DE3943081A1 - Amplifier circuit for load control - has control signal energising each amplifier via potential separating stage - Google Patents

Amplifier circuit for load control - has control signal energising each amplifier via potential separating stage

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DE3943081A1 DE19893943081 DE3943081A DE3943081A1 DE 3943081 A1 DE3943081 A1 DE 3943081A1 DE 19893943081 DE19893943081 DE 19893943081 DE 3943081 A DE3943081 A DE 3943081A DE 3943081 A1 DE3943081 A1 DE 3943081A1
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Abstract

The amplifier controls a load with a high unipolar output a.c. voltage, dependent on a control signal, e.g. for energising a capacitive load within a given frequency range. The control signal (Ue) energises an amplifier (V1,2) each via a potential separating stage (P1,2), between whose output is incorporated the load (Z). The amplifier voltage supply is carried out for each amplifier by two of four series connected, identical voltages sources (U). Their junction points form the respective reference potential of the amplifier inputs. Pref. the amplifiers work with their potential separating stages with a mutual phase shift of 180 deg. The overall amplifying is variable by changing both amplifiers from inverting to non-inverting mode and vice versa. USE/ADVANTAGE - For determn. of static and dynamic characteristics of mechanical structures, with energising of capacitive load for piezoelectric members.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Verstärker zur Steuerung einer Last mit hoher unipolarer Ausgangswechselspannung in Abhängigkeit eines Steuersignals, wie bei der Ansteuerung einer im wesentlichen kapazitiven Last innerhalb eines be­ stimmten Frequenzbereiches.The invention relates to a circuit arrangement for an amplifier to control a load with high unipolar output AC voltage depending a control signal, such as when driving an im essential capacitive load within a be tuned frequency range.

Zum Bestimmen statischer und dynamischer Verhaltens­ weisen mechanischer Strukturen ist es bekannt, diese Strukturen mit Erregereinheiten aus hydraulischen und pneumatischen Stellorganen zu belasten und das dabei auftretende Verhalten zu erfassen und auszuwerten. In jüngster Zeit sind für derartige Zwecke aber auch Erregereinheiten mit Stellorganen aus piezoelektrischen Elementen vorgeschlagen worden. Piezoelektrische Stellorgane benötigen jedoch Steuerschaltungen mit hinreichendem Frequenzbereich und hohen Ausgangs­ spannungen, um die erforderlichen Kräfte und Stellwege zu erzeugen. Hierfür sind besondere Verstärker notwen­ dig, um die im wesentlichen kapazitive Last solcher Elemente unterhalb der ersten Resonanzfrequenz ent­ sprechend anzusteuern.To determine static and dynamic behavior have mechanical structures, it is known Structures with excitation units made of hydraulic and to load pneumatic actuators and that to record and evaluate occurring behavior. In Recently, however, are also for such purposes Excitation units with actuators made of piezoelectric Elements have been proposed. Piezoelectric Actuators, however, require control circuits sufficient frequency range and high output tensions to the required forces and travel ranges  to create. Special amplifiers are required for this dig to the essentially capacitive load of such Ent elements below the first resonance frequency to control speaking.

Verstärker für kapazitive Lasten und hohe Ausgangs­ spannungen müssen im Einsatz wie Spannungsregler wirken, d. h. sie müssen darauf ausgerichtet sein, bei hoher Regelgeschwindigkeit Ströme bei hoher Spannungs­ stabilisierung zu liefern bzw. aufzunehmen. Solche An­ forderungen waren bisher noch nicht zu erfüllen und daher sind solche Verstärker nicht bekannt.Capacitive load and high output amplifier voltages must be used like voltage regulators act, d. H. they must be aimed at high control currents at high voltage to deliver or record stabilization. Such an So far, requirements have not been met and therefore, such amplifiers are not known.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker zum Ansteuern einer im wesentlichen kapazi­ tiven Last mit stabilisierter unipolarer hoher Wechselspannung zu schaffen, um piezoelektrische Stellorgane für Erregereinheiten zum Belasten mecha­ nischer Strukturen einzusetzen. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The invention is therefore based on the object Amplifier for driving an essentially capacitive tive load with stabilized unipolar high AC voltage to create piezoelectric Actuators for excitation units for loading mecha nical structures. This task is according to the invention by the characterizing features of Claim 1 solved.

