Что такое пьезо драйвер
И тем более я нашел один пик в районе 2,5 кГц у электромагнитных излучателей HCM-1612, в стороне от пика очень тихо звучат. А надо метров на 5 чтоб было на улице слышно хорошо.
Вопрос такой: бывают ли усилители с плавной регулировкой усиления, т.е. чтоб не просто глушить звук, как у MAX9788, а регулировать напряжение Vp-p, которое и раскачивает пищалку.
Регулировкой через ШИМ не удалось в области 1-10% (тихо) добиться нормального звука. Поэтому и изучаю вопрос со сторонним усилителем.
Во-первых, переход по ссылке у меня был заблокирован ввиду невозможности безопасного соединения (. ).
Во-вторых, любой динамик имеет частоту собственного резонанса. Для музыкального сигнала это большой минус, для однополосного, на резонансной частоте - это большой плюс.
В-третьих, чего там надо на расстоянии пяти метров?
В-четвёртых, усилители бывают разные, в зависимости от реальной нагрузки, полосы частот усиливаемого сигнала, выходной мощности и т. д.
.
Так что свои пожелания нужно формулировать более конкретно, тогда и ответы будут более адекватны и конкретны.
_________________
" Кроме высшего образования надо иметь хотя бы среднее соображение " (С)
"Умные люди на то и умны, чтоб разбираться в запутанных вещах." (М.Булгаков)
И тем более я нашел один пик в районе 2,5 кГц у электромагнитных излучателей HCM-1612, в стороне от пика очень тихо звучат. А надо метров на 5 чтоб было на улице слышно хорошо.
.
А вы не боитесь, что этот ваш излучатель просто не выдержит подаваемого на него напряжения?
зы.. HCM-1612- излучатель, рассчитанный на напряжение 12 вольт, 115 Ом - сопротивление катушки.. 85 дБ "звука"..
У вас от чего сигнал на излучатель подаётся?
зызы.. Ещё есть НСМ-1606 - на 6 вольт и катушка 50 Ом, и НСМ-1601 на 1,5 вольта и катушкой 27 Ом..
Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
Сейчас на схеме, которую я переделываю, на HCM1612 подаётся противофазный сигнал (меандр) с размахом 10В. Я так понял, что это при питании 5В.
85Дб у него, получается, не во всём диапазоне (как мне казалось), а только на резонансе 2,5 кГц. и малейший уход - его слышно в разы тише, что не устраивает.
Добавлено after 6 minutes 48 seconds:
В-третьих, чего там надо на расстоянии пяти метров?
В-четвёртых, усилители бывают разные, в зависимости от реальной нагрузки, полосы частот усиливаемого сигнала, выходной мощности и т. д.
Надо двухчастотный сигнал (2900 и 2100 Гц примерно), а также другие частоты в полосе 1000-3000 Гц чтоб были слышны на расстоянии метров 5-10 от источника в условиях городского дневного шума. Нужна регулировка громкости звука от 5% до 100%
ЗП-19 с этим справляется, когда без ШИМа просто на него меандр подаёшь вольт 40, но тогда надо подбирать вблизи резонанса его эту пару частот.
Как только делаем регулировку через ШИМ, громкость падает (за счёт принципа скважности, полагаю).
Вот и хотел взять усилитель, специально для пьезиков заточенный, чтоб им ещё (например, изменяя напряжение на управляющем входе) можно было громкость регулировать.
На вебинаре были представлены линейка компонентов для электропитания и интерфейсные модули. Мы рассмотрели популярные группы изолированных и неизолированных (PoL) DC/DC-преобразователей последних поколений, новые компактные модульные источники питания, устанавливаемые на печатную плату (открытые и корпусированные), источники питания, монтируемые как на шасси (в кожухе и открытые), так и на DIN-рейку.
Пьезоизлучатели это по существу кварцевый резонатор. но очень низкой добротности.
Соответственно он имеет имеет резонанс ( и гармоники).
Заставить его излучать равномерно в неком диапазоне частот не получится.
Или делать усилитель с ачх обратной характеристике пьезоизлучателя.
Встраиваемые ИП LM(F) производства MORNSUN заслуженно ценятся производителями во всем мире, поскольку среди широчайшего ассортимента продукции компании можно найти источник питания для любых задач. Представители семейств LM и LMF различаются по мощности и выходному напряжению, их технические и эксплуатационные характеристики подходят для эксплуатации в любых электрических сетях и работают в широком диапазоне условий окружающей среды. Неизменными остаются высокое качество и демократичная цена.
Это понятно.
