用於壓電器件激振的新型驅動電源的製作方法
2023-10-05 08:40:49 1
專利名稱：用於壓電器件激振的新型驅動電源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於壓電器件激振的新型驅動電源，屬電子儀器技術領域。特別涉及用於壓電材料應用技術中的壓電材料驅動電源的新型實用電路的設計。
壓電技術是一門新興的技術，它主要研究壓電效應，即壓電材料在電場作用下發生伸縮變形的機理及其在工程中的應用。
應用壓電效應，利用仿生學的「蠕動」步進方式，可構成一種用於精密微動定位和驅動的步進馬達。壓電步進馬達的驅動電源需要一種數百伏的直流開關電源。在其它形式的利用壓電材料的伸縮效應進行工作的器件中，也都需要這樣一種直流開關電源。目前，雖然國內也有這樣的壓電材料驅動電源，但成本較高，一路就要五千元以上，而且頻率響應較低，只能到100Hz左右。
本發明的目的是設計一種用於壓電器件激振的新型驅動電源，給壓電材料的驅動提供一種成本較低、頻率響應範圍寬、安全、可靠、線路簡單的電源。電源輸出的高壓脈衝的前後沿傾斜度可調。
本發明設計的用於壓電器件激振的新型驅動電源，由直流穩壓電源部分和控制電路部分組成，所述的直流穩壓電源部分包括(1)將交流電進行升壓的變壓器；(2)由整流電解電容組成的整流、濾波電路，對交流電進行濾波整流後，輸入開關電晶體；(3)由兩個單穩態觸發器組成的脈衝頻率及脈寬調製電路，用以控制開關電晶體的通斷；(4)由一個三極體和一個二極體組成的放大電路，提供後續電路的驅動電源；(5)由三個二極體串聯組成的箝位電路，以加快開關速度；所述的控制電路部分包括(6)由光耦晶片組成的光耦隔離電路，實現本電源與控制信號源間的隔離；(7)由比較器和外接電阻組成的比較電路，對輸入信號進行整形；(8)由比較器和電阻電容組成的積分電路，用來調整輸出脈衝的上升沿和下降沿；(9)由比較器和電阻組成的放大電路，用以提供後續電路所需電流；(10)由晶體三極體和分壓電阻組成的開關電路，用於輸出正向脈衝電壓；
(11)由晶體三極體和分壓電阻組成的反向開關電路，用於截止正向電壓的輸出，並抽取負載的電荷。
本發明的工作原理結合
圖1描述如下直流穩壓電路通過脈寬和頻率調製的方式給控制電路提供300伏直流電壓，控制電路在輸入控制信號的控制下控制直流電源的通斷，當輸入控制信號為高電平時，開關電晶體導通，輸入的直流高壓向輸出端輸出，當控制信號為低電平時，電晶體截止，輸入的直流高壓不向輸出端輸出，高壓脈衝輸出端電壓為零。這樣，當直流高壓電源接在開關電晶體的輸入端時，控制脈衝輸入端輸入一個脈衝信號，高壓脈衝輸出端就會輸出一個高壓脈衝，高壓脈衝的頻率與控制信號的頻率一致，脈寬與控制信號的脈寬一致。
本發明的突出優點是能夠用簡單的脈寬與頻率調製方式得到300伏直流穩壓電源，在TTL電平控制脈衝信號的控制下對300伏的直流穩壓電源進行斬波，並可對脈衝輸出的波形的前後沿傾斜度進行調節，獲得滿足要求的高壓脈衝波形輸出。與已有的壓電驅動電源電路相比，本發明具有成本低，頻率響應範圍寬(頻率範圍0～200Hz)，元件易選擇，調試方便，可靠性高，適用範圍廣的特點。本發明不僅為壓電材料在步進馬達中的應用提供了安全、可靠、線路簡單、成本較低的驅動電源，而且也可廣泛用於對電源有類似電壓及脈衝波形要求的其他技術領域。
附圖簡要說明圖1為本發明總體構成框圖。
圖2為本發明的實施例中直流穩壓電源電路圖。
圖3為本發明的實施例中輸出控制電路原理圖。
下面結合圖1、圖2、圖3詳細介紹本發明的一個實施例。
圖1為本發明的總體構成框圖。該系統由直流穩壓電源和輸出控制電路兩個部分組成。
