CN1206950A - 用于压电器件激振的新型驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压电器件激振的新型驱动电源,包括由光耦隔离,电压比较,积分器,放大器,开关晶体管电路组成的高压快速开关电路和由脉宽调制原理制作的直流稳压电源电路。本发明的突出优点是输出可快速跟随控制信号的变化,满足快速响应性,可以输出300伏的脉冲电压,方波脉冲的前后沿可调,负载电流8mA,可以广泛用于压电材料的各个应用领域及对电源有较高电压要求和开关脉冲控制的其他技术领域。
Description
本发明涉及一种用于压电器件激振的新型驱动电源，属电子仪器技术领域。特别涉及用于压电材料应用技术中的压电材料驱动电源的新型实用电路的设计。
压电技术是一门新兴的技术，它主要研究压电效应，即压电材料在电场作用下发生伸缩变形的机理及其在工程中的应用。
应用压电效应，利用仿生学的“蠕动”步进方式，可构成一种用于精密微动定位和驱动的步进马达。压电步进马达的驱动电源需要一种数百伏的直流开关电源。在其它形式的利用压电材料的伸缩效应进行工作的器件中，也都需要这样一种直流开关电源。目前，虽然国内也有这样的压电材料驱动电源，但成本较高，一路就要五千元以上，而且频率响应较低，只能到100Hz左右。
本发明的目的是设计一种用于压电器件激振的新型驱动电源，给压电材料的驱动提供一种成本较低、频率响应范围宽、安全、可靠、线路简单的电源。电源输出的高压脉冲的前后沿倾斜度可调。
本发明设计的用于压电器件激振的新型驱动电源，由直流稳压电源部分和控制电路部分组成，
所述的直流稳压电源部分包括：
(1)将交流电进行升压的变压器；
(2)由整流电解电容组成的整流、滤波电路，对交流电进行滤波整流后，输入开关晶体管；
(3)由两个单稳态触发器组成的脉冲频率及脉宽调制电路，用以控制开关晶体管的通断；
(4)由一个三极管和一个二极管组成的放大电路，提供后续电路的驱动电源；
(5)由三个二极管串联组成的箝位电路，以加快开关速度；
所述的控制电路部分包括：
(6)由光耦芯片组成的光耦隔离电路，实现本电源与控制信号源间的隔离；
(7)由比较器和外接电阻组成的比较电路，对输入信号进行整形；
(8)由比较器和电阻电容组成的积分电路，用来调整输出脉冲的上升沿和下降沿；
(9)由比较器和电阻组成的放大电路，用以提供后续电路所需电流；
(10)由晶体三极管和分压电阻组成的开关电路，用于输出正向脉冲电压；
(11)由晶体三极管和分压电阻组成的反向开关电路，用于截止正向电压的输出，并抽取负载的电荷。
本发明的工作原理结合图1描述如下：直流稳压电路通过脉宽和频率调制的方式给控制电路提供300伏直流电压，控制电路在输入控制信号的控制下控制直流电源的通断，当输入控制信号为高电平时，开关晶体管导通，输入的直流高压向输出端输出，当控制信号为低电平时，晶体管截止，输入的直流高压不向输出端输出，高压脉冲输出端电压为零。这样，当直流高压电源接在开关晶体管的输入端时，控制脉冲输入端输入一个脉冲信号，高压脉冲输出端就会输出一个高压脉冲，高压脉冲的频率与控制信号的频率一致，脉宽与控制信号的脉宽一致。
本发明的突出优点是能够用简单的脉宽与频率调制方式得到300伏直流稳压电源，在TTL电平控制脉冲信号的控制下对300伏的直流稳压电源进行斩波，并可对脉冲输出的波形的前后沿倾斜度进行调节，获得满足要求的高压脉冲波形输出。与已有的压电驱动电源电路相比，本发明具有成本低，频率响应范围宽(频率范围0～200Hz)，元件易选择，调试方便，可靠性高，适用范围广的特点。本发明不仅为压电材料在步进马达中的应用提供了安全、可靠、线路简单、成本较低的驱动电源，而且也可广泛用于对电源有类似电压及脉冲波形要求的其他技术领域。