Интересует усилитель для него с регулировкой усиления, наподобие тех микросхем, что вначале я указывал (в PDF)
Пока что никто, видимо, здесь их не применял(
Если подключить пьезик по схеме удвоения напряжения (через транзисторные ключи, например, чтоб делать переполюсовку) - управлять громкостью можно двумя способами.
1. подавать чистый меандр определенной частоты, при этом громкость регулировать потенциалом на + ключа (от 5 до 30В, скажем). Громкость ясно дело будет меняться.
2. вместо чистого меандра подавать ШИМ, и регулировать скважностью. Но мне кажется, тут громкость по-любому будет ниже, чем в случае 1, при равном питании ключей.
Двигатель в электронике это не только электромотор. Уникальные возможности можно получить, если в некоторых приложениях использовать пьезоэлектрический привод. Но такой привод имеет существенные особенности, из-за которых классические драйверы к нему нее подойдут. В статье приведены примеры схем управления пьезоприводами
Для большинства инженеров простой термин «двигатель» означает одно: электромагнитное вращающееся устройство. Инженеры, которым нужно линейное, а не вращательное движение, рассматривают обычно возможность добавления какого-либо механического рычага или использование электромагнитного двигателя с линейной индукцией. Однако обычный электромагнитный двигатель - вращающийся или линейный, большой или маленький - часто не является лучшим выбором для точного, небольшого линейного движения из-за проблем в управлении, механических допусках, люфте и других электрических и механических проблем. К счастью, существует очень жизнеспособная альтернатива: пьезоэлектрический двигатель, который широко используется в самых разных областях, где требуется точный контроль небольших диапазонов линейного движения.
Что такое пьезоэлектрический двигатель
Этот нетрадиционный двигатель основан на хорошо известном и широко используемом пьезоэлектрическом эффекте. При этом эффекте, когда кристаллический материал подвергается механическому напряжению (сжатию), он генерирует напряжение; когда напряжение подается на тот же кристалл, материал расширяется. Эта пара пьезоэлектрических свойств была с большим успехом использована в классическом кварцевом резонаторе, который являлся источником тактовой частоты в течение почти 100 лет (хотя осцилляторы на основе MEMS технологии становятся в последние годы заметной альтернативой).
В пьезоэлектрическом двигателе электрическое поле (напряжение) прикладывается к кристаллическому материалу, и материал немного растягивается (стандартное изменение размера обычно составляет величину порядка 0,01–0,1 процента от размера в состоянии покоя). Размер двигателя, как правило, очень небольшой (и это одно из их многочисленных достоинств) по сравнению с альтернативными решениями и обычно не превышает 10 мм в каждом измерении (хотя есть и более крупные), амплитуда перемещения имеет порядок микрон с возможностью создать усилие порядка ньютона. Большего удлинения с большим усилием можно достичь, сложив и запустив несколько пьезоэлектрических кристаллов как единое целое.
Это физическое удлинение можно использовать двумя способами. В одном варианте ротор может поочередно толкаться, а затем освобождаться с помощью набора крошечных пьезо-актуаторов, как показано на рис. 1.
Рис. 1. При соответствующем моменте сжатия и раширения, двигатель может вращаться с крошечными приращениями (1 корпус, 2 движущиеся кристаллы, 3 фиксирующие кристаллы, 4 вращающейся элемент)
В качестве альтернативы, один конец кристалла может быть зафиксирован на месте, позволяя другому концу перемещаться назад и вперед при подаче и снятии напряжения, что приводит к движению поршня (рис. 2). Массив из нескольких пьезодвигателей также может быть расположен по кругу для обеспечения вращательного движения, хотя их основное использование - линейное движение.
Рис. 2. С одним зафиксированным концом пьезодвигатель становится точным поршнем с высокой степенью управляемости
Пьезоэлектрический эффект используется в инфузионных насосах, микроскопах, оптических установках, измерительных приборах, струйных соплах и т. д.; недорогие, простые пьезоэлементы используются для ультразвуковых дальномеров, пищалок и даже небольших громкоговорителей, но эти применения предъявляют более низкие требования к производительности. Пьезодвигатели могут быть очень быстрыми, могут достигать диапазона нескольких кГц, что невозможно с электромагнитными двигателями, и являются точными, воспроизводимыми и управляемыми. Кроме того, они чистые, не требуют подшипников, смазки, которая может вызвать загрязнение, и их неметаллическая природа также является преимуществом во многих ситуациях (и может даже быть необходимостью, как в МРТ установках).
Драйверы имеют значение
Как и в случае с электромагнитными двигателями, узел пьезодвигателя состоит из трех частей: электронного драйвера, самого электромеханического преобразователя (двигателя) и обратной связи. Мы сосредоточимся на электронике драйвера.
