Как запитать пьезоэлектрический актуатор?

В статье автор рассказывает о своем опыте, который поможет пользователям выбрать оптимальный вариант питания пьезоэлектрических преобразователей для конкретных приложений.
1744
В избранное

На моей работе мне часто приходится организовывать питание пьезоэлектрических преобразователей для самых разнообразных приложений. В данной статье я хотел бы рассказать о своем опыте, который поможет пользователям выбрать оптимальный вариант питания пьезоэлектрических преобразователей для конкретных приложений.

Усилители и источники питания для пьезоэлектрических актуаторов

Рис. 1. Усилители и источники питания для пьезоэлектрических актуаторов

Использование пьезоэлектрического преобразователя в качестве исполнительного механизма (актуатора) требует правильного выбора сигнала возбуждения. Двумя основными параметрами этого электрического сигнала являются частота и амплитуда напряжения. Частота определяет, как быстро пьезоэлектрический элемент вибрирует или меняет состояние. Пьезоэлектрический клапан в простейшем случае имеет только два состояния «открыт» или «закрыт», для него такой показатель как рабочая частота, по сути, отсутствует. Напротив, пьезоэлектрический элемент в системе активного охлаждения (обдува) колеблется с высокой постоянной частотой. Еще один пример – пьезоэлектрический динамик может непрерывно изменять рабочую частоту, чтобы генерировать нужные тона. Все эти примеры подчеркивают разнообразие приложений и, соответственно, разнообразие требований к питанию пьезоэлектрических актуаторов. В данной статье будут рассмотрены различные способы питания пьезоэлектрических преобразователей.

Общие характеристики усилителей

Эффективность того или иного усилителя/ драйвера/ блока питания можно оценить только при работе в составе конкретной системы. Тем не менее, важно знать ключевые параметры усилителей и уметь оценивать их влияние на работу пьезоэлектрических преобразователей. Кроме того, при выборе усилителя также необходимо учитывать основные характеристики используемого пьезоэлектрического актуатора, в частности емкость и параметры сигнала возбуждения (частота и емкость), так как они определяют требуемый выходной ток и мощность. В документации на пьезоэлектрические системы от компании Mide подобная информация всегда присутствует.

Рассмотрим ключевые характеристики усилителей.

Выходное напряжение – диапазон напряжений, которые будет генерировать усилитель на своем выходе. Диапазон порядка 100…200 В является типовым для подобных усилителей. Для приложений, в которых пьезоэлектрический преобразователь совершает колебательные движения (вперед и назад), также требуется отрицательное напряжение. Для усилителей обычно указывают рабочий диапазон выходных напряжений, например, 0-200 В или +/- 100 В. Большая часть актуаторов, поставляемых Mide, рассчитана на напряжения +/- 200 В.

Выходной ток – выходной ток усилителя. Высоковольтные усилители обычно характеризуются низким выходным током (<1 А), но уровень потребления пьезоэлектрических преобразователей оказывается еще меньше. Например, у пьезоэлектрических модулей охлаждения, поставляемых Mide, ток потребления составляет около 5 мА. Таким образом, один усилитель, как правило, способен одновременно управлять множеством актуаторов. PiezoDrive предлагает отличный калькулятор, позволяющий рассчитывать потребление пьезоэлектрических преобразователей для дальнейшего выбора оптимального усилителя.

Функция параллельного или последовательного включения усилителей – функция, которая позволяет подключать усилители друг к другу для увеличения выходного тока или максимального рабочего напряжения.

Смещение – постоянное напряжение, которое присутствует на выходе усилителя при отсутствии сигнала. Некоторые усилители вместо генерации положительного и отрицательного напряжения создают только положительное. Отрицательные значения отсчитываются от некоторой «нулевой» точки, которая смещена относительно земли на величину напряжения смещения. При работе с такими усилителями следует проявлять осторожность. Подробнее об этом будет сказано ниже.

Диапазон частот – диапазон частот сигнала возбуждения, который может генерировать усилитель. Данный параметр часто становится источником путаницы. В большинстве случаев реальная рабочая частота усилителя оказывается меньше заявленной максимальной частоты. Это связано с тем, что максимальная частота, указанная в документации, приводится для случая с активной нагрузкой. При работе с емкостной нагрузкой частота и выходная мощность уменьшаются.

Коэффициент усиления напряжения – усилители, как следует из названия, усиливают входной управляющий сигнал. Коэффициент усиления напряжения измеряется в В/В и, как правило, является фиксированным. При работе с высокими напряжениями вблизи границ рабочего диапазона, коэффициент усиления меняется нелинейно. Он также может зависеть от частоты, температуры и других параметров.