附图简要说明：
图1为本发明总体构成框图。
图2为本发明的实施例中直流稳压电源电路图。
图3为本发明的实施例中输出控制电路原理图。
下面结合图1、图2、图3详细介绍本发明的一个实施例。
图1为本发明的总体构成框图。该系统由直流稳压电源和输出控制电路两个部分组成。
1、直流稳压电源部分
由变压器T2、整流(B1)、滤波(E1)、脉冲频率及脉宽调制电路(A、B两个单稳态触发器74LS123)、放大电路(M1/9013及D1)、箝位电路(D2、D3、D4)组成。交流电(220V)输入变压器T2进行变压，经整流滤波电路输入开关晶体管，由可调脉宽和频率的脉冲源控制开关晶体管的通断，由开关晶体管输出的电压再经滤波电路输出高压直流电压。变压由一个升压变压器T2完成，整流滤波电路由一个整流桥B1和大电容C1组成，脉冲频率及脉宽调制电路由两个芯片74LS123加上外接的电阻电容构成了可调脉冲频率及脉宽的脉冲发生电路，放大电路由一个三极管M1/9013和二极管D1组成，箝位电路由三个二极管串联(D2、D3、D4)加上电阻电容而成。
2、控制电路部分
由光耦隔离、比较电路、积分电路、放大电路、正向开关电路、反向放电电路构成。该电路接收由计算机或其他控制电路发出的一路脉冲控制信号，该脉冲控制信号一路经过光耦隔离，经比较器进行波形整形，然后再经积分器积分及放大器放大后的信号控制充电开关晶体管的正向导通，开关晶体管正向导通控制直流高压电源的正向导通。另一路控制信号经光耦隔离并反向整形后，通过积分器积分及放大器放大后，控制放电开关晶体管的导通。放电晶体管导通时，抽取压电材料的储存电荷，反向放电，加速高压脉冲的关断。光耦隔离由光耦芯片4N25完成，比较电路由比较器LM741和外接电阻组成，积分电路由比较器芯片LM741和电阻电容构成，放大电路由比较器LM741和电阻构成，正向开关电路由晶体三极管D1575和分压电阻构成，反向开关电路由晶体三极管D1575和分压电阻构成。
图2为本实施例的直流稳压电源电路图。直流稳压电源部分，本实施例包括变压、整流滤波、脉冲频率及脉宽调制电路、放大电路、箝位电路。220伏交流电接入变压器T2，经变压器后的交流电经整流桥B1整流及电解电容E1滤波后接入三极管的集电极。可调频率脉宽的脉冲发生电路由两个单稳态触发器74LS123(A和B)加外接电路构成，一个(A)用于控制脉宽，另一个(B)用于控制频率。当电路启动时，总有干扰信号窜入电路，A的输出上升沿触发B，不停的反复，于是形成连续的脉冲。本发明采用了LS123可再触发单稳态多谐振荡器。当C＞1000pF时，74LS123单稳输出脉冲宽度为T，由公式T＝0.45RC决定。脉冲发生器的输出经过三极管放大后，用脉冲变压器隔离，同时驱动两个开关晶体管。这样可以保证输出的电压信号对称，并且调整电压值也很方便。为了加快开关速度，采用了简单的基极驱动电路。其工作原理是：如果正脉冲Vp1加到原边绕组时，副边绕组感应的脉冲Vc1使Tr1导通。Vg1使Tr1导通。Vg1同时使电容C有如图所示的电压方向，C的电路被D2、D3、D4正向压降(3伏之内)所箝位(也可用稳压管Z1代替)。当原边电压Vp1到零伏时，副边也为零，C的存储电荷产生关断Tr1的反向基极电流，这样就减少了晶体管的存储时间。简单隔离变压器产生导通脉冲，用C放电产生关断的负脉冲。
