LV14548B - Pjezoelektriska manipulatora vadības iekārta - Google Patents
Pjezoelektriska manipulatora vadības iekārta Download PDFInfo
- Publication number
- LV14548B LV14548B LVP-12-60A LV120060A LV14548B LV 14548 B LV14548 B LV 14548B LV 120060 A LV120060 A LV 120060A LV 14548 B LV14548 B LV 14548B
- Authority
- LV
- Latvia
- Prior art keywords
- voltage
- piezoelectric
- inertial
- manipulator
- microcontroller
- Prior art date
Links
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 16
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 11
- 108091006146 Channels Proteins 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010075750 P-Type Calcium Channels Proteins 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003292 diminished effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
- H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
- H02N2/025—Inertial sliding motors
Landscapes
- Manipulator (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Description
Izgudrojuma apraksts
Tehnikas joma
Izgudrojums attiecas uz enerģijas pārveidošanu un elektrisko signālu formēšanu. Tas ļauj zema sprieguma elektrisko enerģiju pārveidot augsta sprieguma un lielas strāvas impulsos, kas piemēroti pjezoelektrisku manipulatoru un skeneru darbināšanai.
Zināmais tehnikas līmenis
Pjezoelektriskais manipulators ir pjezoelektriskā iekārta, kas maina savu formu atkarībā no pieliktā sprieguma. Pjezoelektriski darbināma inerciālā slīde ir labi zināms mehāniskās manipulācijas paņēmiens dažādu objektu pārvietošanai ar mikrometru un nanometru precizitāti. It īpaši tas ir sekmīgi pielietots attāluma maiņai skenējošās zondes mikroskopos. Tomēr ari pēdējo gadu laikā turpinās pjezoelektrisko iekārtu kontroles shēmu izstrāde (FLAXER, Eli. Multichannels high voltage programmable driver for piezoelectric transducer. Rev. Sci. Instrum. 2008, vol.79, no.3, p.0351047). Parauga inerciālā slīde uz platformas, kas pievienota pjezoelektriskajam manipulatoram, rodas, ja manipulatoram pieliktā sprieguma straujas izmaiņas izraisa platformas paātrinājumu, kas pārsniedz iespējamo berzes spēka radīto paātrinājumu. Kad lēnu pieliktā sprieguma izmaiņu gadījumā slīdēšana nenotiek un paraugs pārvietojas monotonā atkarībā no pieliktā sprieguma, to sauc par pjezomanipulatora skenējošo kustības režīmu. Par platformu tiek uzskatīts ciets ķermenis ar gludu virsmu. Normālais spēks, kas nodrošina berzi starp paraugu un platformu, var rasties no spēku lauka vai tiešā veidā, piemēram, izmantojot elastīgas atsperes.
Pjezoelektriskās manipulācijas sistēmās ir vēlams, lai berzes spēks būtu pietiekami liels un nodrošinātu parauga fiksāciju pie platformas un veicot darbu skenējošajā režīmā tas neslīdētu.
Pjezoelektriskie manipulatori bieži tiek darbināti ar lielu pielikto spriegumu (apmēram 200V), ko regulē ar lineāru pastiprinātāju, kas nodrošina gan inerciālās slīdes, gan skenējošās kustības režīmus. Inerciālās slīdes režīmā pastiprinātāja ieejā parasti ir pieslēgts zāģsprieguma ģenerators, kas pastiprinātāja izejā un uz pjezoelektriskā manipulatora elektrodiem rada vienu otram sekojošus intervālus ar strauji un lēni mainīgu spriegumu. Tomēr ne zāģsprieguma forma, ne pastiprināšanas veids nav optimāli pielietojumiem skenējošās zondes mikroskopijā, jo tie rada lielus enerģijas zudumus un izraisa lielas parauga svārstības.
Par lineāro pastiprinātāju parasti izmanto operacionālo pastiprinātāju ar lielas jaudas augstsprieguma gala pakāpi un atgriezenisko saiti, kas nodrošina sistēmas linearitāti. Pjezoelektriskajām iekārtām ir raksturīga liela iekšējā kapacitāte (pielāka par 1 nF), un tās ātrai uzlādēšanai ar augstu spriegumu, kas izraisa inerciālo slīdi, ir nepieciešams pastiprinātājs ar lielu maksimāli pieļaujamo strāvu. Praktiski lineārie augstsprieguma pastiprinātāji, ko izmanto pjezoelektrisko manipulatoru darbināšanai, patērē pārāk lielu jaudu, lai tos darbinātu ar portatīvām baterijām, un tiek konstruēti kā elektriskajam tīklam pieslēgti instrumenti ar pietiekamu dzesēšanu.
