或更高。此外,具有大电容、高电压或高频率的任何组合的AC压电器件需要大电流驱动器。实验室中常见的信号和函数发生器可以在50Ω负载下输出低于5V的电压。当PZT换能器阻抗低于50Ω时,它们的输出电压甚至更低。高压放大器件通常需要20V或更高的电压。因此,驱动这种换能器需要具有高输出电压和高输出电流的压电放大驱动器。
 
    例如,执行器/电机指定40V峰值电压,但实验室信号发生器只能输出5V电压或更低。为了得到40V的方波,就要使用压电放大驱动器来提升发生器信号并输出高电压和大电流来驱动压电执行器。压电换能驱动器的一个示例。请注意,驱动器会放大电压、电流和功率的组合。
 
    高压放大器向换能器输出高电压和大电流。
 
    压电放大器的电压要求
 
    在选择驱动器之前先了解压电器件的电压要求非常重要。一些压电换能器仅需要峰峰值电压幅度,而其它的则指定从零到峰值电压。例如,超声换能器仅需要峰峰幅度来产生超声电平,它可以接受从负到正的电压摆动,比如正弦波电压摆幅为-30V至+30V,即60Vpp。另一方面,执行器需要零到峰值电压才能正常工作,比如0V至+40V方波。总之,了解PZT器件的电压规格并选择可满足电压范围要求的驱动器至关重要。
 
    了解容性压电功率
 
    如前所述,两种常见的压电器件在谐振频率下分别表现出容性和阻性。这两种类型的器件对功率要求是不同的。我们先来看看容性器件。
 
    许多高压放大器件本质上是容性的,其阻抗可通过前面的公式1得到。回想一下基本的电气工程原理,电容的阻抗等于其反应成分,这意味着该器件的阻抗是虚数(用j表示),而没有真正的电阻。无功器件本身不会吸收或耗散功率,因此加给器件的功率被认为是无功功率。无功功率仍需要在某处耗散,它是在PZT放大驱动器内部耗散,而不是在器件上耗散。结果,加热是在压电驱动器上,而不是PZT器件本身。无功功率可用公式3表示,其中阻抗(Z)来自公式1,电流(I)来自公式2。我们使用RMS电压值来计算RMS电流和功率。当选择驱动器时,请确保驱动器可以处理无功功率。
 
    增加实际阻抗
 
    如前所述,容性压电元件不会消耗功率。放大器内部消耗的所有无功功率都会限制其输出电流和电压。压电器件在电压下工作,而非必需的电流或功率,尽管需要大电流来维持电压,特别是在高频下。如果放大器受到散热的限制,高压放大器可以使用简单的电阻匹配技术来更好地优化放大器功耗,从而提高输出电压和电流。增加一个串联电阻,阻抗就有一个实部,并在压电放大器外部耗散功率,如图4所示。一些热量会在电阻上消散。

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