Die erfindungsgemäße Maßnahme führt zu einem Ver­ stärker, bei dem durch Verdopplung des Ausgangsspan­ nungshubs von zwei Verstärkern mit einfachem Span­ nungshub bei geeigneter Potentialkopplung bzw. Poten­ tialtrennung eine hohe Ausgangsspannung erreicht wird.The measure according to the invention leads to a Ver stronger, by doubling the output span voltage swings of two amplifiers with simple span with a suitable potential coupling or potential tial separation a high output voltage is reached.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will become apparent from the accompanying drawings explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt das Blockschaltbild eines Ver­ stärkers, bestehend aus zwei parallel angesteuerten Verstärkern V1, V2, deren beide Ausgänge den Anschluß für die Last Z bilden. Beide Verstärker V1, V2 werden von einer Steuerspannung Ue gesteuert, die über je eine Potentialtrennstufe P1, P2 den parallelen Verstärkern V1, V2 zugeführt wird. Zur Versorgung der Verstärker V1, V2 ist eine Reihenschaltung aus vier identischen Spannungsquellen U vorgesehen, wobei jeweils zwei der in Reihe liegenden Spannungsquellen U je einen Ver­ stärker V1, V2 versorgen. Der Verbindungspunkt, der die jeweiligen Verstärker versorgenden Spannungsquellen U bildet, ist für die zugehörigen Verstärker V1, V2 das jeweilige Bezugspotential für den Verstärkereingang.The drawing shows the block diagram of a United amplifier, consisting of two parallel controlled amplifiers V 1 , V 2 , the two outputs of which form the connection for the load Z. Both amplifiers V 1 , V 2 are controlled by a control voltage Ue, which is supplied to the parallel amplifiers V 1 , V 2 via a potential isolation stage P 1 , P 2 . To supply the amplifier V 1, V 2, a series circuit of four identical voltage sources U is provided, wherein two of the voltage sources in series U supply one Ver more V 1, V2. The connection point that forms the voltage sources U supplying the respective amplifiers is the respective reference potential for the amplifier input for the associated amplifiers V 1 , V 2 .

Für die Potentialtrennstufen können bekannte Schal­ tungen eingesetzt werden, welche in der Lage sein müssen, das Steuersignal bei gleichzeitiger Verstärkung galvanisch von der übrigen Schaltung zu trennen. Hier­ für können Verstärker mit Transformatorkopplung oder mit optischer Kopplung benutzt werden. Besitzen diese (Trenn-) Verstärker Differenzeingänge, so kann durch Vertauschung der Eingänge das Signal einfach invertiert werden. In den Potentialtrennstufen P1, P2 wird die Steuerspannung Ue mit einem Kopplungsfaktor k wie folgt verknüpft:Known circuits can be used for the potential isolation stages, which must be able to galvanically separate the control signal from the rest of the circuit while amplifying it. Amplifiers with transformer coupling or with optical coupling can be used for this. If these (isolating) amplifiers have differential inputs, the signal can be simply inverted by swapping the inputs. In the potential isolation stages P 1 , P 2 , the control voltage Ue is linked with a coupling factor k as follows:

Ue1 = k1 × Ue
Ue2 = k2 × Ue.Ue 1 = k 1 × Ue
Ue 2 = k 2 × Ue.