Pjezoelektrisko manipulatoru izmantošanai kontrolētas gāzes vidē vai vakuumā tie ir jāievieto hermētiski noslēgtā traukā, nodrošinot elektriskos kontaktus, izmantojot trauka sienām cauri ejošus savienojumus. Manipulatoriem ar vairākām brīvības pakāpēm ir nepieciešami vairāki caurejošie savienojumi. Gadījumos, kad pjezoelektriskos manipulatorus ir nepieciešams atkārtoti ievietot un izņemt no hermētiski noslēgta trauka, izmantojot spiediena slūžas, caurejošie elektriskie savienojumi var izrādīties nepraktiski vai ekonomiski neizdevīgi. Esošās pjezoelektrisko manipulatoru vadības sistēmas, kas satur lineāros augstsprieguma pastiprinātājus, nevar darboties no kompaktām baterijām pietiekami ilgi, lai tos praktiski izmantotu, jo jau miera režīmā tie patērē salīdzinoši lielu elektrisko jaudu.
Ir zināma iekārta bez lineārajiem pastiprinātājiem, kas konstruēta citiem nolūkiem, bet spēj vadīt pjezoelektriskās ierīces skenēšanas režīmā, izmantojot pārnēsājamo bateriju enerģiju (EP 1622249). Tomēr tā nespēj radīt pietiekami ātru sprieguma lēcienu uz pjezoelektriskās ierīces elektrodiem, lai izraisītu inerciālo slīdi pie pietiekami lielas berzes, kas ir vēlama manipulācijas iekārtās.
Ir ari zināma pjezoelektriskās manipulācijas iekārta (W02009104830), kas izmanto impulsa platuma modulāciju (IPM). Zināmā iekārta nevar nodrošināt pietiekamu sprieguma izmaiņas ātrumu, jo IPM metodes pamatā ir efektīga zemfrekvenču filtrēšana. Turklāt IPM signāla periodiskais raksturs izraisa strāvas plūsmu un enerģijas zudumus zemfrekvenču filtrā, kuru daļēji veido pats pjezoelektriskais elements pat tad, ja ir nepieciešams konstants manipulācijas iekārtai pieliktais sprieguma līmenis.
Problēma saglabājas ari, ja manipulatora darbināšanai izmanto lineāru pastiprinātāju un soļa gājumu regulē ar izejas signāla amplitūdu, nemainot barošanas sprieguma vērtību. Turklāt lineārie pastiprinātāji patērē ievērojamu jaudu ari tukšgaitā.
Pjezoelektriskā manipulatora darbināšanas iekārta inerciālās slīdes režīmā bez lineāra pastiprinātāja (EP2110940) izmanto pilnu tranzistoru tilta slēgumu, kas ir darbināms no vienas polaritātes barošanas avota un regulē parauga pārvietošanās ātrumu ar periodisku vadības signālu darba ciklu vai ari aizsardzības rezistora vērtību. Lai ari zināmā iekārta samazina pjezoelektriskā elementa silšanu, izkliedējot enerģiju aizsardzības pretestībā, tas nesamazina kopējo enerģijas patēriņu. Tas ari nav piemērots, lai radītu signālus manipulatora darbināšanai skenēšanas režīmā.
Zināmajiem pjezoelektrisko manipulatoru kontrolieriem, kas izmanto lineārus pastiprinātājus vai ari nesimetrisku periodiska signāla impulsu samēru, ir principiāla nepilnība, proti, pjezoelektriskās iekārtas iekšējā kapacitātē uzkrātās enerģijas attiecība pret zudumiem virknes pretestībā ir daudz mazāka par teorētiski iespējamo.
Izgudrojuma atklāsme
Izgudrojuma mērķis ir samazināt pjezoelektriskās manipulatora vadības iekārtas enerģijas patēriņu, nodrošināt ilgstošu autonomu pjezoelektriskā manipulatora darbību, izmantojot nelielu enerģijas avotu un bezvadu vadības sistēmu, kas var darboties hermētiski noslēgtā tilpumā, piemēram, kontrolēta gāzu maisījuma vai vakuuma apstākļos.
Piedāvātā pjezoelektriskā manipulatora vadības iekārta, kas var darboties gan inerciālās slīdes, gan skenējošajā režīmā, satur divu pakāpju sprieguma pārveidotājus un tranzistoru tilta slēgumu ar impulsu garuma ierobežotāju, kas, izmantojot minētās pjezoelektriskās ierices iekšējo kapacitāti, veido inerciālās slīdes nodrošināšanai nepieciešamo impulsu formu. Iekārta ari nodrošina minēto pjezoelektrisko ierīču darbināšanu skenējošā režīmā.
