压电陶瓷驱动电路的制作方法

[0001]
本发明属于电路控制技术领域，具体涉及压电陶瓷驱动电路。


背景技术：

[0002]
压电陶瓷作为一种重要的力、电、光敏感功能材料，已经在传感器、微位移器等电子上得到了广泛应用。特别是压电陶瓷的逆压电效应，将压电陶瓷材料置于外电场中，压电体在发生极化的同时产生相应的应力应变现象进行工作，可应用于各种微型机械电子系统中的液体冷却系统或其他微量液体输送装置。目前，压电陶瓷驱动电源主要为电荷驱动型，电荷驱动型电源采用电流源代替电压源，需要设计专门的电荷放大器，且其低频特性差，存在零点漂移缺陷。因此有必要设计一种结构简单、成本低廉的电压型驱动电路以驱动压电陶瓷正常工作。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是提供一种压电陶瓷驱动电路，具有结构简单、成本低廉的特点。
[0004]
本发明所采用的技术方案是压电陶瓷驱动电路，包括堆叠式可调直流电源电路、可调脉冲信号电路和门控电路；堆叠式可调直流电源电路用于放大直流输出电压，可调脉冲信号电路用于提供可调驱动信号，门控电路通过控制高压激励脉冲的开关驱动压电陶瓷环，堆叠式可调直流电源电路、可调脉冲信号电路和门控电路共同作用于压电陶瓷环。
[0005]
本发明的特点还在于：
[0006]
堆叠式可调直流电源电路包括至少5个串联的相同电路，每个电路包括变压单元、整流单元、稳压单元和电压放大单元；市电与变压单元输入端相连，变压单元输出端与整流单元输入端相连，用于对市电220v变压后将交流电流转换为直流电流；整流单元输出端与稳压单元输入端相连，用于稳定输出电压；稳压单元输出端与电压放大单元输入端相连，通过堆叠结构电路放大输出电压；
[0007]
可调脉冲信号电路包括脉冲产生单元和调控单元；脉冲产生单元输入端与外接电源相连，用于产生脉冲信号，脉冲产生单元输出端与调控单元输入端相连，用于提供可调驱动信号；电压放大单元输出端与门控电路相连，门控电路与调控单元输出端相连。
[0008]
变压单元的变压器输出端分别与整流单元的桥式整流器两个交流输入端相连，桥式整流器的输出端负极与电容c1负极、电容c2、电阻r2、电容c3负极、电容c4负极相连。
[0009]
整流单元的桥式整流器的直流输出端经滤波后与稳压单元输入端相连，滤波元件由电阻r1和电容c1并联组成，稳压单元的稳压元件u1的输入端连接有电容c2，稳压元件u1的输出端与电阻r3、二极管d1正极、二极管d3负极、电容c4、可调脉冲信号电路的电阻r18和三极管q2的发射极相连，稳压单元的调节端adj与电阻r2、电阻r3、电容c3正极、二极管d3正极相连。
[0010]
5个电路的电容c4、电容c8、电容c15、电容c20和电容c25依次串联，电容c25的负极与二极管d14的正极相连后接地。
[0011]
脉冲产生单元包括与调控电路相连的脉冲元件u3，调控电阻r5和引脚rst分别连接引脚vcc，调控电阻r5的另一端分别与电阻r6和引脚dis相连，电阻r6的另一端分别与电容c10的一端、引脚thr和引脚tri相连，电容c10的另一端分别与电容c11的一端和引脚gnd相连，电容c11的另一端与引脚con相连，脉冲产生单元输出端与电阻r7的一端、电容c9的一端相连，二极管d7的正极与电阻r7的另一端相连，电容c9的另一端与电阻r10的另一端相连。
[0012]
调控单元包括与调控电路相连的脉冲元件u5，调控电阻r10的一端分别与二极管d7的正极、引脚tri相连，另一端分别与d7的负极、电阻r15的一端、引脚rst和引脚vcc相连，电阻r15的另一端分别与电容c16的一端、引脚dis和引脚thr相连，电容c16的另一端分别与电容c21的一端和引脚gnd相连，电容c21的另一端与引脚con相连。
[0013]
门控电路包括相连接的三极管q1和三极管q2；
[0014]
