高频压电放大器驱动器

文章：KC杨

压电效应是当在机械应力下压缩某些固体材料时，它通过积聚电荷而产生电压电位。法国物理学家Jacques和皮埃尔居里发现了1880年的效果。逆压电效应是施加到某些陶瓷材料的电压导致它扩展或收缩，如图所示图1。在该发现以来的未来100年里，存在许多进步，导致许多优于压电材料（即PZT）和许多实用压电装置的发明。

今天大多数压电（有时被称为PZT）设备使用反向压电效果。逆压电效应装置的例子是：压电实际，电机，扬声器/蜂鸣器，用于清洁，成像，悬浮等的高功率超声换能器。这些PZT设备中的一些是在直流电压下运行，而一些则由AC波形驱动正如正弦，广场和其他人。让我们考试压电设备和技术的基础知识。

压电设备通常需要高电压进行操作。它们所需的电压范围为10V至高达200V。对于AC设备，所需的频率高达1 MHz。另外，压电器件通常是电容性的（除谐振除外）。高电容，高频和高压要求的组合使得难以驱动这些设备。

通常压电制造商以给定频率指定其设备电容。对于第一阶的近似，大多数非谐振压电设备可以近似建模为所示的电容图2.。The impedance is expressed in Equation 1. The current required to drive the PZT device is calculated from Ohm’s law as shown in Equation 2. From Equation 2, the current (I) is proportional to voltage (V), capacitance (C), and frequency (f).

让我们使用一个例子。对于电容为1.1UF的高频压电致动器，所需的峰值电压为30V，驱动频率为15kHz;驾驶员所需的峰值电流约为2.5A（5.0A峰到峰）。压电驱动器必须能够同时输出如此高电流，高电压和高频。更高的频率需要更多的电流。

高电流压电放大器
如上所述，压电换能器器件的工作电压范围可以是10V至200V或更大的任何位置。此外，对于具有高电容，高电压或高频的任何组合的AC压电装置需要高电流驱动器。实验室中常见的信号和功能发生器可以输出小于5V进入50欧姆负载。当PZT换能器阻抗低于50欧姆时，它们的输出电压甚至更低。压电设备通常需要20V或更大范围内的电压。因此，高输出电压和高输出电流压电放大器驾驶员需要驾驶此类换能器。

例如，执行器/电机指定40V峰值电压，但实验室信号发生器只能输出为5V或更小。为了实现40V方波，压电放大器驱动器用于促进发电机信号并输出​​高电压和高电流以驱动压电致动器。图3.示出了压电换能器驱动器的示例。注意驱动器放大电压，电流和电源的组合。

压电放大器电压要求
在选择驾驶员之前了解压电器件电压要求非常重要。一些压电传感器只需要峰值到峰值电压幅度，而其他压电换能器则指定0对峰值电压。例如，超声换能器仅需要峰值到峰值幅度以产生超声电平。它接受从负数到正的电压摆动。例如，-30V至+ 30V的正弦波电压摆幅为60VPP。另一方面，一个执行器需要0到峰值电压以进行正常操作;例如，0V至+ 40V方波。总之，了解PZT器件规格对电压并选择符合电压范围的驱动器是至关重要的。Accel Instruments提供广泛的高压驱动放大器电压。

了解电容压电功率
如前所述，两个常见的压电装置在谐振频率下大多是电容性和电阻。这两种设备的电源要求不同。让我们先看看电容装置。

许多高频压电换能器/装置本质上是电容性的。其阻抗在上面的等式1中给出。从电容器的基本电气工程类中召回阻抗等于它反应物。这意味着设备的阻抗是虚构的（由J表示），没有真正的阻力。反应装置不吸收或消散权力。驱动到设备中的功率被认为是无功功率。无功功率仍然需要在某处消散，它在PZT放大器驱动器内消散，而不是在设备上。结果，加热位于压电驱动器上而不是PZT器件本身。无功功率在等式3中表示，其中阻抗（Z）来自等式1，电流（i）来自等式2。使用RMS电压值来计算RMS电流和功率。选择驱动程序时，请确保驱动程序可以处理无功功率。

[继续阅读EDN US：增加真正的阻抗]

kc yang.是Accel Instruments的产品营销工程师。