Iekārta ietver primāro enerģijas avotu, divus līdzspriegumu pārveidotājus, komunikāciju moduli, mikrokontrolieri, tranzistoru tilta slēgumu un slēdžu moduļus. Primārais enerģijas avots ir nestabilizēts zema sprieguma elektriskās enerģijas avots, kas caur diviem sprieguma pārveidotājiem (pirmo un otro) ir savienots ar tranzistora tilta slēgumu, kas ir aprīkots ar impulsa garuma ierobežotāju, kurš veido inerciālās slīdes nodrošināšanai nepieciešamo impulsu formu, pie kam sprieguma uz pjezoelektriskā elementa elektrodiem atkarību no laika nosaka šunta rezistori, kuru viens izvads ir pievienots pie sistēmas nulles potenciāla, bet otrs izvads ir pievienots pie pjezoelektriskā elementa elektroda. Pirmais sprieguma pārveidotājs, izmantojot primārā enerģijas avota jaudu, nodrošina pārējo iekārtu ar stabilizētu zema līmeņa barošanas spriegumu. Otrais sprieguma pārveidotājs satur vadāmu impulsu ģeneratoru, kas vada sprieguma paaugstināšanas ķēdi un sastāv no: tranzistoru slēdža; transformatora, kas ģenerē augstsprieguma impulsus un ir savienots ar diožu tiltu un kondensatoru Cl; pretestības R1 un R2, kas veido sprieguma dalītāju komparatora ieejā, kas izslēdz impulsu ģeneratoru ar SE signālu, kad kondensators Cl ir uzlādēts un samazina kondensatora Cl spriegumu, ja SR spriegums ir samazināts, lai ļautu pakāpeniski regulēt sprieguma UHP vērtību skenēšanas režīmā, pie tam tranzistoru tilts papildus satur lauktranzistorus ar izolētu aizvaru un inducētu kanālu.
Zīmējumu īss apraksts:
Fig.1 ir parādīta pjezoelektriskā manipulatora vadības sistēmas blokshēma;
Fig.2 ir parādīta augstsprieguma pārveidotāja principiālā shēma;
Fig.3 ir parādīta principiālā shēma tranzistoru tilta slēgumam ar impulsa garuma ierobežotāju.
Piedāvātā iekārta, satur primāro enerģijas avotu (1), pirmo līdzspriegumu paaugstinošo pārveidotāju (2), komunikāciju moduli (3), mikrokontrolieri (4), otro līdzsprieguma paaugstinošo pārveidotāju (5), pilnu tranzistoru tilta slēgumu (6), slēdžu moduli (7), pjezoelektrisko manipulatoru (8), vadāmo impulsu ģeneratoru (9) (skat. Fig. 2), tranzistoru slēdzi (10), transformatoru (11), diožu tiltu (12), komparatoru (13), lauktranzistorus (14, 15) ar izolētu aizvaru un inducētu „p” tipa kanālu (skat. Fig.3), lauktranzistorus (16,17) ar izolētu aizvaru un inducētu „n” tipa kanālu, kā ari invertorus (18, 19).
Piedāvātā iekārta sastāv no vairākiem elektriski savienotiem blokiem kā parādīts Fig.l. Primārais enerģijas avots (1), piemēram, baterija, ģenerē nestabilizētu spriegumu U1 un ir savienots ar pirmo līdzspriegumu paaugstinošo pārveidotāju (2), kas ģenerē stabilizētu spriegumu U2, ko savukārt izmanto, lai darbinātu komunikāciju moduli (3), mikrokontrolieri (4) un otro līdzspriegumu paaugstinošo pārveidotāju (5). Bloki (2, 3, 4 un
5) ir savstarpēji elektriski savienoti. Komunikāciju modulis (3) ir izveidots ar iespēju būt saskarnē ar tālvadības kontroles sistēmu, piemēram, optisku vai radiofrekvenču raidītāju.
Dati starp mikrokontrolieri (4) un komunikāciju moduli (3) var tikt saņemti un sūtīti izmantojot diskrētus signālus SRX un STX. Mikrokontrolleris (4) ir izveidots ar iespēju saņemt komandas no komunikāciju moduļa (3) un ģenerēt diskrētus vadības signālus S1 un S2 pilnam tranzistoru tilta slēgumam (6), lai var aktivizēt tilta (6) tranzistorus, un diskrētu signālu SM slēdžu modulim (7), diskrētus signālus SRXun STXkomunikāciju modulim (3), kā ari analogu signālu UR otrajam līdzspriegumu paaugstinošajam pārveidotājam (5). Mikrokontrolleris (4) ir pielāgots iekārtas darbības pārslēgšanai starp skenējošo un inerciālās slīdes režīmu un nosaka inerciālās kustības soļa garumu. Otrais līdzspriegumu paaugstinošais pārveidotājs (5) ir izveidots ar iespēju ģenerēt pjezoelektriskā manipulatora darbināšanai nepieciešamo pozitīvo un negatīvo augstspriegumu UHP un UHN. Šie spriegumi elektriski ir pievienoti pilnam tranzistoru tilta slēgumam (6) un slēdžu modulim (7). Augstsprieguma līmeni var