Шум – характеризует уровень выходных помех усилителя. Чем ниже шум, тем стабильнее и точнее выходной сигнал и тем дороже усилитель. Однако для многих приложений уровень шума оказывается не самым критичным параметром.

Максимальная мощность. Важно понимать, что даже если усилитель удовлетворяет всем требованиям конкретного приложения по отдельности, то это не значит, что он удовлетворяет всем требованиям одновременно! Для усилителей указывают максимальную выходную мощность (Вт). Иногда эта мощность относится к конкретным значениям частоты, напряжения и емкости пьезоэлектрического элемента. Необходимо проверять, что выбранный усилитель выдает требуемую мощность с учетом характеристик актуатора.

Обзор усилителей для пьезоэлектрических актуаторов

Пьезоэлектрические устройства, как правило, требуют высокого рабочего напряжения. Существует несколько способов генерации этого напряжения, и выбор оптимального способа определяется конкретным приложением. Далее будут рассмотрены наиболее распространенные варианты возбуждения пьезоэлектрических актуаторов.

Существует несколько различных типов устройств для питания пьезоэлектрических актуаторов: интегральные драйверы, модульные усилители, лабораторные усилители, источник питания постоянного напряжения. В некоторых случаях питание может производиться от бытовой электросети. В следующей таблице представлен обзор наиболее популярных способов питания пьезоэлектрических актуаторов.

Таблица 1. Сравнение различных способов питания пьезоэлектрических актуаторов

Тип усилителя/драйвера

Габариты

Выходная мощность

Области применения

Интегральные драйверы

малые

низкая

Тактильные приложения

Модульные усилители

средние

различная

Автомобильная и авиационная

Лабораторные усилители

большие

высокая

Разработки и исследования

Источники питания (DC)

различные

различная

Клапаны

Сетевое напряжение

малые

высокая

Системы обдува

Лабораторные усилители

Лабораторные усилители используются на начальном этапе разработки. Они способны обеспечивать широкий диапазон напряжений и частот (в том числе и постоянное напряжение), а также гарантировать «чистый» сигнал с низким уровнем шумов и искажений. Это позволяет исследовательским проектам фокусироваться на работе с пьезоэлектрическими преобразователями и их взаимодействии с остальной системой, не беспокоясь об источнике питания и усилителе. Хорошие характеристики и показатели, как отмечалось выше, стоят дорого. Кроме того, лабораторные усилители часто оказываются крупными, тяжелыми и «прожорливыми». Они могут иметь высокое потребление и выделять много тепла при работе. И все это для того, чтобы предоставить пользователю идеальный сигнал. Когда производительность пьезоэлектрической системы достигает требуемого уровня, лабораторный усилитель может быть заменен на более оптимальное решение.

Усилитель PiezoDrive PD200 является хорошим примером лабораторного усилителя (рис. 2). Данный блок обеспечивает значительную выходную мощность 60 Вт. Используемый линейный регулятор, благодаря предсказуемой реакции и низким выходным шумам, отлично подходит для выполнения исследований и проведения разработок. Стандартные BNC-разъемы и питание от сети позволяют быстро приступить к работе.

Внешний вид усилителя PiezoDrive PD200

Рис. 2. Внешний вид усилителя PiezoDrive PD200

Интегральные усилители (драйверы)

Тактильные технологии представляют собой быстрорастущий рынок. Они подразумевают применение вибрации для организации взаимодействия между различными устройствами и пользователями. Возможно, наиболее часто используемым тактильным решением является функция вибрации в мобильном телефоне. Ранее для ее реализации традиционно применялись вибромоторы и линейные резонансные приводы, которые по сути являлись электродвигателями. Однако в последнее время рынок переключился на пьезоэлектрические актуаторы из-за их высокой энергоэффективности, широкой полосы рабочих частот, надежной твердотельной технологии. В носимой электронике и портативных устройствах для питания пьезоэлектрических преобразователей используются интегральные усилители, обладающие компактными габаритами, небольшим весом и низким тепловыделением. Эти ИС непосредственно распаиваются на печатной плате и обычно работают со входным напряжением 3,3 В или 5 В. Существенным недостатком интегральных усилителей является ограниченная выходная мощность. Поскольку ИС имеют весьма компактные габариты, то у них нет физических возможностей для работы с очень высокими напряжениями. Их небольшие размеры не позволяют эффективно отводить тепло, что и становится основной причиной ограничения выходной мощности.