Для электромагнитных двигателей функция драйвера состоит в управлении током в электромагнитных катушках, что обычно выполняется с использованием силовых полупроводников (MOSFET или IGBT). Эти силовые устройства управляются драйверами, которые включают и выключают их в нужное время с соответствующей скоростью нарастания, и они должны подавать/ забирать требуемый ток в свои индуктивные нагрузки. Напряжение, которое подается на выходной каскад MOSFET или IGBT, необходимо для создания требуемого тока в катушках, но именно ток обеспечивает электромагнитную силу в обмотках двигателя.
Для пьезоприводов ситуация совсем иная. Вместо тока возбуждения драйвер должен подавать относительно высокое напряжение для создания электрического поля, а ток является вторичным фактором, сопровождающим это приложенное напряжение. Таким образом, сценарий работы пьезоэлектрического двигателя существенно отличается от электромоторов, где требуется управление током, а следствием является напряжение; здесь напряжение - это то, что нужно, а ток - это следствие. Пьезодрайвер должен подавать необходимое напряжение (не ток) в емкостную (не индуктивную) нагрузку, и он должен контролировать и модулировать это напряжение, чтобы вызвать желаемое удлинение кристалла. Другими словами, если ток является независимым параметром, а напряжение - зависимым параметром для обычных двигателей, то для пьезодвигателей ситуация противоположная.
Необходимые уровни напряжения (и следовательно тока) пьезодвигателя определяются размерами пьезоэлектрического элемента, предполагаемого удлинения и скорости движения. Бюджетные двигатели обычно требуют напряжения 20 - 30 В и тока 10 - 30 мА, соответственно, большинство высокопроизводительных пьезоэлементов управляется напряжением минимум от 10 В и током от 10 до нескольких сотен миллиампер, а есть пьезодвигатели, использующие напряжение 1000 В и выше с током от нескольких ампер.
Именно на такие уровни напряжения при умеренных токах надо рассчитывать при проектировании драйверов пьезомоторов, что часто является проблемой при разработке схемы. Кроме того, драйвер должен оставаться стабильным несмотря на емкостную природу нагрузки, величина которой может составлять 1000 пФ (1 нФ) и более. Нужно еще учесть, что для правильной работы пьезоэлемента требуется дифференциальный биполярный выходной сигнал драйвера.
Одна из существенных сложностей при проектировании драйверов состоит в том, что поскольку эти двигатели работают при более высоких напряжениях, возникают проблемы безопасности пользователя, физической изоляции и защиты от напряжений, а также требования, определяющие минимальные размеры и зазоры, которые являются функцией уровня напряжения. Поэтому любая схема драйвера для пьезодвигателя должна учитывать эти особенности компоновки и размещения в дополнение к необходимым электрическим характеристикам схемы. Также обратите внимание, что использование высокого напряжения и небольшого тока не является уникальным требованием для пьезоэлектрических устройств, так как многие научные и коммерческие продукты нуждаются в такой же комбинации, например, неоновые лампы, специальные вакуумные лампы, электрометры и оптическое оборудование.
Варианты дизайна драйвера
Получение относительно высоких напряжений, необходимых для пьезодрайверов, является проблемой во многих случаях, потому что большинство интегральных микросхем усилителей – низковольтные устройства, а высоковольтные узлы на полевых транзисторах или IGBT обычно оптимизируются для управления током, а не напряжением привода. Существует ряд специализированных операционных усилителей, которые предназначены для управления пьезоэлементами при более высоких токах и напряжениях, изготовленных по специальной технологии и гибридных устройств, которые объединяют обычные операционные усилители с высоковольтными транзисторами на своем выходе.
В принципе, можно создать элементарный высоковольтный драйвер, используя только транзистор с адекватным номинальным напряжением (рис. 3 ). Однако такой конструкции будет не хватать точности, управляемости и стабильности, которая требуется для высокопроизводительного пьезодрайвера, и в нем не будет предусмотрена функция защиты в случае отказа. Кроме того, он не способен формировать биполярный выходной сигнал. Следовательно, эта схема подходит только для несложных задач, таких как пьезозуммер или дальномер.
Рис. 3. Хотя пьезоэлементом можно управлять с помощью обычного транзистора, такая схема подходит только для простых задач, таких как зуммеры на пьезоэлектрической основе
К счастью, производители разработали интегральные схемы, специально оптимизированные для управления пьезоприводом и упрощающие задачу разработки, добавив в них необходимые функции, включая управление дифференциальным высоковольтным сигналом. Эти микросхемы также обеспечивают защиту от перегрева, перегрузки и короткого замыкания, что необходимо при создании устройства.