脉冲元件u5的输出端与电阻r16的一端相连，电阻r16的另一端与电阻r14的一端和三极管q1的基极相连，三极管q1的发射极与电阻r14的另一端均接地，三极管q1的集电极与电阻r19的一端相连，电阻r19的另一端分别与电阻r18的另一端和三极管q2的基极相连，三极管q2的集电极分别与二极管d14的负极和压电陶瓷环的一端相连，压电陶瓷环的另一端与二极管d14的正极、堆叠式可调直流电源电路负极输出端均接地。
[0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
本发明压电陶瓷驱动电路，包括堆叠式可调直流电源电路和可调脉冲信号电路，可实现驱动信号电压幅值、脉冲宽度、脉冲频率的调节；本发明压电陶瓷驱动电路，利用门控电路将堆叠式可调直流电源电路与可调脉冲信号电路联系在一起，实现低压脉冲信号对可调直流电源的控制，从而输出幅值、脉冲宽度、频率可调的高压驱动信号；本发明压电陶瓷驱动电路，其驱动电源效率高、发热低，结构简单，成本低廉。
附图说明
[0017]
图1是本发明压电陶瓷驱动电路的结构示意图；
[0018]
图2是本发明压电陶瓷驱动电路的原理图；
[0019]
图3是本发明压电陶瓷驱动电路中可调脉冲信号电路的结构示意图；
[0020]
图4是本发明压电陶瓷驱动电路中堆叠式可调直流电源电路的仿真结果波形图；
[0021]
图5是本发明压电陶瓷驱动电路中可调脉冲信号电路的仿真结果波形图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0023]
本发明压电陶瓷驱动电路，结构如图1、2所示，包括堆叠式可调直流电源电路、可调脉冲信号电路和门控电路；堆叠式可调直流电源电路用于放大直流输出电压，可调脉冲信号电路用于提供可调驱动信号，门控电路通过控制高压激励脉冲的开关驱动压电陶瓷环，堆叠式可调直流电源电路、可调脉冲信号电路和门控电路共同作用于压电陶瓷环。
[0024]
优选地，堆叠式可调直流电源电路包括至少5个串联的相同电路，每个电路包括变压单元、整流单元、稳压单元和电压放大单元；市电与变压单元输入端相连，变压单元输出端与整流单元输入端相连，用于对市电220v变压后将交流电流转换为直流电流；整流单元
输出端与稳压单元输入端相连，用于稳定输出电压；稳压单元输出端与电压放大单元输入端相连，通过堆叠结构电路放大输出电压；
[0025]
可调脉冲信号电路包括脉冲产生单元和调控单元；脉冲产生单元输入端与外接电源相连，用于产生脉冲信号，脉冲产生单元输出端与调控单元输入端相连，用于提供可调驱动信号；电压放大单元输出端与门控电路相连，门控电路与调控单元输出端相连。
[0026]
优选地，变压单元的变压器输出端分别与整流单元的桥式整流器两个交流输入端相连，桥式整流器的输出端负极与电容c1负极、电容c2、电阻r2、电容c3负极、电容c4负极相连。
[0027]
优选地，整流单元的桥式整流器的直流输出端经滤波后与稳压单元输入端相连，滤波元件由电阻r1和电容c1并联组成，稳压单元的稳压元件u1的输入端连接有电容c2，稳压元件u1的输出端与电阻r3、二极管d1正极、二极管d3负极、电容c4、可调脉冲信号电路的电阻r18和三极管q2的发射极相连，稳压单元的调节端adj与电阻r2、电阻r3、电容c3正极、二极管d3正极相连。
[0028]
稳压单元中可变电阻r2的接法不受限制，可变电阻r2与定值电阻r3的比值为0～28.6，即可正常工作。
[0029]
优选地，5个电路的电容c4、电容c8、电容c15、电容c20和电容c25依次串联，电容c25的负极与二极管d14的正极相连后接地。
[0030]
优选地，如图3所示，脉冲产生单元包括与调控电路相连的脉冲元件u3，调控电阻r5和引脚rst分别连接引脚vcc，调控电阻r5的另一端分别与电阻r6和引脚dis相连，电阻r6的另一端分别与电容c10的一端、引脚thr和引脚tri相连，电容c10的另一端分别与电容c11的一端和引脚gnd相连，电容c11的另一端与引脚con相连，脉冲产生单元输出端与电阻r7的一端、电容c9的一端相连，二极管d7的正极与电阻r7的另一端相连，电容c9的另一端与电阻r10的另一端相连。
