АВТОГЕНЕРАТОРНАЯ СХЕМА ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСФОРМАТОРА
SELF-EXCITED OSCILLATOR CIRCUIT FOR EXCITING PIEZOELECTRIC TRANSFORMER

Изобретение относится к области электронной техники, где используются пьезоэлектрические трансформаторы (ПТ), в частности, к высоковольтным источникам питания на основе пьезокерамических трансформаторов. Для эффективной работы ПТ требуется возбуждение механических колебаний одной из его собственных колебательных мод, частоты которых зависят от множества факторов, включающих конструкцию ПТ, величину и характер нагрузки, температурный и временной дрейф параметров ПТ. Такая чувствительность резонансной частоты ПТ к различным факторам вместе с высокой добротностью механического резонанса, достигающей для пьезокерамических трансформаторов нескольких сотен, делают запуск, поиск и удержание оптимального резонансного режима ПТ сложной технической задачей и препятствует широкому использованию ПТ и устройств на их основе.
Известны схемы возбуждения ПТ с узкополосной (то есть медленной по сравнению с рабочей частотой ПТ) обратной связью, где для возбуждения входа ПТ на резонансной частоте служит генератор, управляемый напряжением (ГУН). В цепи обратной связи с выхода нагруженного ПТ на вход ГУН имеется выпрямитель и фильтр, так что частота ГУН находится под контролем уровня тока в нагрузке ПТ или уровня выходного напряжения ПТ. Управление частотой ГУН построено так, чтобы поддерживать заданный ток в нагрузке или заданное напряжение на выходе ПТ (см. патент США 5859489, 12/01/1999 или РФ 2066064 С1, 28/08/1996 или АС СССР 800974, 30/01/1981). Недостатком таких схем возбуждения ПТ является высокая сложность: имеются даже специализированные аналоговые микросхемы (см. справочный листок на микросхему UCC2975 http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ucc3977.pdf) для реализации определенного алгоритма управления работой ПТ, учитывающего множество факторов, включая, например, немонотонный характер резонансной кривой. Такую схему возбуждения можно использовать только с конкретным ПТ, нагрузкой и в условиях, для которых она была спроектирована и настроена. Другим принципиальным недостатком является низкая скорость реакции на изменение нагрузки или условий работы ПТ.
В другой известной схеме возбуждения ПТ без обратной связи использован генератор с периодическим качанием частоты в интервале, включающем резонансную частоту ПТ и все ее ожидаемые вариации (см. патент РФ 2233507 С2, 27/07/2004 или А.Медведев, А.Кисляков «Высоковольтный источник питания на пьезокерамическом трансформаторе». Схемотехника, 2002, № 7, с.13, http://www.ddrservice.info/download/Journals/Sxemotexnika/2002/st2002_07.djvu.html). В такой схеме ПТ периодически проходит через резонанс, что приемлемо, например, для высоковольтных источников питания простых электронно-оптических преобразователей. Недостатком таких схем является узкая область применения, необходимость настройки интервала качания частоты под определенные ПТ и нагрузку, периодическое качание амплитуды напряжения и тока в нагрузке и низкая эффективность.
Еще одна известная схема возбуждения ПТ (см. патент РФ 2077473 С1, 20/04/1997) включает самостоятельный автогенератор с частотой, близкой к ожидаемой резонансной частоте ПТ, и имеющий дополнительный вход для подстройки частоты, через который выходной сигнал ПТ навязывает свою резонансную частоту этому автогенератору, то есть принудительно синхронизирует автогенератор в такт с резонансными колебаниями ПТ. Недостатками схемы является необходимость настройки частоты самостоятельного автогенератора на частоту, близкую к ожидаемой резонансной частоте конкретного ПТ (около 10%) и узкий диапазон частот работы, для которых схема спроектирована и настроена.
Наиболее близким к заявляемому решению является автогенераторная схема для возбуждения ПТ на основе петли обратной связи, включающей широкополосный по сравнению с частотой резонанса ПТ усилитель, ПТ с нагрузкой и цепь обратной связи с выхода ПТ на вход усилителя (см. схему в статье A.M.Flynn, S.R.Sanders «Fundamental Limits on Energy Transfer and Circuit Considerations for Piezoelectric Transformers», IEEE Transactions on Power Electronics, vol.17, №1 January 2002, pp.8-14). ПТ здесь служит узкополосным фильтром, и схема автоматически возбуждается на его резонансной частоте при выполнении известных условий баланса фаз и амплитуд, то есть при условии, что на резонансной частоте нагруженного ПТ модуль петлевого коэффициента усиления превышает 1, а сдвиг фазы в петле равен 0 или кратен 360 градусов. Условие баланса амплитуд для самовозбуждения легко выполняется, если усилитель имеет достаточно большой коэффициент усиления. Однако фаза выходного напряжения ПТ на частоте механического резонанса имеет значительный сдвиг относительно фазы входного напряжения ПТ. Чтобы выполнить условие баланса фаз в петле между выходом ПТ и входом усилителя приходится ставить фазовращатель, который доводит петлевой сдвиг фазы на резонансной частоте ПТ до величины, кратной 360 градусов, или до 0. Такие схемы требуют тщательной настройки фазовращателя и работают только в узком диапазоне частот и импедансов нагрузки с конкретными ПТ, для которых они спроектированы и настроены.