Analog Devices
Например, Analog Devices предлагает ADA4700-1 , высоковольтный прецизионный усилитель с широким диапазоном рабочих напряжений (от ± 5 до ± 50 В). Хотя эта микросхема в корпусе SOIC с восемью выводами выглядит как стандартный операционный усилитель, она оптимизирована для обеспечения выходного сигнала с высокой скоростью нарастания при емкостной нагрузке, оставаясь при этом в стабильном режиме (рис. 4). Работа драйвера гарантируется в широком спектре рабочих режимов (например, при различных напряжениях, нагрузках, температурах, уровнях искажений и перерегулировании), в документации приведено порядка 60 графиков работы в различных сценариях.
Рис. 4. Высоковольтный прецизионный усилитель ADA4700-1 имеет тщательно заданные характеристики скорости нарастания
ADA4700-1 устойчиво работает с минимальным перерегулированием при управлении емкостными нагрузками, но дополнительная компенсация поможет улучшить реакцию при управлении большими емкостями. Для этого требуется небольшая демпфирующая цепь, для реализации схемы с единичным усилением и емкостных нагрузок до 1 нФ (1000 пФ) достаточно резистора 150 Ом и конденсатора 10 нФ (рис. 5). Для больших нагрузок до 10 нФ и более высоких коэффициентов усиления, таких как десятикратное, резистор уменьшается до 22 Ом, а конденсатор увеличивается до 100 нФ. Наконец, величину выходного тока можно увеличить, добавив внешнюю пару дополнительных (PNP/ NPN) транзисторов (рис. 6).
Рис. 5. Для управления высокоемкостными нагрузками в ADA4700-1 добавлена простая внешняя схема демпфирования RC
Рис. 6. Если требуется дополнительный выходной ток, пара транзисторов PNP / NPN добавляется к выходу ADA4700-1
Texas Instruments
Texas Instruments также предлагает микросхемы, которые хорошо подходят для пьезоэлектрических нагрузок. Их пьезотактильный драйвер DRV8662 со встроенным повышающим преобразователем включает в себя множество полезных функций, включая повышающий преобразователь с напряжением до 105 В (рис. 7), при напряжении питания от 3,0 до 5,5 В. Выходное напряжение задается с помощью двух внешних резисторов, а коэффициент усиления может быть установлен на одно из четырех значений с использованием двух управляющих сигналов.
Рис. 7. DRV8662 - это пьезодрайвер, предназначенный для тактильных приложений, который выдает напряжение более 100 В при питании от низковольтного источника питания
Драйвер обеспечивает напряжение 200Vpp при емкости 100nF, напряжение 150Vpp при емкости 150nF, напряжение 100Vpp при емкости 330nF и напряжение 50Vpp при емкости 680nF при частоте сигнала 300 Гц. Несмотря на свою внутреннюю сложность, эта микросхема в корпусе QFN-20 размером 4х4 мм проста в использовании, что видно из стандартной схемы ее включения (рис. 8).
Рис. 8. Несмотря на свою внутреннюю сложность, для использования DRV8662 в схеме требуется всего несколько внешних компонентов для установки основных рабочих параметров
Microchip
Большинство производителей драйверов пьезоэлементов не просто выпускают микросхемы и готовят документацию для их использования, но и производят модули типовых решений. Например, Microchip Technology предлагает конструкцию микронасоса на пьезомоторе для перекачки жидкости. Решение включает в себя блок-схему (рис. 9), код, принципиальную схему и трассировку печатной платы, а также готовое решение низковольтной системы питания зарядного устройства, микроконтроллера и других компонентов и высоковольтной секции, которая управляет пьезоэлектрическим насосом.
Рис. 9. Блок схема типового решения пьезоэлектрического насоса от Microchip Technology
Устройство использует пару микросхем для реализации высоковольтной секции (рис. 10) и способна выдавать напряжение до 250 Вpp при максимальной частоте 300 Гц. Конструкция основана на повышающем DC/DC преобразователе HV9150, работающем с высоковольтным драйвером HV913. Повышающий преобразователь формирует напряжение 250 В из низковольтной шины питания, которое затем используется микросхемой драйвера для приведения в действие пьезоэлектрического микронасоса. Драйвер обеспечивает высоковольтный однополярный двухтактный выход, а микросхема контроллера генерирует серию импульсов для возбуждения пьезоэлектрического элемента. Типовое решение - это не просто бумажная концепция, это реально собранный и протестированный модуль (рис. 11).