regulēt pēc nepieciešamības, izmantojol mikrokontroliera (4) digitālo uz analogo pārveidotāju, kas ģenerē mērķa spriegumu UR. Pilns tranzistoru tilts (6) ar impulsa platuma ierobežotāju ir elektriski pievienots otrajam līdzspriegumu paaugstinošajam pārveidotājam (5), slēdžu modulim (7) un mikrokontrolierim (4) un ir izveidots ar iespēju nodrošināt pjezoelektriskā elementa iekšējās kapacitātes ātru uzlādi, kas izraisa inerciālo slīdi, t.i., nepieciešamo strāvu ātrai vēlamās polaritātes sprieguma padošanai uz kapacitatīvās slodzes. Slēdžu modulis (7) ir elektriski pievienots pilnam tranzistoru tilta slēgumam (6), otrā līdzspriegumu paaugstinošajam pārveidotājam (5), mikrokontrolierim (4) un pjezoelektriskajam manipulatoram (8). Slēdžu modulis (7) nav nepieciešams, ja iekārtu izmanto tikai inerciālās slīdes režīmā vai tikai skenējošā režīmā. Slēdžu modulis (7) nodrošina pārslēgšanos starp inerciālās slīdes un skenējošo darbības režīmu un ir pielāgots UHP un UNH augstsprieguma signālu vai tilta (6) izejas signālu Bl un B2 padošanai pjezoelektriskā manipulatora (8) elektrodiem Pl un P2. Inerciālais vai skenējošais darbības režīms tiek izvēlēts, vadot slēdžu moduli (7) ar SM signālu, ko ģenerē mikrokontrolieris (4). Pjezoelektriskais manipulators (8) ir pievienots slēdžu modulim (7). Ja iekārtu izmanto tikai inerciālās slīdes režīmā, pjezoelektriskais manipulators (8) var tikt pievienots pilnam tranzistoru tilta slēgumam (6), neizmantojot slēdžu moduli (7). Vadāms impulsu ģenerators (9) ģenerē sprieguma impulsus tranzistoru slēdža vadībai. Ģeneratora (9) izejas signāls tiek padots tranzistora slēdzim (10), kurš ieslēdz un izslēdz strāvu transformatora 11 primārajā tinumā, kas ir pieslēgts pie izteces elektroda. Transformators (11) ir izveidots ar iespēju inducēt augstspriegumu sekundārajā tinumā, kas ir pieslēgts diožu tiltam (12), kurš no transformatora (11) sekundārā tinuma nākošo signālu pārvērš vēlamās polaritātes līdzspriegumā. Komparators (13) ir izveidots ar iespēju salīdzināt otrā līdzspriegumu paaugstinošā pārveidotāja (5) izejas sprieguma vērtību ar mērķa spriegumu. Komparatora (13) izejas signāls tiek padots vadāma impulsu ģeneratora (9) ieejā un pārtrauc impulsu ģenerēšanu, kad mērķa spriegums ir sasniegts. Lauktranzistori (14, 15) ar izolētu aizvaru un inducētu „p” tipa kanālu (akat. Fig.3) caur slēdžu moduli (7) ir pievienoti pjezoelektriskajam manipulatoram (8). Inerciālās slīdes režīmā vienlaicīgi tiek atvērts tikai viens no lauktranzistoru (14, 15) kanāliem. Tādējādi tikai vienam no pjezoelektriskā elementa elektrodiem Pl vai P2 tiek pievienots pozitīvs augstsprieguma līmenis UHP. Lauktranzistori (16, 17) ar izolētu aizvaru un inducētu „n” tipa kanālu caur slēdžu moduli (7) ir pievienoti pjezoelektriskajam manipulatoram (8). Tie vienam no pjezoelektriskā elementa elektrodiem pievieno negatīvu augstsprieguma līmeni UHN. Invertori (18, 19) ir pielāgoti vadības signālu pārveidošanai, nodrošinot lauktranzistoru (14, 15) ar izolētu aizvaru un inducētu „p” tipa kanālu aizvara sprieguma polaritāti un amplitūdu. Kopumā tilta slēgums nodrošina to, ka pjezoelektriskā elementa elektrodiem Pl un P2 tiek padoti pretējas polaritātes signāli.
Enerģijas patēriņu aprēķins inerciālās slīdes režīmā ir sekojošs. Esošajiem pjezoelektrisko manipulatoru kontrolieriem, kas izmanto lineārus pastiprinātājus vai an nesimetrisku periodiska signāla impulsu samēru, ir fiksēts sprieguma avots, kam seko virknē saslēgta pretestība R un pjezoelektriskās iekārtas iekšējā kapacitāte C. Pastiprinātāja izejas pretestība, aizsardzības elementi, kabeļi un pašas pjezoelektriskās ierīces virknes pretestība kopīgi veido R vērtību.
Minēto esošo shēmu darbībā, lai panāktu inerciālo slīdi, kondensators īsā laikā tiek uzlādēts līdz spriegumam Ue. Savukārt, lai regulētu inerciālās slīdes soļa garumu, esošajos risinājumos signāla amplitūda tiek samazināta un Uc nesasniedz barošanas avota sprieguma vērtību U.