图3为本发明实施例的输出控制电路原理图。控制电路部分由光耦隔离、比较电路、积分电路、放大电路、正向开关电路、反向放电电路构成。控制信号(TTL电平脉冲信号)输入后，一路接在U7号RN25的1和2管脚，1接正，2接负，-12伏电压接在它的4管脚，1和2输入一个脉冲，在它的5管脚就会输出一个脉冲，实现了输入控制电路与本电路的隔离。5管脚输出的脉冲经限流分压电阻R17输入比较器U5：LM741(LM741是电压比较器，工作时+12电压接它的8管脚，-12伏电压接它的4管脚，本电路中将两个比较器的输入端都接地)的2管脚，电阻R19起分压作用，6管脚就输出波形较好的脉冲，接入积分器(由比较器U3：LM741和电阻R15、R13电容C1组成，R15的电阻值和电容C1决定脉冲信号的上升和下降沿的倾斜度，调节R15则可以调节脉冲信号的波形的倾斜度)，积分器可以在一定范围内调节输出高压脉冲的正向脉冲的宽度，经积分器出来的信号接入放大器(放大器由一片U1：CA314放大器和电阻R5、R6、R9构成反馈放大电路，三个电阻的阻值决定了放大器的放大倍数)，经放大器出来的信号经电位器R1和固定电阻R4的分压作用在晶体三极管T1 D1575的基极和发射极之间加上一电压，控制晶体三极管的导通，调节电位器可以通过调节加在晶体管T1基极上的电压值达到晶体管导通所需电压时的快慢来调节晶体三极管T1导通的快慢，从而可以调节输出的高压脉冲的上升沿的倾斜度。控制信号(TTL电平脉冲信号)的另一路接在U8号4N25的1和2管脚，1接正，2接负，-12伏电压接在它的4管脚，1和2输入一个脉冲，在它的5管脚就会输出一个脉冲，实现了输入控制电路与本电路的隔离。5管脚输出的脉冲经限流分压电阻R18输入比较器U6：LM741的3管脚，相对于U5的输入反了一次相，电阻R20起分压作用，U6的6管脚输出整形后的脉冲，接入积分器(由比较器U4：LM741和电阻R14、R16、电容C2组成，R16的电阻值和电容C2决定脉冲信号的上升沿和下降沿的倾斜度，调节R16则可以调节脉冲信号的波形的倾斜度)，积分器可以在一定范围内调节输出高压脉冲的正向脉冲的宽度。经积分器出来的信号接入放大器(放大器由一片CA3140放大器和电阻R7、R8、R10构成反馈放大电路，三个电阻的阻值决定了放大器的放大倍数)，由放大器出来的信号经电位器R2和固定电阻R3的分压作用，在晶体三极管T2 D1575的基极和发射极之间加上一电压，控制晶体三极管的导通。调节电位器可以通过调节加在晶体管T2基极上的电压值达到晶体管导通所需电压时的快慢来调节晶体三极管T2导通的快慢和放电电流的大小，从而可以调节输出的高压脉冲的下降沿的倾斜度，即压电材料的放电快慢。用两部分电路制作出的压电驱动电源在压电——电流变马达系统中应用获得成功。
Claims (1)
1、一种用于压电器件激振的新型驱动电源，其特征在于该驱动电源由直流稳压电源部分和控制电路部分组成，
所述的直流稳压电源部分包括：
(1)将交流电进行升压的变压器；
(2)由整流电解电容组成的整流、滤波电路，对交流电进行滤波整流后，输入开关晶体管；
(3)由两个单稳态触发器组成的脉冲频率及脉宽调制电路，用以控制开关晶体管的通断；
(4)由一个三极管和一个二极管组成的放大电路，提供后续电路的驱动电源；
(5)由三个二极管串联组成的箝位电路，以加快开关速度；
所述的控制电路部分包括：
(6)由光耦芯片组成的光耦隔离电路，实现本电源与控制信号源间的隔离；
(7)由比较器和外接电阻组成的比较电路，对输入信号进行整形；
(8)由比较器和电阻电容组成的积分电路，用来调整输出脉冲的上升沿和下降沿；
(9)由比较器和电阻组成的放大电路，用以提供后续电路所需电流；
(10)由晶体三极管和分压电阻组成的开关电路，用于输出正向脉冲电压；
(11)由晶体三极管和分压电阻组成的反向开关电路，用于截止正向电压的输出，并抽取负载的电荷。
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