Рис. 10. Схема питания необходимая для работы пьезоэлектрического насоса
Рис. 11. Контроллер пьезоэлектрического микронасоса
Выводы
Пьезоэлектрические двигатели являются эффективным решением для многих задач, связанных с микродвижением, где требуется минимальное линейное движение и точное управление. Они могут заменить электромагнитные роторные и линейные двигатели во многих приложениях и предлагают превосходную производительность и некоторые уникальные характеристики, которые не могут обеспечить обычные двигатели. Но конструкция драйвера для этих моторов имеет существенные отличия от драйверов электродвигателей из-за требований к управлению высоким напряжением (а не током) и емкостной, а не индуктивной нагрузки.
Стандартные операционные усилители могут использоваться с соответствующими внешними транзисторами, чтобы обеспечить комбинацию высокого напряжения и небольшого тока. Кроме того, производители микросхем предлагают специализированные устройства, которые оптимизированы для управления пьезоэлементами и включают в себя дополнительные функции, такие как улучшенное управление выходным каскадом, тепловую защиту, защиту от короткого замыкания и многое другое, что упрощает конструкцию при одновременном улучшении характеристик.
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта. Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.
Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.
Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.
Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.
Прямой пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:
Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.
Обратный пьезоэлектрический эффект
Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:
Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств.
Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки.
Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах.
Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.
Пьезоэлектрические материалы
Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.
Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.
Пьезоэлектрические устройства
Гидролокатор
Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов.
Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок.
В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.
На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:
Принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.
Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.
Пьезоэлектрические исполнительные устройства
Ниже показана работа силового привода на основе пьезоэлектрического эффекта:
Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.
Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.
Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры
Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.
Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.
Пьезо драйверы
Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.
Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:
Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя.
Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.
Описание устройства и цепей измерения
Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:
- мембрана, которая является дном корпуса;
- обкладка снаружи заземлена, а средняя изолируется кварцем;
- пластины имеют высокое сопротивление, соединены параллельно;
- фольгу и внутреннюю жилу кабеля скрепляют в отверстии, закрывающемся крышкой.
Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: Sq = q/F или Uxx = d11·F/Co.
Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.
Описание цепей измерения
Удельное и поверхностное сопротивления определяют собственное, причем основная составляющая для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь необходимо герметизировать. В результате повышаются качества, и поверхность защищается от влаги и грязи. Цепи измерения датчиков создавались как высокоомные усилители, в основе которых использовались выходной каскад на полевом транзисторе и неинвертирующий усилитель с операционным устройством. Напряжение поступает на вход и выход.
Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:
- зависимость напряжения выхода и чувствительность по отношению к объему датчика;
- нестабильная емкость, которая меняется из-за температурных условий.
Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1.
Формула: ys = (ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1).
После преобразования получаем: S=Ubx/F.
Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают.
Для измерительной цепи характерно:
- постоянная линия времени;
- сопротивление R определено входным усилением, изоляцией датчиков, кабелей, и R3;
- МДП-транзисторы сильнее по сравнению с полевыми устройствами, однако имеют высокий уровень шума;
- R3 стабилизирует напряжение, его значение высчитывается как ~ 1011 Ом.
Анализируя последнюю переменную, можно предположить, что постоянная линия времени следующая: t ≤ 1c. Сегодня устройства могут использовать с усилителями напряжения пьезоэлектрические датчики для заряда.
Преимущественные характеристики устройств
- простота конструкционной сборки;
- габариты;
- надежность;
- преобразование напряжения механики в электрический заряд;
- переменные величины, которые можно быстро измерить.
В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.
Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь.
В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются пьезоэлектрические преобразователи.
ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:
- все материалы крепятся к титановому основанию;
- два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
- высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
- снятие сигнала посредством латунной фольги;
- она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
- датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
- чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.
Конструкционные особенности преобразователей
Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием.
Кабель должен соответствовать следующим требованиям:
- изоляционное сопротивление должно быть высоким;
- экран размещен рядом с жилой;
- антивибрационность;
- гибкость.
То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.
Особенности приборов, измеряющих вибрации
Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.
Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.
Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:
- пьезопреобразователь включают в автогенератор;
- кристалл находится на резонансной частоте;
- как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.
Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.
Альтернативный источник энергии посредством преобразователей
Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.
Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.
Этот аппарат имеет положительную характеристику.
До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями.
В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь
Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.
Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.
Пьезоэлектрический двигатель – это линейный мотор с двунаправленным движением. (Оставим это утверждение на совести автора – Ред.). Для сцепления с якорем в нем используется трение, возникающее, когда нарастающее напряжение деформирует пьезоэлектрический материал и перемещает ротор. Затем напряжение быстро снимается.
За счет пружинящих свойств материала он отрывается от якоря и возвращается в исходное положение, а якорь остается в новом положении, переместившись на несколько микрон вдоль направляющих. Повторяйте это тысячи раз с частотой порядка килогерца. Хотя каждое смещение очень мало, внимательно приглядевшись, через пару секунд вы заметите, что якорь изменил положение. (Признаюсь, до того, как меня попросили разработать драйвер, я ничего не слышал о пьезодвигателях).