Целью изобретения является снижение чувствительности схемы возбуждения ПТ на резонансной частоте к величине и характеру нагрузки, параметрам ПТ и условиям его работы. Другой целью является упрощение и удешевление самих схем возбуждения ПТ, их отладки, настройки и использования.
Для достижения этих целей в схеме возбуждения ПТ на основе петли обратной связи, включающей широкополосный усилитель, ПТ с нагрузкой и цепь обратной связи с выхода ПТ на вход усилителя, упомянутая цепь обратной связи с выхода ПТ на вход усилителя представляет собой конденсатор, который одним выводом подключен к выходу ПТ, а вторым выводом соединен со входом широкополосного усилителя, причем эффективный импеданс входа широкополосного усилителя или согласующей схемы на его входе много меньше импеданса конденсатора, и имеет активный характер, так что фаза входного сигнала широкополосного усилителя совпадает с фазой тока через конденсатор. В такой схеме условие баланса фаз для самовозбуждения на резонансной частоте ПТ автоматически выполняется для широкого диапазона изменения параметров ПТ, его нагрузки и условий работы.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на Фиг.1 - известная схема, наиболее близкая к заявляемой,
на Фиг.2, 3 - варианты заявляемой схемы,
на Фиг.4 - эквивалентная электрическая схема ПТ,
на Фиг.5 - подробная схема одного из вариантов заявляемой схемы.
На Фиг.1 обобщенно показана наиболее близкая к заявляемой автогенераторная схема возбуждения ПТ, описанная в статье A.M.Flynn, S.R.Sanders «Fundamental Limits on Energy Transfer and Circuit Considerations for Piezoelectric Transformers», IEEE Transactions on Power Electronics, vol.17, №1, January 2002, pp.8-14. Схема представляет собой петлю положительной обратной связи, включающую широкополосный усилитель (11), ПТ (2) с нагрузкой (3) и цепь обратной связи с выхода ПТ (2) на вход усилителя (11), состоящую из фазовращателя (10). Петлевой коэффициент усиления и фазовращатель (10) настроены так, чтобы выполнить условия баланса амплитуд и баланса фаз для самовозбуждения петли на резонансной частоте ПТ. Так как фазовращатель - частотно зависимая схема, то баланс фаз выполняется для узкого диапазона частоты и конкретных ПТ и нагрузкой, для которых схема спроектирована. При значительном изменении резонансной частоты схему необходимо перенастраивать или даже перепроектировать.
На Фиг.2 показан вариант предлагаемой схемы возбуждения ПТ. В ее основе - петля обратной связи, включающая широкополосный усилитель (11), ПТ (2) с нагрузкой (3) и цепь обратной связи с выхода ПТ (2) на вход усилителя (11), которая состоит из конденсатора обратной связи (12) и согласующей схемы (13) на входе усилителя (11). Причем эффективный входной импеданс согласующей схемы (13) много меньше импеданса конденсатора (12) и имеет активный характер, что обеспечивает совпадение фазы входного сигнала усилителя с фазой тока в конденсаторе (12). В такой схеме на резонансной частоте ПТ петлевой сдвиг фазы близок к 0 или 180 градусам в зависимости от полярности включения входа ПТ, номера (четности) возбуждаемой колебательной моды ПТ и знака усиления усилителя (11), и почти не меняется в широких пределах изменения конструкции и резонансной частоты ПТ, его нагрузки и условий работы. Это утверждение разъясняется ниже.
На Фиг.3 показан вариант предлагаемой схемы с дифференциальным усилителем. В отличие от схемы на Фиг.2 при том же питании он позволяет получить вдвое большее напряжение на входе ПТ.
На Фиг.4 вверху представлен символ ПТ с двумя входными выводами POS и NEG и одним выходом OUT, а ниже - его типичная эквивалентная электрическая схема. Эквивалентная схема ПТ имеет шесть элементов: входную емкость CI, индуктивность LM, сопротивление потерь RM, емкость СМ, идеальный трансформатор Т с коэффициентом преобразования 1:N и выходную емкость СО. Элементы LM, RM и СМ образуют последовательную резонансную цепь, отражающую механические характеристики ПТ вблизи одной из его резонансных частот. Последовательно с этой цепью включен приведенный через трансформатор Т импеданс выходной емкости СО и нагрузки ПТ, поэтому частота резонанса ПТ зависит от нагрузки.
Для многослойных пьезокерамических трансформаторов ТП-РМ350502 и ТП-РМ400602 белорусского завода «Монолит» (Витебск), например, типичны такие параметры: частота первого резонанса - от 40 до 50 кГц, выходная емкость ПТ СО - от 5 до 10 пФ. Импеданс выходной емкости СО на первой резонансной частоте находится в пределах от 300 до 800 кОм. Паразитная внешняя емкость и внешняя емкость нагрузки ПТ, а также переход на вторую колебательную моду ПТ с удвоенной частотой снижают этот емкостный импеданс еще больше. Это значит, что при полезной нагрузке ПТ с импедансом более 5 МОм она шунтируется выходной емкостью ПТ и потому, в первом приближении, именно эта емкость определяет полный импеданс и фазу напряжения на выходе ПТ. Возвращаясь к эквивалентной схеме ПТ на Фиг.4, заметим, что последовательный резонанс и максимальное выходное напряжение ПТ имеют место на частоте, когда последовательная цепочка из индуктивности LM, сопротивления потерь RM и эффективной емкости, состоящей из СМ и приведенной (через квадрат коэффициента трансформации N) выходной емкости ПТ, включающей СО и внешнюю емкость, имеет чисто активный импеданс. При этом ток в ней совпадает по фазе с входным напряжением ПТ. Но фаза тока в реальной выходной емкости ПТ также совпадает с фазой тока в этой цепочке. Таким образом, при резонансе фаза тока в выходной емкости ПТ, а также и во внешней емкости, подключенной параллельно СО, совпадает с фазой входного напряжения ПТ. В общем случае эти фазы совпадают с точностью до 180 градусов: сдвиг фазы 180 градусов может возникать при смене полярности входа ПТ или смене номера (четности) резонансной моды ПТ.
На Фиг.2 и 3 вывод конденсатора (12), идущий к усилителю (11) из-за низкого входного импеданса согласующей схемы (13) виртуально заземлен, то есть фактически конденсатор (12) подключен параллельно выходной емкости ПТ и на резонансной частоте ток в конденсаторе (12) совпадает по фазе с входным напряжением ПТ. Так как эффективный входной импеданс согласующей схемы (13) имеет активный характер, то она также не сдвигает фазу сигнала на входе усилителя (11), а усилитель (11) не вносит сдвиг фазы, поскольку он широкополосный, что легко выполнить для типичных резонансных частот ПТ, которые не превышают сотен килогерц. Итак, в схемах на Фиг.2 и 3 на резонансной частоте ПТ петлевой сдвиг фазы в первом приближении равен 0 или 180 градусам в зависимости от номера (четности) колебательной моды ПТ, полярности подключения входа ПТ и знака усиления широкополосного усилителя (11). Для желаемой колебательной моды легко поменять петлевой сдвиг со 180 на 0 градусов сменой полярности подключения входа ПТ. Это позволяет контролировать четность возбуждаемых в ПТ колебательных мод: в автогенераторе возбуждаются только колебательные моды, для которых петлевой сдвиг фазы равен 0 и гасятся колебательные моды, для которых сдвиг фазы составляет 180 градусов.
На Фиг.5 представлен подробный рабочий вариант предлагаемой схемы возбуждения ПТ, обобщенно показанной на Фиг.3. Широкополосный усилитель с очень большим коэффициентом усиления составлен из 4 цифровых инверторов IC1A, IC1B, 1C1F, IC1E, каждый из которых сам состоит из трех последовательно соединенных КМОП инверторов (микросхема 74HC04D - шесть цифровых инверторов). Выходной дифференциальный каскад усилителя, составленный из двух мощных КМОП инверторов на транзисторах М1, М3, и М2 и М4 (две микросхемы IRF7317), подключается на вход пьезоэлектрического трансформатора РТ1 (ТП-РМ350502 Витебского завода «Монолит»). Высоковольтный выход ПТ (OUT) должен подключаться к нагрузке, которая на схеме не показана. Для задания рабочей точки с большим усилением первый инвертор IC1A усилителя охвачен низкочастотной отрицательной обратной связью (резисторы R1 и R2 по 500 кОм и конденсатор С1 100 нФ). В стационарном режиме усилитель работает с насыщением, то есть все инверторы, включая выходные, переключаются полностью от земли до питания за короткое время (сотни наносекунд), что снижает сквозные токи через инверторы и ток потребления усилителя.
Пара антипараллельно соединенных диодов D1, D2 (микросхема BAV99) между узлом SENS и землей согласно обозначениям в обобщенной схеме на Фиг.3 играет роль согласующей схемы (13), обеспечивая низкий эффективный импеданс с активным характером на входе усилителя (11). Эти диоды виртуально заземляют вывод конденсатора обратной связи CFB, так как прямое падение на диодах не превышает 1В, что намного меньше выходного напряжения ПТ, достигающего нескольких кВ, которое почти целиком приходится на конденсатор CFB. Поэтому ток в конденсаторе CFB такой же, как если бы он был подключен параллельно выходной емкости ПТ СО на Фиг.4. Эффективный импеданс пары диодов D1, D2 имеет активный характер, так как фаза (смена знака) напряжения на диодах в узле SENS совпадает с фазой (сменой знака) тока в конденсаторе CFB. В результате ток в конденсаторе обратной связи CFB преобразуется на диодах D1, D2 в напряжение с той же фазой, которое через разделительный конденсатор С2 100 нф подается на вход усилителя. Диоды D1, D2 также защищают вход усилителя от перенапряжения.
В схеме на Фиг.5 для обратной связи на практике не требуется специальный конденсатор CFB, достаточно иметь конструктивную (паразитную) емкость между выходом ПТ и узлом SENS от 50 фФ до 1 пФ, что очень удобно, так как напряжение на выходе ПТ достигает нескольких кВ, и специальный высоковольтный конденсатор с маленькой емкостью сделал бы схему более дорогой и громоздкой.
Выходы двух свободных инверторов IC1C и IC1D из шести в микросхеме 74HC04D удобно использовать как контрольные точки (LSP1 и LSP2) при тестировании схемы.
При питании от 3 Ni-MH элементов с напряжением 3.6-3.9 В (V1 на Фиг.5) пиковое напряжение на выходе ТП-РМ350502 с нагрузкой 100 МОм достигает 8-10 кВ.
Данная схема стабильно включается и устойчиво работает с ПТ разных конструкций и размеров без какой-либо наладки или перенастройки, что невозможно представить для всех известных ранее схем. Она была успешно опробована с ПТ конструкции Розена, имеющими однослойную, 9-ти и 13-тислойную входную секцию с длиной пьезопластины от 20 мм до 40 мм и частотой первого резонанса от 40 до 90 кГц. Более того, при переключении полярности на входе ПТ те же образцы устойчиво работали на второй колебательной моде с частотой резонанса примерно в 2 раза выше, чем в случае прямого включения входа ПТ, от 80 до 180 кГц для разных ПТ.
На практике схема, изображенная на Фиг.5, устойчиво работает на частоте первого резонанса с такими различными нагрузками как 18 ГОм, 100 МОм, 5 МОм, емкость 150 пФ, удвоитель напряжения с искровым разрядником (разрядный промежуток 12 мм) и частотой следования разрядов около 50 Гц, тлеющий разряд длиной 20 см в колбе трубчатой люминесцентной газоразрядной лампы диаметром 15 мм, высокочастотный дуговой разряд в воздухе на заземленную иглу с длиной разряда 5 мм, барьерный диэлектрический разряд через изоляцию провода МГТФ на кожу руки, коронный разряд. При активной нагрузке менее 5 МОм с первой модой начинает заметно конкурировать третья колебательная мода ПТ, но при смене полярности входа ПТ, схема устойчиво возбуждается и работает на частоте второго резонанса даже с нагрузкой 100 кОм.
Описанная реализация, конечно, не единственно возможная. Например, схему на Фиг.5, которая уже и так проста, можно упростить еще больше, превратив в однофазную, подобную схеме на Фиг.2, если убрать один из выходных инверторов (М2, М4), а также цифровые инверторы IC1F, IC1E, IC1D, и соединить освободившийся вход ПТ с землей.
Согласующая схема (13) в виде пары антипараллельных диодов, подключенных между входом усилителя (11) и землей - не единственно возможное решение. Вместо согласующей схемы (13) можно использовать широкополосный усилитель (11) с низкоомным в сравнении с конденсатором (12) токовым входом, который защищен от перенапряжения обычной парой диодов электростатической защиты, один из которых включен между цепью питания и входом, а второй - между входом и землей.
Таким образом, в сравнении со всеми известными ранее схемами возбуждения ПТ, предлагаемая схема за счет автоматического выполнения условия самовозбуждения вблизи резонансной частоты ПТ, позволяет без перепроектирования и перенастройки устойчиво возбуждать ПТ с разными конструкциями в очень широком диапазоне резонансных частот, нагрузок и условий. Новая схема также существенно проще по составу, в проектировании, наладке и использовании, а, значит, и дешевле известных аналогов. Дополнительным достоинством схемы также является простата контроля четности возбуждаемых в ПТ колебательных мод, который реализуется сменой полярности подключения входа ПТ или знака усиления в широкополосном усилителе.