Attiecību starp enerģiju WR, kas tiek zaudēta pretestībā, un enerģiju Wc, kas uzkrājas pjezoelektriskās iekārtas iekšējā kapacitātē, var izteikt ar vienādojumu
Tādējādi, lai samazinātu zudumus, ir nepieciešams pēc iespējas pilnībā uzlādēt pjezoelektriskās iekārtas iekšējo kapacitāti, tuvojoties teorētiskajai robežai Uc -*U. Tas nozīmē, ka, lai optimāli izmantotu enerģiju, mazu inerciālās slīdes soļu gadījumā ir jāsamazina ari barošanas spriegums.
Pjezoelektrisko manipulatoru izmantošanai, piemēram, skenējošās zondes mikroskopijā, ir būtiski regulēt inerciālās slīdes soļos noieto pārvietojumu plašā intervālā. Iespējamais enerģijas ietaupījums ir sevišķi izteikts, ja manipulācijai galvenokārt izmanto mazus soļus, un tikai atsevišķos gadījumos ir nepieciešamas sprieguma svārstības ar maksimālo amplitūdu. Piemēram, ja Uc ir 10 reizes mazāks par U, tad enerģijas zudumi siltumā 19 reizes pārsniedz enerģiju, kas uzkrājas pjezoelektriskās iekārtas iekšējā kapacitātē.
Šāds pielietojums ir raksturīgs augstas precizitātes nanomanipulācijas sistēmās, kad sākotnējā parauga pozicionēšana ar maksimālo soli aizņem dažas minūtes, bet iekārta tiek darbināta ar minimālo soli vairākas stundas.
Samazināts enerģijas patēriņš ir vēlams ļoti plašā tehnikas jomā. Tas ari samazina problēmas, kas saistītas ar temperatūras stabilitāti, it īpaši kriogēnās sistēmās.
Lai samazinātu izkliedēto jaudu, piedāvātajā iekārtā ir izveidots sekundārais sprieguma pārveidotājs, kura izejas spriegumu var regulēt plašā diapazonā, un inerciālās slīdes laikā pjezoelektriskā elementa iekšējā kapacitāte tiek pilnībā uzlādēta līdz stacionāram stāvoklim.
Sekundārā sprieguma avota principiālā shēma redzama Fig.2. Tas satur vadāmu impulsu ģeneratoru (9), kas ir izveidots ar iespēju to ieslēgt un izslēgt ar loģisko SE signālu. Impulsu ģenerators (9) vada vispārzināmu sprieguma paaugstināšanas ķēdi, kas sastāv no tranzistoru slēdža (10) un transformatora (11, kas ģenerē augstsprieguma impulsus ik reizi, kad primārajā tinumā notiek straujas strāvas izmaiņas. Transformatora izejas spriegums pēc taisngriešanas ar diožu tiltu (12) uzlādē kondensatoru Cl, kura kapacitāte ir ievērojami lielāka par pjezoelektriskās iekārtas iekšējo kapacitāti. Spriegums uz kondensatora Cl nosaka inerciālās slīdes soļa garumu un tā vērtību var brivi regulēt ar mikrokontroliera ciparanalogo pārveidotāju, izvēloties mērķa spriegumu UR. Pretestībām RI un R2 šajā shēmā ir divas funkcijas. Pirmkārt, tās veido sprieguma dalītāju komparatora (13) ieejā, kas izslēdz impulsu ģeneratoru ar SE signālu, kad kondensators Cl ir pietiekami uzlādēts. Otrkārt, tās samazina kondensatora Cl spriegumu, ja ST? spriegums tiek samazināts. Tas ļauj pakāpeniski regulēt sprieguma UHP vērtību skenēšanas režīmā.
Pretestības RI un R2 ir izvēlētas tā, lai tajās izkliedētā jauda būtu pietiekami maza (daži milivati) un ari laika konstante τ = (R1 + R2) - Cl būtu pietiekami maza (apmēram sekunde) darbībai skenējošā režīmā.
Negatīva augstsprieguma ģenerēšanai shēmā ir vēl viens pārveidotājs, kas ir līdzīgs Fig.2 redzamajam, bet ir ar pretēju diožu tilta polaritāti un citu komparatora slēgumu. Tā radītais spriegums UHN ir ar pretēju polaritāti, bet pēc amplitūdas ir tuvs spriegumam UHP.
Divpolārs augstsprieguma avots ļauj simetrisku abu polaritāšu impulsu ģenerēšanu uz pjezoelektriskā manipulatora elektrodiem un atgriešanos nulles sprieguma stāvoklī pēc soļa beigšanas. Sekundārā sprieguma avota kondensatorā uzkrātais lādiņš tiek padots uz pjezoelektrisko ierīci, izmantojot pilnu tranzistoru tiltu, kas redzams Fig.3. No tradicionālajiem tranzistoru tilta slēgumiem tas atšķiras ar kondensatora, diodes un rezistora slēgumu aizvaru ieejās, kas nodrošina nepieciešamo aizvara nulles potenciālu un ierobežo aizvaram pielikto impulsa garumu. Tranzistori visu laiku atrodas augstas pretestības stāvoklī, izņemot īsu laika posmu pēc pozitīvas signālu S1 un S2 frontes saņemšanas.