Управляющая схема формирует пилообразные сигналы двух видов. Один, с плавным линейным нарастанием и быстрым спадом – для перемещения вперед, другой, симметричный относительно первого – для движения назад. Это сделано с помощью генератора напряжения треугольной формы частотой 1 кГц и диодов, включающихся для уменьшения времени нарастания переднего или заднего фронтов примерно до 5% от длительности цикла. Драйверу необходимая очень узкая полоса частот от 10 до 15 кГц.
Проблемы здесь создает только напряжение. Хорошо, что оно униполярное. Но плохо, что его пиковое значение должно составлять 150 В. Требуемый ток совершенно невелик. Он должен лишь заряжать и разряжать емкость пьезоэлемента, равную 20 нФ. На основании величины переносимого заряда (Q) этот ток легко рассчитать:
t = 1 мс,
C = 20 нФ,
V = 150 В.
Получить напряжение +200 В с требуемым выходным током 3 мА из напряжения +12 В можно с помощью импульсного повышающего преобразователя мощностью 600 мВт. Самым прямолинейным решением было бы использование операционного усилителя с напряжением питания, по крайней мере, 200 В. И хотя такие усилители существуют, они предназначены, в первую очередь, для сильноточных приложений и достаточно дороги.
Показанная на Рисунке 1 схема намного дешевле и основана на операционном усилителе общего применения, включенном повторителем напряжения. Сердцем схемы является токовое зеркало, состоящее из резистора R7, n-канального МОП транзистора Q3 и последовательной цепочки резисторов R4, R5 и R6. (Причина, по которой три резистора соединены последовательно, объясняется ниже).
Рисунок 1. | Для управления высоковольтным пьезомотором может быть использован низковольтный ОУ. |
Транзистор Q3 включен по схеме с общим затвором, подключенным к напряжению +12 В. Напряжение на его истоке остается практически постоянным и равным +10 В (12 В минус падение напряжения на открытом транзисторе). При любом напряжении на выходе ОУ IC1 меньшем, чем +10 В, Q3 открыт, и открыта цепь прохождения тока R7, R4-R6. Поскольку через R7 протекает тот же ток, что и через резисторы R4-R6, усиление напряжения равно (R4-R6)/R7, или 33. На стоке Q3 напряжение имеет требуемый размах, однако выходное сопротивление этой точки слишком велико.
Два комплементарных МОП транзистора, работающие как повторители напряжения, предназначены для снижения выходного сопротивления и усиления выходного тока. Резисторы R2 и R3 образуют цепь отрицательной обратной связи, а конденсатор C1 ограничивает полосу рабочих частот. Общий коэффициент усиления при замкнутой цепи обратной связи равен
Остановимся на некоторых тонкостях схемы. Стабилитроны D1 и D2 предназначены для защиты затворов транзисторов в случае каких-либо неприятностей с пьезомотором, например, если пользователь закоротит его выводы. Сопротивление верхней части токового зеркала представлено тремя резисторами R4 … R6, что позволяет снизить мощность, рассеиваемую каждым прибором, и использовать резисторы для поверхностного монтажа типоразмеров 0805/2012. Сопротивление обратной связи разделено на два резистора R2 и R3 для уменьшения влияния коэффициента сопротивления. Этот несколько неясный эффект проявляется в незначительных изменениях начального сопротивления при высоких рабочих напряжениях.
Небольшой конденсатор обратной связи между входом и выходом ОУ предназначен для компенсации нестабильности схемы. Без него паразитные емкости (прежде всего, емкости Миллера CDG и емкость пьезоэлемента) внесли бы фазовый сдвиг, достаточный для самовозбуждения ОУ. Искажения типа «ступенька» не создают никаких проблем и не требуют устранения, так как пьезоэлемент реагировать на них просто не в состоянии в силу ограниченной частотной характеристики.
Еще одну проблему создает полюс в бесконечно удаленной точке, обусловленный чисто емкостным характером пьезоэлемента. Устойчивость схемы можно улучшить, взяв сигнал обратной связи прямо с истоков Q1 и Q2 через дополнительный резистор R8.
После того, как слегка капризничавший пьезомотор был настроен, схема заработала великолепно. Якорь двигался вперед и назад с невероятно высоким разрешением.
Заключение
Для управления высоковольтным пьезоэлектрическим мотором может использоваться низковольтный операционный усилитель. D1 и D2 защищают схему от коротких замыканий нагрузки, в то время как разделение некоторых резисторов на последовательные цепочки снижает выделяющуюся на каждом из них мощность и минимизирует коэффициент сопротивления.