1、直流穩壓電源部分由變壓器T2、整流(B1)、濾波(E1)、脈衝頻率及脈寬調製電路(A、B兩個單穩態觸發器74LS123)、放大電路(M1/9013及D1)、箝位電路(D2、D3、D4)組成。交流電(220V)輸入變壓器T2進行變壓，經整流濾波電路輸入開關電晶體，由可調脈寬和頻率的脈衝源控制開關電晶體的通斷，由開關電晶體輸出的電壓再經濾波電路輸出高壓直流電壓。變壓由一個升壓變壓器T2完成，整流濾波電路由一個整流橋B1和大電容C1組成，脈衝頻率及脈寬調製電路由兩個晶片74LS123加上外接的電阻電容構成了可調脈衝頻率及脈寬的脈衝發生電路，放大電路由一個三極體M1/9013和二極體D1組成，箝位電路由三個二極體串聯(D2、D3、D4)加上電阻電容而成。
2、控制電路部分由光耦隔離、比較電路、積分電路、放大電路、正向開關電路、反向放電電路構成。該電路接收由計算機或其他控制電路發出的一路脈衝控制信號，該脈衝控制信號一路經過光耦隔離，經比較器進行波形整形，然後再經積分器積分及放大器放大後的信號控制充電開關電晶體的正嚮導通，開關電晶體正嚮導通控制直流高壓電源的正嚮導通。另一路控制信號經光耦隔離並反向整形後，通過積分器積分及放大器放大後，控制放電開關電晶體的導通。放電電晶體導通時，抽取壓電材料的儲存電荷，反向放電，加速高壓脈衝的關斷。光耦隔離由光耦晶片4N25完成，比較電路由比較器LM741和外接電阻組成，積分電路由比較器晶片LM741和電阻電容構成，放大電路由比較器LM741和電阻構成，正向開關電路由晶體三極體D1575和分壓電阻構成，反向開關電路由晶體三極體D1575和分壓電阻構成。
圖2為本實施例的直流穩壓電源電路圖。直流穩壓電源部分，本實施例包括變壓、整流濾波、脈衝頻率及脈寬調製電路、放大電路、箝位電路。220伏交流電接入變壓器T2，經變壓器後的交流電經整流橋B1整流及電解電容E1濾波後接入三極體的集電極。可調頻率脈寬的脈衝發生電路由兩個單穩態觸發器74LS123(A和B)加外接電路構成，一個(A)用於控制脈寬，另一個(B)用於控制頻率。當電路啟動時，總有幹擾信號竄入電路，A的輸出上升沿觸發B，不停的反覆，於是形成連續的脈衝。本發明採用了LS123可再觸發單穩態多諧振蕩器。當C＞1000pF時，74LS123單穩輸出脈衝寬度為T，由公式T＝0.45RC決定。脈衝發生器的輸出經過三極體放大後，用脈衝變壓器隔離，同時驅動兩個開關電晶體。這樣可以保證輸出的電壓信號對稱，並且調整電壓值也很方便。為了加快開關速度，採用了簡單的基極驅動電路。其工作原理是如果正脈衝Vp1加到原邊繞組時，副邊繞組感應的脈衝Vc1使Tr1導通。Vg1使Tr1導通。Vg1同時使電容C有如圖所示的電壓方向，C的電路被D2、D3、D4正向壓降(3伏之內)所箝位(也可用穩壓管Z1代替)。當原邊電壓Vp1到零伏時，副邊也為零，C的存儲電荷產生關斷Tr1的反向基極電流，這樣就減少了電晶體的存儲時間。簡單隔離變壓器產生導通脈衝，用C放電產生關斷的負脈衝。
圖3為本發明實施例的輸出控制電路原理圖。控制電路部分由光耦隔離、比較電路、積分電路、放大電路、正向開關電路、反向放電電路構成。控制信號(TTL電平脈衝信號)輸入後，一路接在U7號RN25的1和2管腳，1接正，2接負，-12伏電壓接在它的4管腳，1和2輸入一個脈衝，在它的5管腳就會輸出一個脈衝，實現了輸入控制電路與本電路的隔離。