Компания Texas Instruments предлагает линейку специализированных интегральных усилителей (piezo haptic drivers) для создания тактильных приложений. В качестве примера можно привести DRV2667 и DRV8662 (рис. 3). Эти ИС имеют размеры 4 х 4 мм и работают с диапазоном входных напряжений 3…5 В. Популярность DRV2667 и DRV8662 определяется их компактными размерами, низким энергопотреблением и простотой использования. Усилители доступны в нескольких корпусных исполнениях, включая «голый» кристалл. Для ознакомления с возможностями DRV2667 и DRV8662 к услугам разработчиков предлагаются отладочные наборы. Поскольку TI заинтересована в продаже чипов, а не законченных пьезоэлектрических актуаторов, то для пользователей доступно множество референсных проектов, которые могут быть использованы для создания собственных устройств. Пользователь yurikleb опубликовал проект, позволяющий обеспечить совместную работу DRV2667 с Arduino.

Внешний вид интегрального драйвера DRV2667

Рис. 3. Внешний вид интегрального драйвера DRV2667

Для устройств с повышенной мощностью следует порекомендовать усилитель OPA2544 от Texas Insturments (рис. 4). Этот сдвоенный операционный усилитель имеет широкий диапазон входных напряжений от +/- 10 В до +/- 35 В, обеспечивает максимальную нагрузку до 4 А и создает выходное напряжение до +/- 70 В.

Так как OPA2544 обеспечивает значительную выходную мощность, необходимо гарантировать его охлаждение в процессе работы. Перегрев может привести к ограничению выходного тока или даже к отказу усилителя. OPA2544 способен работать с пьезоелектрическими преобразователями Mide на частоте до 20 кГц. Пользователям, которым требуется более высокая частота, следует обратить свое внимание на LT1210. Данный интегральный усилитель обеспечивает достаточно высокую мощность в мегагерцовом диапазоне частот (хотя и при более низком напряжении).

Внешний вид интегрального усилителя OPA2544

Рис. 4. Внешний вид интегрального усилителя OPA2544

Модульные усилители

Если требуется, чтобы усилитель обладал высокой мощностью и одновременно компактными размерами, тогда наиболее оптимальным выбором станет модульный усилитель. Мне часто приходится сталкиваться с системами обдува, которые используются в легковых автомобилях, грузовиках или самолетах. Для них габариты и вес являются ключевыми характеристиками. Модульные усилители, как правило, работают с напряжением питания 12/ 24/ 48, что делает их идеальными для автомобильных и аэрокосмических приложений, в которых используется аналогичное бортовое напряжение. Усилители модульного типа могут выглядеть устрашающе, так как обычно имеют открытое исполнение, при котором оказываются видны все элементы конструкции: печатные платы, провода и радиаторы. Впрочем, сами усилители, как и другие электронные блоки, как правило, скрыты от пользователя, например, под капотом машины.

Компания PiezoDrive предлагает широкий выбор модульных усилителей, например, PDm200B. Этот усилитель может работать с биполярным напряжением питания +/- 12 В либо однополярным 34 В. PDm200B имеет высокое выходное напряжение +/- 200 В и максимальный выходной ток до 300 мА. Для получения более высоких напряжений +/- 400 В допускается последовательное соединение двух блоков. PDm200B демонстрирует отличное соотношение мощность-габариты. Для подключения нагрузки к усилителю используются удобные промаркированные винтовые разъемы.

Внешний вид усилителя PDm200B

Рис. 5. Внешний вид усилителя PDm200B

Компания Viking Industrial Products также предлагает множество модульных усилителей для пьезоэлектрических преобразователей. Например, модуль VP7206-48H805 способен формировать выходное напряжение 800 В (от пика до пика) при выходном токе 200 мА (рис. 6). Обладая компактными габаритами, этот усилитель обеспечивает среднюю выходную мощность 15 Вт и максимальную выходную мощность 150 Вт. Недостатком VP7206-48H805 является то, что этот усилитель формирует выходное напряжение со смещением. То есть, на его выходе присутствует не двуполярный, а однополярный сигнал со смещением, равным половине рабочего диапазона. При использовании VP7206-48H805 необходимо соблюдать осторожность. В частности специалисты Midé обнаружили, что если подключать пьезоэлектрический актуатор «на горячую» при включенном усилителе, то актуатор может выйти из строя из-за высокого напряжения смещения. Кроме того, подключение к VP7206-48H805 оказывается не таким удобным, как в случае с модулями PiezoDrive. Если в PiezoDrive используются винтовые разъемы, то из VP7206-48H805 выходит множество проводов, которые потребуется либо припаивать, либо обжимать.

