피에조증폭기

피에조 앰프

압전 증폭기는 고정전용량 및 고주파 압전 장치를 구동하는 데 이상적입니다. 피에조 액추에이터 및 변환기는 일반적으로 용량 성입니다. 높은 커패시턴스로 인해 임피던스는 고주파에서 낮습니다. 초음파 주파수에서 구동하려면 고전류 증폭기가 필요합니다. 필요한 전류량은 옴의 법칙에 의해 계산되며 방정식 1과 같이 전압, 주파수 및 커패시턴스에 비례합니다. 방정식 1에서 I는 전류, V는 전압, C는 압전 커패시턴스, 는 각 주파수입니다.

그림 2와 3은 TS250 피에조 증폭기 고주파 출력 전압 파형의 두 가지 예를 보여줍니다. 2.7A에서 최대 80Vpp 사인파 또는 4.4A에서 40Vpp까지 구동할 수 있습니다.

그림 1. TS250 피에조 드라이버는 신호를 증폭하고 피에조 트랜스듀서를 구동합니다.

피에조 증폭기 출력 파형 예

압전 증폭기 연결

그림 2. TS250-3은 +/- 2.7A 전류 인 15 옴 부하로 80Vpp 35kHz 초음파 사인파를 생성합니다.

그림 3. TS250-1은 100kHz 35Vpp를 3.9옴 부하(+/-4.4A)로 구동합니다.

표 1. 압전 드라이버 선택 가이드

피에조 드라이버 선택

TS250 및 TS200은 모두 고전류 및 고전압피에조 드라이버입니다. 현재 사용 가능한 다른 증폭기 계측기와 달리 TS250 및 TS200은 초음파 주파수에서 매우 높은 전류를 출력할 수 있습니다. 표 1은 TS250/TS200 압전 드라이버 출력 전압 및 전류 범위를 자세히 설명합니다.

그림 5. 두 개의 TS250을 병렬로 연결하여 출력 전류를 2배 증가시킵니다.

고전압 증폭기

참고 1. 피에조 소자는 용량 성이므로 전력이 반응성입니다. TS250 출력 전류는 무효 전력에 맞게 조정됩니다.

참고 2. 피크 저항 전류는 최대 전압에서 1V를 뺀 값으로 지정됩니다. TS250-1용 전 메이플 19V용.

공진 피에조 장치 구동

고주파 피에조 증폭기 임피던스 매칭

고전압 피에조 드라이버

일부 압전 장치는 공진 주파수에서만 작동합니다. 이러한 장치의 예로는 초음파 세척 및 세척 응용 분야를위한Langevin 초음파 변환기가있습니다. 피에조 공진 주파수에서 이러한 장치의 임피던스는 실제로 용량 성 반대 저항성입니다. 이러한 공진 pzt 장치는 종종 전압이 아닌 작동 전력을 지정했습니다. 예를 들어, 공진 피에조 변환기는 공진 주파수에서 16옴 저항을 지정했으며 최대 작동 전력은 32W입니다. TS200 또는 TS250초음파 증폭기는 최대 ~ 70 와트까지 출력 할 수 있습니다.

압전 증폭기를 선택하려면 위의 표 250을 사용하여 가장 높은 전류를 출력하는 TS200/TS1 모델을 선택하십시오. 가장 높은 전류는 피에조 앰프의 최대 전압을 공진 저항으로 나눈 값 또는 표 1의 피크 저항 출력 전류 중 가장 낮은 값으로 계산됩니다. 예를 들어, 16옴 고주파 압전 변환기의 경우 TS250-2(+/-30V)를 선택했습니다. 최대 전류는 30V/16ohm = 1.875A입니다. 피크 전력은 56.25와트(1.875A*30V = 56.25W)입니다. RMS 전력은 28.1W입니다. RMS 전류에 RMS 전압을 곱한 값으로 계산됩니다(수학식 5). RMS 전류는 RMS 전압을 압전 공진 저항으로 나눈 값입니다.

위에서 논의한 바와 같이, 고주파 압전 트랜스듀서 및 센서는 높은 용량성이다. 임피던스는 실제 저항 없이 거의 모두 반응합니다. 이러한 피에조 장치는 실제 전력을 소산하지 않습니다. 이것은 모든 전력이 대신 피에조 드라이버 내부에서 소산된다는 것을 의미합니다. 그 결과 압전 드라이버 증폭기가 과도하게 가열됩니다. TS200/TS250은 약 45와트 RMS 전력을 소비할 수 있습니다.

더 높은 전류를 위한 병렬 압전 드라이버

TS250-1은 압전 소자를 구동하기 위해 3.1A 피크 전류를 출력할 수 있습니다. 피에조 드라이버 출력 전류를 증가시키기 위해 2개 또는 3개의 TS250/TS200을 병렬로 연결할 수 있습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 각 초음파 피에조 증폭기 드라이버는 작은 직렬 저항기로 절연되어 있습니다. 저항은 일반적으로 0.25 옴에서 1 옴 사이입니다. 병렬 연결 및 고출력 전류 드라이버에 대한 자세한 내용은 공장에 문의하십시오.