5管腳輸出的脈衝經限流分壓電阻R17輸入比較器U5LM741(LM741是電壓比較器，工作時+12電壓接它的8管腳，-12伏電壓接它的4管腳，本電路中將兩個比較器的輸入端都接地)的2管腳，電阻R19起分壓作用，6管腳就輸出波形較好的脈衝，接入積分器(由比較器U3LM741和電阻R15、R13電容C1組成，R15的電阻值和電容C1決定脈衝信號的上升和下降沿的傾斜度，調節R15則可以調節脈衝信號的波形的傾斜度)，積分器可以在一定範圍內調節輸出高壓脈衝的正向脈衝的寬度，經積分器出來的信號接入放大器(放大器由一片U1CA314放大器和電阻R5、R6、R9構成反饋放大電路，三個電阻的阻值決定了放大器的放大倍數)，經放大器出來的信號經電位器R1和固定電阻R4的分壓作用在晶體三極體T1 D1575的基極和發射極之間加上一電壓，控制晶體三極體的導通，調節電位器可以通過調節加在電晶體T1基極上的電壓值達到電晶體導通所需電壓時的快慢來調節晶體三極體T1導通的快慢，從而可以調節輸出的高壓脈衝的上升沿的傾斜度。控制信號(TTL電平脈衝信號)的另一路接在U8號4N25的1和2管腳，1接正，2接負，-12伏電壓接在它的4管腳，1和2輸入一個脈衝，在它的5管腳就會輸出一個脈衝，實現了輸入控制電路與本電路的隔離。5管腳輸出的脈衝經限流分壓電阻R18輸入比較器U6LM741的3管腳，相對於U5的輸入反了一次相，電阻R20起分壓作用，U6的6管腳輸出整形後的脈衝，接入積分器(由比較器U4LM741和電阻R14、R16、電容C2組成，R16的電阻值和電容C2決定脈衝信號的上升沿和下降沿的傾斜度，調節R16則可以調節脈衝信號的波形的傾斜度)，積分器可以在一定範圍內調節輸出高壓脈衝的正向脈衝的寬度。經積分器出來的信號接入放大器(放大器由一片CA3140放大器和電阻R7、R8、R10構成反饋放大電路，三個電阻的阻值決定了放大器的放大倍數)，由放大器出來的信號經電位器R2和固定電阻R3的分壓作用，在晶體三極體T2 D1575的基極和發射極之間加上一電壓，控制晶體三極體的導通。調節電位器可以通過調節加在電晶體T2基極上的電壓值達到電晶體導通所需電壓時的快慢來調節晶體三極體T2導通的快慢和放電電流的大小，從而可以調節輸出的高壓脈衝的下降沿的傾斜度，即壓電材料的放電快慢。用兩部分電路製作出的壓電驅動電源在壓電——電流變馬達系統中應用獲得成功。
權利要求
1.一種用於壓電器件激振的新型驅動電源，其特徵在於該驅動電源由直流穩壓電源部分和控制電路部分組成，所述的直流穩壓電源部分包括(1)將交流電進行升壓的變壓器；(2)由整流電解電容組成的整流、濾波電路，對交流電進行濾波整流後，輸入開關電晶體；(3)由兩個單穩態觸發器組成的脈衝頻率及脈寬調製電路，用以控制開關電晶體的通斷；(4)由一個三極體和一個二極體組成的放大電路，提供後續電路的驅動電源；(5)由三個二極體串聯組成的箝位電路，以加快開關速度；所述的控制電路部分包括(6)由光耦晶片組成的光耦隔離電路，實現本電源與控制信號源間的隔離；(7)由比較器和外接電阻組成的比較電路，對輸入信號進行整形；(8)由比較器和電阻電容組成的積分電路，用來調整輸出脈衝的上升沿和下降沿；(9)由比較器和電阻組成的放大電路，用以提供後續電路所需電流；(10)由晶體三極體和分壓電阻組成的開關電路，用於輸出正向脈衝電壓；(11)由晶體三極體和分壓電阻組成的反向開關電路，用於截止正向電壓的輸出，並抽取負載的電荷。
全文摘要
本發明涉及一種用於壓電器件激振的新型驅動電源,包括由光耦隔離,電壓比較,積分器,放大器,開關電晶體電路組成的高壓快速開關電路和由脈寬調製原理製作的直流穩壓電源電路。本發明的突出優點是輸出可快速跟隨控制信號的變化,滿足快速響應性,可以輸出300伏的脈衝電壓,方波脈衝的前後沿可調,負載電流8mA,可以廣泛用於壓電材料的各個應用領域及對電源有較高電壓要求和開關脈衝控制的其他技術領域。
文檔編號H02N2/14GK1206950SQ9810218
公開日1999年2月3日 申請日期1998年5月29日 優先權日1998年5月29日
發明者孟永鋼, 田煜, 敖勇 申請人:清華大學