Tilta darbība inerciālās slīdes režīmā ir sekojoša: pjezoelektriskais manipulators (8) ir pievienots izejām Bl un B2 un tranzistori (14, 15) ir lauktranzistori ar izolētu aizvaru un inducētu p-tipa kanālu, bet tranzistori (16,17) ir ar inducētu n-tipa kanālu. Sākuma stāvoklī pjezoelektriskās iekārtas iekšējā kapacitāte ir izlādēta caur rezistoriem R3 un R4, kā ari S1 un S2 signāliem ir nulles potenciāls. Rezistori R31, R32, R33 un R34 nodrošina, ka visu tranzistoru (14, 15, 16, 17) aizvara-izteces potenciālu starpības ir nulle un notecēs strāva neplūst.
Brīdī, kad S1 ieeja tiek pārslēgta uz loģisko „1”, proti, tiek padots pietiekami liels pozitīvs spriegums, caur kondensatoru C33 uz tranzistora (16) aizvara nonāk pozitīvs spriegums attiecībā pret izteci. Tā rezultātā caur tranzistoru (16) sāk plūst strāva un tilta izvads Bl tiek uzlādēts līdz spriegumam UHN.
Ar nelielu aizturi, ko izraisa invertora (19) pārslēgšanās laiks, uz tranzistora (15) aizvara caur kondensatoru C32 tiek padots negatīvs potenciāls attiecībā pret izteci. Šajā bridi caur abiem tranzistoriem (15, 16) sāk plūst maksimāli iespējamā strāva līdz tilta izeja B2 ir uzlādēta līdz potenciālam UHP. Tādējādi ļoti īsā laika intervālā pjezoelektriskās iekārtas iekšējā kapacitāte tiek uzlādēta līdz spriegumam UHP-UHN. Šī ātrā uzlādē izraisa parauga inerciālo slīdēšanu.
Pēc laika, ko nosaka kondensatoru C33, C32 un pretestību R33, R32 vērtības, tranzistoru (15, 16) aizvaru potenciāli samazinās attiecībā pret iztecēm un tie nonāk augstas pretestības stāvoklī. Pēc tam pjezoelektriskās iekārtas iekšējā kapacitātē uzkrātais spriegums izlādējas caur pretestībām R3 un R4, līdz abi pjezoelektriskās iekārtas elektrodi sasniedz nulles potenciālu.
Pretestību R3 un R4 vērtības ir izvēlētas pietiekami lielas, lai pjezoelektriskās iekārtas iekšējās kapacitātes izlāde notiktu lēni un neizraisītu parauga slīdēšanu. Šajā laika bridi ari vadības signāls S1 atgriežas nulles līmenī un caur diodēm D32 un D33 ari kondensatori C32 un C33 tiek uzlādēti sākuma stāvoklī. Pēc atgriešanās sākuma stāvoklī uz pjezoelektriskā elementa padotais spriegums ir nulle un paraugs atrodas miera stāvoklī, bet ir nobīdīts attiecībā pret sākuma pozīciju.
Līdzīgā veidā ar vadības signālu S2 ir iespējams īsā laikā uzlādēt pjezoelektriskā elementa kapacitāti ar pretējas polaritātes spriegumu UHN-UHP, tādējādi panākot inerciālo slīdi pretējā virzienā, tikai šajā gadījumā darbojas invertors (18,) tranzistori (14, 17), kā ari impulsa garuma ierobežotāji, ko veido C31, R31, D31 un C34, R34, D34. Parauga pārvietojumu viena impulsa laikā regulē, izvēloties tilta barošanas spriegumu pāri UHN un UHP. Pēc soļa beigšanas spriegums uz pjezoelektriskās iekārtas ir nulle un to vairs neietekmē barošanas sprieguma svārstības. Tāpēc enerģijas taupīšanai otrais līdzsprieguma pārveidotājs (5) var tikt pilnībā izslēgts, neietekmējot parauga stāvokli. Pārslēgšanās no inerciālās slīdes režīma uz skenējošo režīmu bez strauja lēciena notiek pārkomutējot slēdžu moduli (7) pie izslēgta otrā sprieguma pārveidotāja (5).
Izgudrojuma realizācijas piemēri
Pjezoelektriskā manipulatora vadības iekārta var tikt samontēta kā drukātās shēmas plate, izmantojot labi zināmus lodēšanas procesus. Kā primārais enerģijas avots (1) var tikt izmantotas zema sprieguma (apmēram 2-6 V) maza izmēra baterijas, piemēram, 3.6 V litija jonu akumulatori. Par pirmo līdzspriegumu paaugstinošo pārveidotāju (2) var tikt izmantoti šim nolūkam paredzēti moduļi, kas plaši tiek lietoti portatīvajā elektroniskajā aparatūrā. Spriegums šī pārveidotāja izejā (apmēram 7 - 10 V) nodrošina optimālu tranzistoru slēdža (10) darbības režīmu strāvas impulsu ģenerēšanai otrajā sprieguma pārveidotājā (5), kā ari nodrošina loģisko elementu barošanas spriegumu. Komunikāciju modulis (3) var būt gan optisks, piemēram, infrasarkanā diapazona tālvadības uztvērējs, gan radiofrekvenču uztvērējs.