무효 전력 vs. 실제 전력

피에조 드라이버 출력 전류를 증가시키는 한 가지 간단한 기술은 고주파 pzt 장치를 더 저항하게 만드는 것입니다. 그림 4와 같이 변환기와 직렬로 저항을 추가하기만 하면 됩니다. 저항은 0.5Z에서 Z 사이에서 선택해야 합니다. Z는 압전 변환기의 임피던스와 같습니다. 예를 들어, 변환기 임피던스가 10kHz에서 20j ohm인 경우 10ohm과 20ohm 사이의 직렬 저항을 선택합니다. 총 임피던스는 이제 아래의 수학식 2와 같습니다. 정합 저항에서 소비되는 전력은 방정식 3에 주어진다. 소산 전력은 매우 높을 수 있으며 저항은 뜨거울 수 있습니다. 전력을 처리하는 임피던스 정합 저항을 선택해야 합니다.

저항 임피던스 증가

양극성 vs. 단극성

일부 고주파피에조 모터, 액추에이터, 변환기에는 양극성 전압이 필요했습니다. 이것은 적용된 전압이 음과 양수 사이에서 스윙한다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 액추에이터 양단의 전압은 진폭이 -20V에서 +20V인 사인파입니다. 반면에, 일부 피에조 장치는 단극 전압 또는 양의 전압 만 필요합니다. 예를 들어 0V에서 +40V로 스윙하는 사인파가 있습니다. 표 2는 TS200 및 TS250 피에조 증폭기의 전압 범위를 보여줍니다.

표 2. 압전 변환기 증폭기 선택 가이드

TS250은 최대 65V까지 출력합니다. 더 높은 전압이 필요한 경우 절연 DC 전원 공급 장치를 사용하여 전압을 높일 수 있습니다. 예를 들어 단극 압전 액추에이터는 100V의 DC 바이어스 전압과 80Vpp 사인파가 필요합니다. 작동 스윙 전압 범위는 60V에서 140V입니다. TS250 피에조 드라이버와 함께 분리형 DC 전원 공급 장치를 사용하면 매우 높은 전력(무효 또는 실제) 및 고전류를 생성할 수 있습니다.

그림 6과 같이 압전 증폭기 드라이버는 DC 전원 공급 장치와 직렬로 연결됩니다. 함수 발생기, 파형 증폭기 및 DC 공급 장치의 조합은고전압 함수 발생기를 형성했습니다. TS250 드라이버 음극 출력 단자가 접지에 연결되어 있는지 확인하십시오. 접지 연결은 함수 발생기 접지 및 피에조 부하와 공통입니다. 대부분의 DC 전원 공급 장치에는 이미 내부에 커패시터가 있습니다. 여전히 외부 바이패스 커패시터를 추가하는 것이 좋습니다., 특히 고주파 피에조의 경우. 병렬로 연결된 여러 커패시터를 사용할 수 있습니다. 낮은 ESR 및 ESL 세라믹 커패시터를 사용하는 것이 좋지만 전해, 탄탈륨 및 세라믹 캡의 혼합이 허용됩니다. 총 커패시턴스는 임피던스가 pzt 부하 임피던스보다 훨씬 낮을 정도로 충분히 커야합니다.

예를 들어, 고주파 피에조 액추에이터 커패시턴스가 3.3uF이고 필요한 피크 전압이 20V이고 주파수가 10kHz 인 경우 필요한 피크 전류는 4.14A입니다. 많은 전류를 구동하려면 고전류 피에조 드라이버가 필요합니다. 더 높은 주파수는 종종 더 높은 전류를 필요로합니다.

 I=V/Z=V/|1/jωC| =VωC

수학식 1

고전류 이외에, 압전 액추에이터는 또한 고전압을 필요로합니다. 작동 전압 범위는 일반적으로 10V 이상이며 최대 100V 이상까지 올라갈 수 있습니다. 이러한 파형 발생기와 같은 대부분의 신호 발생기는 5V 미만이지만 피에조 소자는 더 높은 전압이 필요합니다. 따라서 이를 구동하기 위해서는 고전압 및 고전류 압전 증폭기가 필요합니다. 예를 들어, 피에조 모터에는 40Vpp 파형이 필요하지만 함수 발생기 출력은 5V에 불과합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 TS250은신호 발생기 증폭기역할을 하며 압전 센서를 구동하는 고전류 및 고전압 사인파를 출력합니다. 기본적으로 TS250고전류증폭기는 압전 증폭기 및 드라이버로 완벽하게 작동합니다.

고전압 피에조 드라이버

그림 4. 간단한 저항 임피던스 정합은 압전 드라이버 출력 전류를 증가시킵니다.

수학식 2

수학식 3

그림 6. 고전압 테스트를 위해 압전 증폭기 및 DC 전원 공급 장치 사용.

수학식 4

수학식 5

수학식 6