Bei der beschriebenen Verstärkerschaltung ergibt sich der Ausgangsspannungshub für die Verstärker V1, V2 zu jeweils Ua1 bzw. Ua2, und dieser Spannungshub kann maximal den Wert ±U erreichen, was betragsmäßig 2U bedeutet. Die Ausgangsspannungen Ua1 und Ua2 sind dabei mit den Verstärkereingangsspannungen Ue wie folgt ver­ knüpft:In the amplifier circuit described, the output voltage swing for the amplifiers V 1 , V 2 is Ua 1 and Ua 2 , respectively, and this voltage swing can at most reach the value ± U, which means 2 U in terms of amount. The output voltages Ua 1 and Ua 2 are linked to the amplifier input voltages Ue as follows:

Ua1 = v1 × Ue1
Ua2 = v2 × Ue2.Ua 1 = v 1 × Ue 1
Ua 2 = v 2 × Ue 2 .

Bei einem gewählten Beispiel mit einer im wesentlichen kapazitive Last Z, z. B. ein piezoelektrischer Wandler, für denIn a chosen example with one essentially capacitive load Z, e.g. B. a piezoelectric transducer, for the

gilt, mit Co als der Kapazität des Wandlers weit unterhalb der ersten Resonanzfrequenz, wird mit der Spannung Ua versorgt, welche zwischen den beiden Verstärkerausgängen anliegt. Dabei liegt eine nicht invertierende Arbeitsweise vor, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:applies, with C o as the capacitance of the converter far below the first resonance frequency, is supplied with the voltage Ua, which is present between the two amplifier outputs. There is a non-inverting mode of operation if the following conditions are met:

Eine invertierende Arbeitsweise besteht bei Erfüllung folgender Bedingungen:An inverting mode of operation exists when fulfilled following conditions:

Wenn für die Verstärker die Bedingung V = v1 × k1 = -v2 × k2 gilt, bedeutet dies, daß der Zweig 1 mit der Potentialtrennstufe P1 und dem Verstärker V1 um 180° phasenverschoben zum Zweig 2 mit der Potentialtrenn­ stufe P2 und dem Verstärker V2 arbeitet. Für V < O arbeitet der Verstärker nicht invertierend, dagegen invertierend bei V < O. Die Ausgangsspannung an der Last Z ergibt sich aus einem Maschenumlauf mit den Ausgangsspannungen Ua1, Ua2 und den beiden mittleren Spannungsquellen U der vier in Reihe liegenden Spannungsquellen U zuIf the condition V = v 1 × k 1 = -v 2 × k 2 applies to the amplifier, this means that the branch 1 with the potential isolation stage P 1 and the amplifier V 1 phase-shifted by 180 ° to the branch 2 with the potential isolation stage P 2 and the amplifier V 2 works. For V <O, the amplifier does not work inverting, but inverting at V <O. The output voltage at the load Z results from a loop circulation with the output voltages Ua 1 , Ua 2 and the two middle voltage sources U of the four voltage sources U in series

Ua = Ua1 - Ua2 + 2U.Ua = Ua 1 - Ua 2 + 2U.

Durch Einsetzen der zuvor ermittelten Ausgangsspan­ nungen Ua1 und Ua2, verknüpft mit der oben eingeführten Gesamtverstärkung V, ergibt sich die Ausgangsspannung zuBy using the previously determined output voltages Ua 1 and Ua 2 , combined with the total gain V introduced above, the output voltage results

Ua = 2 × V × Ue + 2U.Ua = 2 × V × Ue + 2U.

Wenn die Verstärkung V die BedingungIf the gain V the condition

erfüllt, dann ergibt sich eine nicht invertierende Gesamtverstärkungsfunktion und darausfulfilled, then there is a non-inverting Overall amplification function and from it

Für Ue = |Uemax| wird Uamax = 4U undFor Ue = | Uemax | becomes Uamax = 4U and

für Ue = -|Uemax| wird Uamin = 0.for Ue = - | Uemax | Uamin = 0.