Внешний вид модуля VP7206-48H805

Рис. 6. Внешний вид модуля VP7206-48H805

Источник постоянного напряжения

Во многих устройствах с пьезоэлектрическими преобразователями, например, в динамиках и вентиляторах, для создания звука или нагнетания воздушного потока актуатор колеблется с постоянной или изменяющейся частотой. Однако существует множество приложений, в которых актуатор подолгу находится в фиксированных положениях, например, в пневматических клапанах. Как известно, в простейшем случае клапан имеет два состояния «открыт» и «закрыт». В результате для работы с пьезоэлектрическим преобразователем будет достаточно стандартного источника питания постоянного напряжения. Когда напряжение отсутствует – актуатор находится в невозбужденном и недеформированном состоянии. При подаче напряжения актуатор деформируется. Это управляющее напряжение может создаваться батареей, источником питания, или усилителем, например, операционным усилителем, DC/DC-преобразователем, или трансформатором.

Питание от сети

Не стоит забывать о возможности питания пьезоэлектрических преобразователей от бытовой электросети. В Соединенных Штатах стандартное сетевое напряжение составляет 120 В (AC) (пиковое напряжение 170 В) и имеет частоту 60 Гц. В европейских и многих других странах сетевое напряжение составляет 230 В (AC) и имеет частоту 50 Гц. Питание пьезоэлектрического актуатора может осуществляться напрямую от сети в случаях, когда не требуется высокая стабильность рабочей частоты и амплитуды. В качестве примера следует привести систему активного обдува PiezoFlo. Поскольку подобные пьезоэлектрические «вентиляторы» будут интегрированы в бытовые устройства, которые, обычно также питаются от сети (например, телевизор, компьютер или светодиодная лампа), то для них не потребуется дополнительного блока питания. Однако стоит отметить, что при работе от сети следует предпринимать дополнительные меры для защиты от «залипания» актуатора. «Залипания» могут быть вызваны нестабильностью напряжения.

Частные решения

Для управления пьезоэлектрическим преобразователем может использоваться и схема собственной разработки. Однако такой подход, как правило, потребует значительных знаний в области электротехники, в отличие от варианта с использованием готовых решений. В то же время усилители собственной разработки могут быть оптимизированы для получения конкретных характеристик, в том числе для снижения габаритов и веса или увеличения мощности и уровня интеграции. Конечный результат по внешнему виду и используемым компонентам очень часто похож на модульный усилитель, но оптимизирован для конкретной системы.

Заключение. Сравнение характеристик усилителей и драйверов

В качестве заключения следует привести сравнительную таблицу характеристик конкретных усилителей, которые были рассмотрены в данной статье.

Таблица 2. Сравнение характеристик различных источников питания и драйверов для пьезоэлектрических актуаторов

Параметр

DRV2667

OPA2544

PDm200B

VP7206-48H805

PD200

Производитель

Texas Instruments

Texas Instruments

PiezoDrive

Piezo Master

PiezoDrive

Тип

микросхема

микросхема

модуль

модуль

настольный блок

Выходное напряжение

200 В (пик-пик)

140 В (пик-пик)

400 В (пик-пик)

0-800 V

200 В (пик-пик)

Выходная мощность

1 Вт

10 Вт

10 Вт

15 Вт

60 Вт

Размеры

4 x 4 x 1 мм

20 x 20 x 5 мм

71 x 38 x 40 мм

64 x 100 x 32 мм

275 x 141 x 64 мм

Приблизительная стоимость

$4

$24

$270

$380

$1890

Документация

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

Ссылка

 

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA2544T
OPA2544T
Texas Instruments
Арт.: 208551 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, DUAL HIGH VOLT, SMD, 2544; Amplifiers, No. of:2; Slew Rate:8V/чs; Termination Type:SMD; Case Style:PFM; Pins, No. of:11; Temperature, Operating Range:-40°C to +85°C; Amplifier IC Type:FET Input HV; Base Number:2544; IC Generic Number:2544; Temp, Op.…
OPA2544T
-
Поиск
предложений
OPA2544TG3
OPA2544TG3
Texas Instruments
Арт.: 386097 PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, DUAL HIGH VOLT, SMD, 2544
OPA2544TG3
-
Поиск
предложений
DRV2667RGPT
DRV2667RGPT
Texas Instruments
Арт.: 1187573 PDF AN RD
Поиск
предложений
PIEZO HAPTIC DRIVER, QFN-20
DRV2667RGPT
-
Поиск
предложений
DRV2667EVM-CT
DRV2667EVM-CT
Texas Instruments
Арт.: 1196345 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
EVM for Piezo Haptic Driver with Boost; Digital Front End; and Internal Waveform Memory
DRV2667EVM-CT
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()