Задача

Пьезоэлектрический двигатель – это линейный двигатель, выполняющий поступательные движения. Под действием силы трения ротор сцепляется с пьезоэлектрическим элементом. Прикладывается механическое напряжение, и пьезоэлектрический элемент деформируется, сдвигая ротор.

Форма воздействующего сигнала должна быть пилообразной, чтобы пьезоэлектрический элемент сдвигал ротор постепенно, а возвращался в исходное положение резко, отсоединяясь от ротора. Данный принцип работы был реализован с помощью ОУ и генератора импульсов треугольной формы 1 кГц с диодами, которые ускоряют нарастание или спад на 5% цикла. Принципиальная схема устройства показана на рисунке 1. Требуемая полоса пропускания усилителя составляет 10-15 кГц.  

Проблема

Наибольшая сложность заключается в напряжении. Требуется однополярный сигнал с положительной пиковой амплитудой 150 В. Ток должен быть таким, чтобы заряжался и разряжался пьезоэлемент с собственной емкостью С = 20 нФ.

Q = It = CV

где t = 1 мс, C = 20 нФ, V = 150 В.

Отсюда

I = CV/t = 3 мА.

Для преобразования +12 В в +200 В можно использовать преобразователь 600 мВт, рассчитанный на ток нагрузки 3 мА. Очевиден выбор усилителя – его допустимое напряжение должно быть не меньше 200 В. Однако такие усилители очень дорогие и рассчитаны на высокий ток.

Предлагаемое решение

Решение, показанное на рисунке 1, гораздо дешевле. Использован стандартный усилитель в неинвертирующем включении. Вся соль в токовом зеркале, образованном N-канальным транзистором Q3 и резисторами R4 – R7.

Транзистор включен по схеме с общим затвором. На затвор подается +12 В. Напряжение на истоке постоянно и составляет примерно +10 В, т.е. меньше на величину  Vgs(on).

Если выход усилителя IC1 меньше +10 В, через R7 идет такой же ток, что и через резисторы R4 – R6. Таким образом, напряжение усиливается с коэффициентом (R4+R5+R6)/R7 = 33. Напряжение на стоке Q3 имеет требуемую амплитуду, однако обеспечен высокий импеданс.

Комплиментраные полевые транзисторы Q1 и Q2 работают как повторители напряжения и уменьшают выходной импеданс, увеличивая выходной ток. Резисторы R2 и R3 образуют цепь отрицательной обратной связи. Конденсатор С1 задает полосу пропускания. Общий коэффициент усиления с замкнутой петлей ОС равен

(R2 + R3)/R1 + 1 = 16.

 

Небольшие хитрости

В схеме имеются тонкости. Для защиты полевых транзисторов предусмотрены стабилитроны D1 и D2.

Вместо одного резистора в токовом зеркале установлено три (R4 – R6), чтобы снизить уровень мощности и использовать резисторы поверхностного монтажа 0805/2012. Сопротивление в контуре обратной связи также образовано двумя резисторами, чтобы ослабить эффект изменения сопротивления резистора при подаче на него высокого напряжения.

Конденсатор 10 пФ обеспечивает стабильность усилителя, компенсируя действие паразитных емкостей.

Резистор R8 добавляет детерминированный полюс и повышает стабильность схемы. Он необходим, поскольку пьезоэлемент представляет собой чисто емкостную нагрузку.