Mikrokontrolieris (4) ir mazas jaudas vispārēja pielietojuma mikrokontrolieris ar pietiekamu izvadu skaitu signālu 57, 52, SM, UR, SRX, STX uzturēšanai. Otrais līdzspriegumu paaugstinošais pārveidotājs (5) ir izveidots, izmantojot miniatūru transformatoru (tikai 6 mm garu un platu), kādi tiek izmantoti augstsprieguma ģenerēšanai portatīvajās zibspuldzēs.
Šī pārveidotāja izejas spriegumu var regulēt no 0 līdz spriegumam, kas pārsniedz ± 100 V, bet, izvēloties komponentus ar lielāku sprieguma rezervi, vajadzības gadījumā var tikt paaugstināts.
Tranzistoru tilts (6) var tikt izveidots no komerciāli pieejamiem lauktranzistoriem ar izolētu aizvaru un inducētu kanālu (14, 15, 16, 17), piemēram, ar maksimāli pieļaujamo noteces izejas spriegumu 250 V un maksimālo strāvu 15 A. Slēdžu modulis (7) var tikt izveidots no bistabiliem relejiem, kas miera stāvoklī nepatērē enerģiju. Pjezoelektriskais manipulators (8) ir, piemēram, rastra mikroskopijā izmantojamais caurules tipa pjezoelektriskais skeneris ar iekšējo kapacitāti apmēram 3 nF, kas ir daudz mazāka par izvēlēto Cl vērtību, piemēram, 1000 nF.
Diožu tilts (12( ir izveidots no vispārēja pielietojuma diodēm ar pietiekamu sprieguma rezervi. Komparators (13), ka ari invertori (18, 19) ir vispārēja pielietojuma elektroniskie komponenti, kas ir savietojami ar pārējā shēmā lietotajiem loģisko signālu līmeņiem.
Izgudrojums paver iespēju ilgstošai autonomai pjezoelektrisko manipulatoru darbībai hermētiski noslēgtos tilpumos, piemēram, kontrolēta gāzu maisījuma vai vakuuma apstākļos, kad tilpuma sienām cauri ejošie savienojumi ir nepraktiski.
Claims (4)
1. Pjezoelektriskā manipulatora vadības iekārta inerciālās slīdes un skenējošajā režīmā, kura satur divus līdzsprieguma pārveidotājus (2) un (5), komunikāciju moduli (3), mikrokontrolleri (4), tranzistoru tilta slēgumu (6) un slēdžu moduli (7), kas ir pielāgots pjezoelektriskā manipulatora vadības iekārtas savienošanai ar pjezoelektriskā manipulatora (8) elektrodiem (Pl, P2) un ir pielāgots iekārtas pārslēgšanai starp inerciālās slīdes režīmu un skenējošo darbības režīmu, pie kam minētā vadības iekārta ir izveidota ar iespēju to elektriski savienot ar primāro enerģijas avotu (1), kas caur sprieguma pārveidotāju (2) var būt elektriski savienots ar komunikāciju moduli (3) un mikrokontrolieri (4) un caur otro sprieguma pārveidotāju (5) ir pievienots tranzistora tilta slēgumam (6), kas ir aprikots ar impulsa garuma ierobežotāju un elektriski ir savienots ar slēdžu moduli (7), pie tam pilns tranzistoru tilts (6) satur pretestības (R3, R4), kuru viens izvads ir pievienots pie pjezoelektriskās manipulatora vadības iekārtas nulles potenciāla, bet otrs izvads ir pievienots pie attiecīgā pjezoelektriskā manipulatora (8) elektroda (Pl, P2), bez tam mikrokontrolieris (4) ir izveidots tā, ka nodrošina iespēju pārslēgt iekārtas darbību starp skenējošo režīmu un inerciālās slīdes režīmu un noteikt inerciālās kustības soļa garumu.
2. Iekārta saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka pretestību (R3, R4) vērtības ir izvēlētas tik lielas, ka var nodrošināt pjezoelektriskās iekārtas iekšējās kapacitātes kontrolējamu lēnu izlādi, bet tranzistoru tiltā (6) ietilpstošie tranzistori (14, 15, 16, 17) ir lauktranzistori ar izolētu aizvaru un inducētu kanālu.
3. Iekārta saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka mikrokontrolieris (4) ir izveidots tā, ka nodrošina iespēju saņemt komandas no komunikāciju moduļa (3) un ģenerēt diskrētus vadības signālus (Sl, S2) pilnam tranzistoru tilta slēgumam (6) un diskrētu signālu (SM) slēdžu modulim (7), diskrētus signālus (SRX un STX) komunikāciju modulim (3), kā ari analogu signālu (UR) otrajam līdzspriegumu paaugstinošajam pārveidotājam (5).