[0031]
优选地，调控单元包括与调控电路相连的脉冲元件u5，调控电阻r10的一端分别与二极管d7的正极、引脚tri相连，另一端分别与d7的负极、电阻r15的一端、引脚rst和引脚vcc相连，电阻r15的另一端分别与电容c16的一端、引脚dis和引脚thr相连，电容c16的另一端分别与电容c21的一端和引脚gnd相连，电容c21的另一端与引脚con相连。
[0032]
加入电阻r7和二极管d7用来抑制高电平处的尖脉冲。
[0033]
优选地，门控电路包括相连接的三极管q1和三极管q2；脉冲元件u5的输出端与电阻r16的一端相连，电阻r16的另一端与电阻r14的一端和三极管q1的基极相连，三极管q1的发射极与电阻r14的另一端均接地，三极管q1的集电极与电阻r19的一端相连，电阻r19的另一端分别与电阻r18的另一端和三极管q2的基极相连，三极管q2的集电极分别与二极管d14的负极和压电陶瓷环的一端相连，压电陶瓷环的另一端与二极管d14的正极、堆叠式可调直流电源电路负极输出端均接地。
[0034]
本发明压电陶瓷驱动电路，工作原理如下：
[0035]
压电陶瓷驱动电路通过220v电源供电，经5个变压单元与整流单元后将市电转换为直流电，经电阻r1与电容c1进行滤波后进入稳压单元，稳压单元通过调控其外部可变电阻实现调控输出电压幅值，其中，为了减少可变电阻上的纹波电压，在其上并联一个电容c3，并且可在输出开路时，电容c3向稳压器调整端放电，并使调整端发射结反偏，通过在电
阻r3上并联二极管d3，提供一个放电回路从而保护稳压器；电容c2用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激荡；电容c4用于消除输出电压中的高频噪声，以便同时输出较大的脉冲电流；在输入端断开时，电容c4将从稳压器(稳压元件u1)输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏，因此通过跨接二极管d1保护稳压器。由dc-dc转换电路提供12v直流供电电源为由ne555定时器(脉冲元件u3、u5)、微分电路(调控电路)等构成的可调脉冲信号电路供电。其中脉冲元件u3与外部元件r5、r6、c10、c11通过向电容c10充放电，使电路产生自激荡输出矩形波，并外接电容c11进行滤波，防止信号干扰。随后微分电路将矩形波脉冲信号转换为尖脉冲信号并由u5及r15、c16对微分电路后的脉冲信号进行整形。由两个三极管q1、q2作对管使用，实现低压可调脉冲信号对高压信号的开关调控，最终实现压电陶瓷环的驱动。
[0036]
本发明通过电压(6v～333v)幅值可调、脉冲信号可调的驱动方式以及利用低压脉冲信号间接改变高压信号，进一步通过门控电路改变压电陶瓷环的工作状态。
[0037]
仿真实验：
[0038]
在multisim 13软件中进行电路仿真模拟实验，图4是本发明堆叠式可调直流电源电路的仿真测试波形图，为了测试压电陶瓷驱动电路的最大输出电压；图5是本发明可调脉冲信号电路的仿真测试波形图，为了验证可调脉冲信号电路对输出高压可调信号的可行性。
[0039]
由图4可以看出，堆叠式可调直流电源电路可产生330v的高压，说明堆叠式可调直流电源电路能够有效将市电转换为直流电，并进行升压以满足压电陶瓷环驱动电压，且可以通过调节堆叠式可调直流电源电路中的可变电阻值来达到输出电压幅值可调的要求；由图5可以看出，可调脉冲信号电路在，1s可产生6个脉冲宽度为10μs的脉冲信号，而且可调脉冲信号电路能够通过改变低压脉冲信号的脉宽、频率，进而改变高压输出电压的输出信号特征，实现低压信号调控高压信号的输出功能。