Несмотря на то что пьезоэффект был открыт еще в XIX веке, а со второй половины XX активно развивалась теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика - один из перспективных материалов века XXI.
Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями. Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в 60-70 годах XX века.
Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей. В настоящее время пьезокерамика широко используется для ультразвуковой диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефтегазовом комплексе; силовая пьезокерамика - в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении и т. д. В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов и в комбинированных системах. Вместе с тем современные требования по энергосбережению, миниатюризации, адаптивности к компьютерным системам управления и контроля, все чаще заставляют производителей техники и оборудования обращаться к поиску тех или иных технологических решений с помощью пьезокерамики. В результате появляются новые типы пьезокерамики, создаются новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты.
Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств.
Применение пьезокерамических элементов в изделиях коммутации электрических сигналов привело к качественно новому уровню производства кнопок, клавиатур, выключателей, переключателей и интегрированных изделий на их основе.
Начиная с 1990 года началось массовое производство пьезокоммутационных изделий зарубежными фирмами. В России (СССР) первые опытные изделия появились еще в 1984-1985 году, но из-за низкого качества собственных пьезоэлектрических элементов и невозможности покупки их за рубежом, эта технология не получила должного развития.
В настоящее время объемы выпуска пьезокоммутационных изделий распределились между фирмами:
- PSD (США) - 4%,
- T.H. tschudin& heid ad (Швеция) - 9%,
- ALGRA (Швеция) - 26%,
- SHURTER (Германия) - 25%
- Baran Advanced Technologies (Израиль) - 36%
Пьезокнопки
Достаточно простыми средствами достигнута:
- высокая надежность;
- небольшие габариты;
- современный дизайн;
- возможность работы в агрессивных средах: в воде, песке, металлической стружке;
- искробезопасная бесконтактная коммутация, не имеющая аналогов по количеству коммутационных циклов;
- широкий диапазон рабочих температур, токов и напряжений;
- антивандальное исполнение;
- разумная стоимость.
В отличие от существующих сенсоров, емкостных, индуктивных и других пьезокнопки не требуют дополнительного источника питания, а также позволяют размещать на одном металлическом листе неограниченное количество кнопок, что позволяет объединять их в клавиатуры с различными схемами соединений.
Основные технические характеристики
- Напряжение до 1000 и более вольт;
- ток постоянный/переменный, до 10 и более ампер;
- сопротивление электрического контакта « вкл» 0,01 Ом;
- сопротивление электрического контакта «выкл» более 5 Мом;
- емкость 25 пикофарад;
- количество коммутационных циклов более 50 миллионов;
- диапазон рабочих температур -40°C до +125°С;
- усилие нажатия 3-5 Ньютон;
- материал корпуса: нержавеющая сталь, алюминий, латунь, пластмассы и другие материалы.
Принцип работы пьезокнопки
Принцип работы основан на прямом физическом пьезоэффекте, т.е. при давлении на пьезоэлемент происходит его деформация и на его обкладках (электродах) возникает напряжение достаточное для надежного управления бесконтактными транзисторными ключами.
Конструкция пьезокнопки
На обратной стороне корпуса кнопки, который может выполняться из металла или пластмассы, установлен пьезоэлемент 3. Напряжение с его выводов подается на печатную плату, затем снимается токосъемником 4, который, как правило, выполняется из токопроводящей резины.
На печатную плату 5 смонтирована электронная схема, коммутирующая внешнее напряжение (ток) в нагрузке. Вся конструкция залита герметиком 6, а выводы 7 могут быть выполнены разъемом, проводами или кабелем.
- металлический корпус;
- мембрана;
- пьезоэлемент;
- токосъемник;
- печатная плата с управляющей электронной схемой;
- герметик;
- выводы.
Функциональное подразделение простых пьезокнопок
Импульсные пьезо-кнопки.
Бывают как нормально-замкнутые, так и нормально-разомкнутые. При нажатии происходит размакание (замыкание) контакта на 120-1500 миллисекунд;
Пьезо-кнопки продолжительного действия.
При нажатии происходит замыкание или размыкание контакта на время до 30 и более секунд.
Все эти кнопки выпускаются с вышеуказанными электрическими параметрами, а также с индикацией, со светодиодом или светодиодным кольцом.
Корпуса пьезокнопок выполняются из нержавеющей стали, анодированного алюминия красного, зеленого, голубого, черного, желтого и натурального цвета, а также из пластмасс и других материалов. Надписи выполняются фотохимическим способом, лазерной или механической гравировкой.
Установочные размеры: диаметр от 16 мм с резьбой М16 до 40 мм, длиной от 8 до 20 мм, в исполнении для наружной и внутренней установки на панель.