4. Iekārta saskaņā ar jebkuru no iepriekšminētajām pretenzijām, kurā otrais augstsprieguma pārveidotājs (5) satur:
- vadāmu impulsu ģeneratoru (9), kas ir pielāgots sprieguma paaugstināšanas ķēdes un tranzistoru slēdža (10) vadīšanai,
- transformatoru (11), kas ir pielāgots augstsprieguma impulsu ģenerēšanai un ir savienots ar diožu tiltu (12) un kondensatoru Cl,
- pretestības R1 un R2, kas veido sprieguma dalītāju komparatora (13) ieejā, kurš ir pielāgots impulsu ģeneratora izslēgšanai ar SE signālu, kad kondensators Cl ir uzlādēts, un ir pielāgots kondensatora Cl sprieguma samazināšanai, ja SR spriegums ir samazināts, lai ļautu pakāpeniski regulēt sprieguma UHP vērtību skenēšanas režīmā.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LVP-12-60A LV14548B (lv) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Pjezoelektriska manipulatora vadības iekārta |
| EP12172139.3A EP2654193B1 (en) | 2012-04-16 | 2012-06-15 | Driver for piezoelectric manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LVP-12-60A LV14548B (lv) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Pjezoelektriska manipulatora vadības iekārta |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LV14548A LV14548A (lv) | 2012-06-20 |
| LV14548B true LV14548B (lv) | 2012-10-20 |
Family
ID=46758582
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LVP-12-60A LV14548B (lv) | 2012-04-16 | 2012-04-16 | Pjezoelektriska manipulatora vadības iekārta |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2654193B1 (lv) |
| LV (1) | LV14548B (lv) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10578861B2 (en) | 2017-10-25 | 2020-03-03 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Piezoelectric mirror system |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006042477A (ja) * | 2004-07-26 | 2006-02-09 | Smk Corp | 波形整形回路 |
| EP1989742A1 (en) * | 2006-03-02 | 2008-11-12 | Nanofactory Instruments AB | Control signal for inertial slider |
| WO2009104830A1 (en) * | 2008-02-22 | 2009-08-27 | Konkuk University Industrial Cooperation Corp. | Small high-voltage power driving circuit for piezoelectric element |
-
2012
- 2012-04-16 LV LVP-12-60A patent/LV14548B/lv unknown
- 2012-06-15 EP EP12172139.3A patent/EP2654193B1/en not_active Not-in-force
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2654193A2 (en) | 2013-10-23 |
| EP2654193A3 (en) | 2015-05-20 |
| LV14548A (lv) | 2012-06-20 |
| EP2654193B1 (en) | 2016-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102136800B (zh) | 开关调节器 | |
| US11395391B2 (en) | Current source circuit and LED driving circuit | |
| WO2015196861A1 (zh) | 一种开关电感电源的电路 | |
| TWI406482B (zh) | 諧振式功率轉換器之控制電路 | |
| WO2012014314A1 (ja) | 電圧駆動型素子を駆動する駆動装置 | |
| CN106602865B (zh) | 一种储能电容充电电路及脉冲激光电源 | |
| JP2016119700A (ja) | 半導体装置 | |
| JP2011259192A (ja) | マルチバイブレータ回路および電圧変換回路 | |
| TW201308864A (zh) | 極性切換電路 | |
| CN115085700B (zh) | 一种固态脉冲源输出波形延时控制装置及方法 | |
| CN107732654B (zh) | 一种半导体激光器电源电路及其控制方法 | |
| US8023296B2 (en) | High voltage, high speed, high pulse repetition rate pulse generator | |
| CN115296529A (zh) | 直流-直流功率转换系统及其功率转换方法 | |
| LV14548B (lv) | Pjezoelektriska manipulatora vadības iekārta | |
| KR101730618B1 (ko) | 펄스 모듈레이터 | |
| CN108023481B (zh) | 具有可变输出的电路和包括该电路的变换器控制器 | |
| KR101197078B1 (ko) | 능동 스위칭 소자를 구비한 영전압 방전회로 장치 | |
| KR100891483B1 (ko) | 압전소자를 위한 소형 고전압 전력 구동회로 | |
| CN108429547B (zh) | 一种产生负高压脉冲的装置 | |
| CN111934580A (zh) | 压电驱动电路和压电驱动方法 | |
| TWI446696B (zh) | Gate drive | |
| CN103986311B (zh) | 适用于开关电源脉冲宽度调制系统的锯齿波振荡电路 | |
| JP2016178781A (ja) | 蓄電状態調整回路、蓄電状態調整装置及び蓄電池パック | |
| Kinzel et al. | A novel current-mode actuator driver for enhanced piezoelectric reliability | |
| JP6069700B2 (ja) | スイッチング電源回路、電子装置、および半導体集積回路装置 |