Der Verstärker ist dabei in der Lage, einen Ausgangs­ spannungshub von 4U für die Last Z zu erzeugen, der den doppelten Ausgangsspannungshub 2U eines Verstärkers darstellt.The amplifier is able to provide an output to generate a voltage swing of 4U for the load Z, which is the double output voltage swing 2U of an amplifier represents.

Gilt dagegen für die Verstärkung die BedingungHowever, the condition applies to the reinforcement

dann ist die Gesamtverstärkungsfunktion invertierend und die Ausgangsspannung folgt folgender Gleichungthen the overall gain function inverting and the output voltage follows following equation

Für Ue = |Uemax| wird Uamax = 0 undFor Ue = | Uemax | Uamax = 0 and

für Ue = -|Uemax| wird Uamin = 4U.for Ue = - | Uemax | Uamin = 4U.

Das bedeutet, daß auch bei invertierendem Betrieb ein Ausgangsspannungshub von 4U entsteht, der den doppelten Ausgangsspannungshub eines Verstärkers darstellt.This means that even with inverting operation Output voltage swing of 4U arises, which is double Output voltage swing of an amplifier represents.

Der Verstärker gemäß der Erfindung ist daher in der Lage, eine unipolare Ausgangsspannung Uss von Null bis 4U in einem bei Null beginnendem und prinzipiell unbegrenztem Frequenzbereich zu erzeugen. Mit dem realisierten Verstärker wurden Ausgangsspannungen von Null bis 1500 V in einem Frequenzbereich von Null bis 20 kHz mit maximaler Stromaufnahme und maximaler Stromabgabe im Amperebereich bei Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung bis 2 × 102 erreicht.The amplifier according to the invention is therefore able to generate a unipolar output voltage U ss from zero to 4U in a frequency range that begins at zero and is basically unlimited. With the implemented amplifier, output voltages from zero to 1500 V in a frequency range from zero to 20 kHz with maximum current consumption and maximum current output in the amp range were achieved with amplification factors in the order of magnitude up to 2 × 10 2 .

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung für einen Verstärker zur Steuerung einer Last mit hoher unipolarer Aus­ gangswechselspannung in Abhängigkeit eines Steuersignals, wie bei der Ansteuerung einer im wesentlichen kapazitiven Last innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuersignal (Ue) über je eine Potentialtrennstufe (P1, P2) je einen Verstärker (V1, V2) ansteuert, zwischen deren Ausgängen die Last (Z) liegt, und daß die Spannungsversorgung der Verstärker (V1, V2) durch jeweils zwei von vier in Reihe liegenden identischen Spannungsquellen (U) erfolgt, deren Verbindungspunkte das jeweilige Bezugspotential der Verstärkereingänge bilden. 1. Circuit arrangement for an amplifier for controlling a load with a high unipolar output AC voltage as a function of a control signal, such as when driving an essentially capacitive load within a certain frequency range, characterized in that the control signal (Ue) has a potential separation stage (P 1 , P 2 ) each drives an amplifier (V 1 , V 2 ), between whose outputs the load (Z) is located, and that the voltage supply to the amplifiers (V 1 , V 2 ) is provided by two of four identical voltage sources in series (U), the connection points of which form the respective reference potential of the amplifier inputs. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verstärker (V1, V2) mit ihren Potentialtrennstufen (P1, P2) mit einer Phasenver­ schiebung von 180° zueinander arbeiten.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the amplifier (V 1 , V 2 ) with their potential isolation stages (P 1 , P 2 ) work with a phase shift of 180 ° to each other. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtverstärkung V durch Vertauschung der beiden Verstärker (V1, V2) ein­ schließlich zugehöriger Potentialtrennstufen (P1, P2) von invertierend auf nicht invertierend und umgekehrt veränderbar ist.3. A circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the overall gain V by interchanging the two amplifiers (V 1 , V 2 ) and finally an associated potential isolating stages (P 1 , P 2 ) can be changed from inverting to non-inverting and vice versa.
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