Выводы выполняются стандартным кабелем, проводом или разъемом. Кнопки могут выполнятся с тактильным эффектом обратной связи. То есть "щелкать" при нажатии.
Интегрированные пьезокнопки требуют дополнительного питания, но вместе с тем значительно расширены их функциональные возможности. Путем добавления дополнительной электроники можно получить многоканальную пьезокнопку со встроенными таймерами на включение - отключение и сложные циклически повторяемые программы, а с появлением дешевых программируемых микроконтроллеров - возможность создания программируемых и перепрограммируемых пьезокнопок. Стало возможным создание кнопок повышенной секретности, с защитой от случайных срабатываний,специальных слайд-кнопок, которые срабатывают при нажатии и движении пальца в определенном направлении и/или с определенной скоростью и так далее.
Функциональное подразделение интегрированных пьезокнопок
Продолжительного действия.
Замыкание или размыкание контакта на время до 30 и более секунд.
Включено/выключено
При нажатии - включение и при повторном нажатии - отключение.
C таймером времени
Включение или отключение на заданный промежуток времени.
С таймером времени/стоп
Включение или отключение на заданный промежуток с возможностью прервать выдержку.
Однократно программируемые
В данных кнопках может быть реализована любая сложная программа на однократное или циклическое включение или отключение нагрузки с выдержками на включение и отключение. Например, после нажатия на кнопку включить нагрузку 1 на 5 минут, запретить возможность прерывать программу в течение 6 минут, после отработки 5-минутной выдержки и через 24 часа включить нагрузку 2 на время 3 минуты и далее повторять программу через каждые 48 часов. Программа записывается с помощью программатора;
Многократно программируемые
Такие же как и однократно программируемые, но с возможностью записи новой версии или другой программы.
Мультипрограммные
В память микроконтроллера одновременно с помощью программатора записывается пять и более сложных программ и пользователь может выбрать и активизировать нужную с помощью несложных манипуляций. Например, для активизации программы 3 снять напряжение питания с кнопки и подать вновь, в это время загорается дополнительный светодиод, показывающий с обратной стороны кнопки, что пользователь может активизировать любую программу путем нажатия на кнопку. Чтобы активизировать программу 3 – необходимо в течение трех секунд с момента подачи напряжения нажать три раза. Через две секунды кнопка выходит из режима активизации, светодиод гаснет и кнопка остается в режиме программы 3, то есть если теперь нажать на кнопку - запустится программа 3, и при каждом дальнейшем нажатии будет запускаться программа 3.
Для активизации другой программы необходимо выполнить все операции еще раз. При случайном пропадании напряжения питания, сохраняется последняя настройка.
Перепрограммируемые
Данные кнопки позволяют пользователю записать и перезаписать программу в память микроконтроллера кнопки без программатора с помощью несложных манипуляций перечисленных выше, что очень важно для полевых условий эксплуатации.
Специальные
В память микроконтроллера записываются специальные программы, позволяющие преобразовать функцию времени нажатия в последовательный стандартный сигнал больше или меньше. Включение нагрузки произойдет после определенной комбинации нажатий и пауз.
К специальным относятся так называемые слайд - кнопки, – группа кнопок с общей мембраной позволяет создавать кнопки, которые включают нагрузку только при нажатии и перемещении пальца в строго определенном направлении и, если нужно, скорости (экстренное открытие дверей в самолете, электропоезде и других объектах, где нужно исключить ошибочное срабатывание).
Технические характеристики специальных пьезокнопок
- Напряжение питания кнопок универсальное от 9 до 24 вольт переменного или постоянного тока.
- Кнопка потребляет 1-2 миллиампера в режиме ожидания, и до 10 миллиампер, в режиме отработки программы.
- Выпускаются кнопки, не потребляющие энергию в режиме ожидания, что очень важно при батарейном питании.
- Защищены от воздействия статического электричества.
- Гальваническая развязка выходов с источником питания.
- При необходимости выполняются с защитой от перегрузки и короткого замыкания.
- Хранение программы при отсутствии напряжения гарантируется в течение 10 лет.
- Коммутационные параметры перечислены выше в основных технических характеристиках.
- Установочные размеры: диаметр от 16 мм с резьбой М16 до 40 мм длиной от 30 до 35 мм в исполнении для наружной и внутренней установки на панель.
Сферы применения
Современный дизайн и небольшие габариты позволяют использовать кнопки и в офисе банка, и на прокатном стане. Для управления технологическими процессами с тяжелыми и особо тяжелыми условиями эксплуатации: высокая влажность или вода, пыль, песок, металлическая стружка, химически агрессивная среда, большие перепады температуры, пожаро - взрывоопасная среда.
Читайте также: