Что такое пьезо драйвер

Обновлено: 04.07.2024

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.

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

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.


Коллеги,вот нашёл в Одессе пьезо драйвера BIG.Цены,конечно,смешные.А как они в работе?За такие деньги менять можно пачками
5.50 $

PIEZO TVITER
Мощность:RMS 50 watts
Частотный диапазон:1.5КHz-21КHz
Чувствительность (1W/1M):108dB
Катушка:пьезоэлектрическая
Рупор размер 80*188мм


6.50 $

PIEZO TVITER
Мощность:RMS 50 watts
Частотный диапазон:1.5КHz-21КHz
Чувствительность (1W/1M):108dB
Катушка:пьезоэлектрическая
Рупор размер 100*265мм


5.00 $

PIEZO DRIVER
Мощность:RMS 50 watts
Частотный диапазон:1.5КHz-21КHz
Чувствительность (1W/1M):108dB
Катушка:пьезоэлектрическая


8.50 $

PIEZO DRIVER
Мощность:RMS 80 watts
Частотный диапазон:1.5КHz-21КHz
Чувствительность (1W/1M):108dB
Катушка:пьезоэлектрическая

Больше всего интересует последний

Присоединясь к заинтересованности. Интересно, как быстро они горят? (или не горят) Если не дрючить, то не горят. В некоторых системах для увеличения мощности их ставили каскадами по нескольку штук. Звучат, конечно, противно, но для бюджетного сегмента сгодятся.

Дибилоиды если такое написали в паспорте. катушка не может быть пьезоэлектрической. Излучатель может .Катушка нет.! Пьзокристалл- он потому и называется так потому что -кристал с пьезозффектом определённого вещества. ( По простому. чтобы не влазить в теорию.При подведении электрического тока определённой частоты "пьезокристал" начинает излучать в пространство звуковые (ультрозвуковые) волны с этой частотой. ) На этом принципе устроены пьезоэлектрические громкоговорители,зуммеры ,бипперы и т.д. Если же на "пьезокристал" воздействовать механически(пьезозажигалки например)- вырабатывается эл .ток.Если воздействовать в диапазоне звуковых частот получится -пьезодатчик(пьезо-звукосниматель для гитары,головка звукоснимателя проигрывателя грампластинок ,пьезомикрофон(были и такие) пьезодатчик сигнализации.
Часто ,для того чтобы повысить эффективность работы пьезодрайверов их включают с применением повышающего атов-трансформатора( который вполне возможно совмещён с пьезодатчиком в "конструктиве") Пьезо датчики как правило имеют очень большую неравномерность.Устанавливаются(из за дешевизны ) в самые дешёвые системы.

(Профи не судите строго . Попытался попроще объяснить для простых пользователеё)

Добавлено через 4 минуты

Очень большой диапазон для такрго вида драйвера.Как правило больше известны пьезо твиттеры.Работающие с 4-5 Кгц.,или выше для расширения диаппазона вверх в паре с обычными драйверами которые работают от 1-2Кгц

Compression driver -и что это пьезо или нет?

Конечно- нет, в пьезо твиттере излучателем высоких частот служит кристалл, априори имеющий ограничение по воспроизводимому диапазону и не требующий кроссовера, в Вч твиттере излучателем Вч является диафрагма из различных материалов( бумага, ткань, пропитанная лаком, не для волос, естественно, полимеры , металлы и т.д.), приводимая в движение электродинамической катушкой, твиттеру уже нужен фильтр или кроссовер,, причем с довольно высокой частотой раздела, по сути, твиттер представляет собой маленький динамик в закрытой камере, работающий в ограниченном диапазоне, как правило от 2,5 кГц и выше. Компрессионный драйвер- излучатель с диафрагмой из жёстких материалов( пластик, металл, пропитанный лаком или полиэфирными смолами картон), также приводимой в движение- колебательного характера- электродинамической катушкой, движущейся в кольцевом зазоре постоянного магнита, под действием переменного электрического сигнала звуковой частоты. Ему уже необходим не только кроссовер или фильтр, но и рупор, к горловине которого и подсоединяется ( механически ) драйвер, комплекс- рупор\драйвер и образуют компрессионную камеру, значительно повышающую эффективность- давление и направленность- высокочастотного иэлучения. Как правило, Вч драйверы имеют более широкий частотный диапазон, по сравнению с твиттерами, и позволяют снизить частоту раздела системы "вуфер\драйвер" вплоть до 800- 1200 Гц.

(Ёш трёш!) А теперь вопрос: что такое ВЧ ДРАЙВЕР (HF DRIVER) и что такое ТВИТЕР (TWEETER) и их принципиальное различие.
Привет! Вот не поверишь старый.(извини меня толстого!) Нюхом чую,ухом слышу (для себя ,любимого решил,.Всё что воспроизводит с800-1200 Гц --драйвер. С 4-5кГц--твитер) а вот как правильно объяснить не могу. Просвяти. Без прикола .(правда .Никогда не задумывался):br: Финн, Володя57 достаточно раскрыл. Совсем если упростить, твитер- это ВЧ громкоговоритель, драйвер- компрессионный излучатель. Все просто.:wink:
Если далее раскрывать тему, то понятие драйвер неприменимо к широкополосным и СЧ излучателям. Основное отличие драйвера (DRIVE-активно двигать) большие хода подвижной системы, как следствие- большое давление. Драйвер и Компрессионный- близнецы братья:)))) А что лучше применять в двухполосной акустике?:confused:
И какие плюсы и минусы драйверов и твитеров?:confused: А это, Леша-Саша, для чего,каких целей акустика. Для АС небольших мощностей. используемых в небольших помещениях, для озвучки маленьких кафе- ресторанов лучше твитер. Он мягкий, прозрачный. Для сценического действа на приличных мощностях без драйвера не обойтись. Четкий звонкий и очень пробивной.

А вот подскажите плиз. У меня в колонке N 481K RCF 1" фланец/Мощность 120Вт (cont. Program)/55Вт (IEC)/Част. диапазон 500-20 000Гц .
Работают лет 10 без проблем.
А если поменять на что нибудь современное 2 дюйма.

Добавлено через 1 час 2 минуты
Ау:tu:,посоветуйте драйвер

Боки, от добра добра не ищут.:wink: Не стоит "портить" заслуженную вещь. Опять же, не факт, что колоночка заиграет с неродным 2" драйвером. rolleyes: Спасибо.То есть нет смысла выбрасывать больше полкосаря денех на *вроде лучше стало*:vah:.Вопрос телепал время от времени и уважаемый maestro 116 помог .
RCF 481-хоть древние но довольно хорошо справляются со своими обязанностями.Динамик стоит EvDL15X.
Поясню--всё это я впихнул в пластиковую коробочку с лейблой*Сцаукинг*(что бы не спёрли),спецы(прокатчики знакомые из Мозыря) рекомендовали фильтр не трогать
А 2 дюйма драйвер что даёт. Если далее раскрывать тему, то понятие драйвер неприменимо к широкополосным и СЧ излучателям
На забугорных сайтах производителей все динамики:и широкополосные которткоходные,и компрессионные длинноходные и высокочастотные динамические с подвижным диффузором (мембраной) обзывают драйверами.Все в одну кучу свалили.

А 2 дюйма драйвер что даёт.

Ясно дело - низов больше.:smile:

Низа тут не при чём. Просто и мощности больше подводится, и излучающая поверхность (площадь) больше. Привет всем!
Зашёл на сайт, чтоб спросить про пьзопищалку- твитер
Motorola, стояла когда-то в "Fender - 1205A. Там их две стоят.
Хочу временно поставить вместо "ВЧ" драйвера в "COURT LX-3". - Это сателлит 3-х полосный. Там "НЧ - низкая середина" "ВЧ-высокая середина" и "ВЧ". Ну вообщем понятно.
Разделительный фильтр в колонке стоит. Если я подцеплю "пьезо" к "ВЧ", надо ли ставить сопротивление последовательно? "Пьезо" на 50вт. где так. Выдержит ли она, если я буду подавать на колонку 300вт? И можно ли ограничить мощность на ней?
Повторю, это временно.
Твитер, это конденсатор. я понимаю! Но как они вообще мощность держат. т.е. может порвать диафрагму или разрушиться? То, что замкнуть может - это да!
Хочу ваше мнение услышать. Спасибо. Твитер, это конденсатор. я понимаю!
Твитер - это ВЧ излучатель, а не конденсатор. Пьезо-твитер в ПРО-сегменте аппаратуры практически не применяется. В автозвуке - да. Но если честно - г. но полное, ставьте нормальный твитер. эти пьезики применялись в китайских наручных часах "для музыки". В Фендере Моторола тоже стояла, но толку от них никакого. и 50 вт они не выдержат.:smile::smile::smile:

Твитер - это ВЧ излучатель, а не конденсатор. Пьезо-твитер в ПРО-сегменте аппаратуры практически не применяется. В автозвуке - да. Но если честно - г. но полное, ставьте нормальный твитер. эти пьезики применялись в китайских наручных часах "для музыки". В Фендере Моторола тоже стояла, но толку от них никакого. и 50 вт они не выдержат.:smile::smile::smile:

Спасибо за ответ! Всё понял! Ладно. заткну пока в одной колонке эту дырку, поработает на СЧ-ВЧ драйвере, эквалайзером выведу.
Работали когда-то на этих Фендерах, пищалки вылетали не редко! :wink:

Пьезо-твитер в ПРО-сегменте аппаратуры практически не применяется.
Хотя ставили в Fender BXR 200 Хотя ставили в Fender BXR 200
Так то ж басовый комб. Эти пьезики лучше уж на какой-нибудь Senon поменять. Какие то пьезо стоят в Fender 115 ELС - редкостной гадости акустика.

Так то ж басовый комб.
Так они ставили и в инструментальный .

Добавлено через 5 минут
А в "Ёрквилах" ( не помню в каких только ) с двумя 15" стоял полноценный драйвер и ещё два "пьезика" . Но в отличии от "моторол" кристал толстый ( примерно3мм) и намотан повышающий автотрансформатор на каркасе внутри самого твитера . ( тразбирал , перематывал эти катушки- трансформаторы . Без сердечника . Просто намотаны на пластиковый каркас. )

комплекс- рупор\драйвер и образуют компрессионную камеру, значительно повышающую эффективность- давление и направленность- высокочастотного иэлучения. .

Это не совсем так. Компрессионным драйвер называется потому, что в его составе есть компрессионная камера. То есть мебрана "подпёрта" воздухом и без рупора. Рупор служит для выравнивания нагрузки, создаваемой на тыловую часто мембраны компрессионной камерой. Размеры компрессионной камеры сильно влияют на АЧХ драйвера, так как по сути она является резонансным контуром. Другой особенностью драйвера является то, что с целью выравнивания давления компрессионной камеры на мембрану она передаёт звук в горло не напрямую, а через так называемое "тело Вента". С помощью тела Вента также выравниваются длины каналов прохождения звука от мембраны к горлу с целью выравнивания фаз сигналов, поступающих от разных участков купольной мембраны. Мембраны не видно. Поэтому, чтобы отличить драйвер от твитера достаточно посмотреть, видна ли мембрана. Компрессионные драйверы, как и твитеры, бывают как купольные, так и кольцевые - здесь имеется в виду форма мембраны. В общем и целом основное отличие драйвера от твитера - это отсутствие у твитера компрессионной камеры. Камера позволяет получить от компрессионного драйвера более широкий диапазон в сторону НЧ при тех же размерах мембраны по сравнению с бескамерной конструкцией. В общем и целом можно сказать так: конструктивные особенности позволяют драйверу лучше работать в области НЧ, а твитеру - в ВЧ. И хотя существуют твитеры с низкой граничной часотой, они малоэффективны в этой области. А для того, чтобы компрессионный драйвер хорошо работал на самых высоких частотах (14 кило и выше), требуются довольно большие ухищрения, приводящие к повышению цены. Короче говоря - нужен чистый верх - используются твитеры. Надо получить широкий диапазон с высоким давлением в области СЧ - тогда компрессионные драйверы вне конкуренции. В тех случаях, когда хочется и того, и другого - целесообразно комбинировать драйверы и тыитеры.

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.

Драйвер для пьезоэлектрического двигателя

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.

При соответствующем моменте сжатия и раширения, двигатель может вращаться с крошечными приращениями (1 корпус, 2 движущиеся кристаллы, 3 фиксирующие кристаллы, 4 вращающейся элемент)


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.

С одним зафиксированным концом пьезодвигатель становится точным поршнем с высокой степенью управляемости

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.

Хотя пьезоэлементом можно управлять с помощью обычного транзистора, такая схема подходит только для простых задач, таких как зуммеры на пьезоэлектрической основе

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.

Высоковольтный прецизионный усилитель ADA4700-1 имеет тщательно заданные характеристики скорости нарастания

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).

Для управления высокоемкостными нагрузками в ADA4700-1 добавлена простая внешняя схема демпфирования RC

Рис. 5. Для управления высокоемкостными нагрузками в ADA4700-1 добавлена простая внешняя схема демпфирования RC

Если требуется дополнительный выходной ток, пара транзисторов PNP / NPN добавляется к выходу ADA4700-1

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.

DRV8662 - это пьезодрайвер, предназначенный для тактильных приложений, который выдает напряжение более 100 В при питании от низковольтного источника питания

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).

Несмотря на свою внутреннюю сложность, для использования DRV8662 в схеме требуется всего несколько внешних компонентов для установки основных рабочих параметров

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.

Блок схема типового решения пьезоэлектрического насоса от Microchip Technology

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).

Схема питания необходимая для работы пьезоэлектрического насоса

Рис. 10. Схема питания необходимая для работы пьезоэлектрического насоса

Контроллер пьезоэлектрического микронасоса

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.

Читайте также: