壓電效應是指某些固體材料在機械應力下被壓縮,透過累積電荷而產生電壓電位。法國物理學家Jacques Curie和Pierre Curie兄弟在1880年發現了這種效應,逆壓電效應是當電壓施加到某些陶瓷材料上時,引起膨脹或收縮,如圖1所示。在其後的近100年時間裡,在尋找優質壓電材料(即PZT)方面取得了很大的進步,也發明了許多實用的壓電元件。

20190415TA01P1 圖1 當施加的電壓從正極擺動到負極時,壓電元件隨之膨脹/收縮。

如今大多數壓電(有時稱為PZT)元件採用逆壓電效應,這類元件包括:壓電致動器、馬達、揚聲器/蜂鳴器,以及用於清潔、成像和懸浮的大功率超聲換能器等。有一些PZT元件可在直流電壓下工作,有些則由AC波形驅動,如正弦波和方波等,以下將討論壓電元件的基本原理及其驅動技術。

壓電元件通常需要高電壓才能工作,其所需電壓範圍在10V~200V之間。對於AC元件,所需頻率高達1MHz。另外,壓電元件通常是容性的(諧振除外),大電容、高頻和高電壓的要求使得驅動這類元件變得相當困難。

壓電元件製造商通常會提供元件在特定頻率下的電容。對於第一階近似,大多數非諧振壓電元件可近似為電容,如圖2所示。阻抗用公式1表示,驅動PZT元件所需的電流由歐姆定律計算,如公式2所示。根據公式2,電流(I)與電壓(V)、電容(C)和頻率(f)成正比。

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20190415TA01P2 圖2 壓電元件近似於電容。

舉例說明,對於電容為1.1μF的高頻壓電驅動器,所需的峰值電壓為30V,驅動頻率為15kHz,驅動器所需的峰值電流約為2.5A(峰峰值為5.0A)。壓電驅動器必須能夠同時輸出大電流、高電壓和高頻率。更高的頻率需要更大的電流。

大電流壓電放大器

如前所述,壓電換能器的工作電壓範圍可能是10V~200V或更高。此外,具有大電容、高電壓或高頻率任何組合的AC壓電元件需要大電流驅動器。實驗室中常見的訊號和函數產生器可以在50Ω負載下輸出低於5V的電壓,當PZT換能器阻抗低於50Ω時,它們的輸出電壓甚至更低。壓電元件通常需要20V或更高的電壓,因此,驅動這種換能器需要一個高輸出電壓和高輸出電流的壓電放大驅動器。

例如,致動器/馬達指定40V峰值電壓,但實驗室訊號產生器只能輸出5V電壓或更低。為了得到40V的方波,就要使用壓電放大驅動器來提升產生器訊號並輸出高電壓和大電流來驅動壓電致動器,圖3顯示了壓電換能驅動器的一個示例。請注意,驅動器會放大電壓、電流和功率的組合。

20190415TA01P3 圖3 壓電放大器向換能器輸出高電壓和大電流。

壓電放大器的電壓要求

在選擇驅動器之前先瞭解壓電元件的電壓要求非常重要。一些壓電換能器僅需要峰峰值電壓幅度,而其他的則指定從零到峰值電壓,例如,超聲換能器僅需要峰峰幅度來產生超聲電平,它可以接受從負到正的電壓擺動,比如正弦波電壓擺幅為-30V~+30V,即60Vpp。另一方面,致動器需要零到峰值電壓才能正常工作,比如0V~+40V方波。總之,瞭解PZT元件的電壓規格並選擇可滿足電壓範圍要求的驅動器至關重要。

瞭解容性壓電功率

如前所述,兩種常見的壓電元件在諧振頻率下分別表現出容性和阻性。這兩種類型的元件對功率要求是不同的,先來看看容性元件。

許多高頻壓電換能器/元件本質上是容性的,其阻抗可透過前面的公式1得到。回想一下基本的電氣工程原理,電容的阻抗等於其反應成分(reactant),這意味著該元件的阻抗是虛數(用j表示),而沒有真正的電阻。無功元件本身不會吸收或耗散功率,因此加給元件的功率被認為是無功功率,無功功率仍需要在某處耗散,它是在PZT放大驅動器內部耗散,而不是在元件上耗散,結果,加熱是在壓電驅動器上,而不是PZT元件本身。無功功率可用公式3表示,其中阻抗(Z)來自公式1,電流(I)來自公式2。使用RMS電壓值來計算RMS電流和功率,當選擇驅動器時,請確保驅動器可以處理無功功率。

PRMS = I2RMSZ (3)

增加實際阻抗

如前所述,容性壓電元件不會耗散功率。放大器內部消耗的所有無功功率都會限制其輸出電流和電壓。壓電元件在電壓下工作,而非必需的電流或功率,儘管需要大電流來維持電壓,特別是在高頻下。如果放大器受到散熱的限制,可以使用簡單的電阻匹配技術來更好地最佳化放大器功耗,從而提高輸出電壓和電流。利用增加一個串聯電阻,阻抗現在就有一個真實元件,並在壓電放大器外部耗散功率,如圖4所示,一些熱量會在電阻上消散。

20190415TA01P4 圖4 串聯電阻透過降低無功功率來增加放大器輸出電壓。

推薦的電阻範圍是從0.25Z(壓電阻抗的一半)到Z,壓電阻抗Z可透過前面的公式1計算。例如,對於在20kHz頻率下阻抗為8jΩ的PZT來說,利用公式1計算出串聯電阻可能是2~8Ω。

只有當壓電驅動器由於無功功率和內部發熱過大而無法輸出最大電壓時,串聯電阻阻抗匹配技術才有用,而且這種技巧僅適用於正弦波形。另外,一些放大器的穩定可能是有條件的,串聯電阻將改善放大器的穩定性。

圖5顯示了串聯電阻如何在不顯著降低電壓的情況下緩解壓電放大器的散熱。對於容性元件,電壓和電流相移約90度。當電流最大時,電壓接近零,因此,串聯電阻不會影響電壓;當電壓最大時,電流最小,此時,由電阻引起的IR下降很小,因此峰值電壓的降低最小,匹配電阻吸收的功率很大,可以降低驅動器的散熱。公式4可以計算串聯電阻的功耗,電阻會很熱,所以要確保選擇額定功率高的電阻,還要選擇低電感電阻,特別是對高頻PZT元件,總負載阻抗(壓電加電阻)可透過公式5計算。

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20190415TA01P5 圖5 壓電換能器上的電壓和電流偏移大約90度。

高壓壓電驅動器實例

圖6的示例是將雙極放大器轉換為壓電元件的單極高壓,並在高頻下同時驅動大電流和高功率。PZT元件的電容為1μF,它需要80V的峰值電壓(0~80V正弦波)。所期望的正弦電壓頻率為11kHz,這種壓電放大器的輸出電壓為-40V~+40V,由於放大器驅動器電壓沒有達到所要求的80V,所以使用直流偏置電源,如圖6所示。

20190415TA01P6 圖6 直流偏置電源與壓電放大器結合產生高輸出電壓。

壓電放大器與4Ω功率電阻和一個隔離40V直流電源串聯,需要外部旁路電容來最大限度地減少通過電源的交流電流。旁路電容應足夠大,以便其阻抗與PZT阻抗相比足夠小。在此示例中,使用公式1計算的壓電致動器阻抗在11kHz時為14.47Ω。旁路電容的阻抗應盡可能低,建議小於0.5Ω(>29uF)。

利用公式5計算出的總負載阻抗約為15.0Ω,峰值電流約為±2.67A(5.34App)。無論電流為正還是負,壓電元件兩端的電壓始終為正,介於0V到約77V之間,這是用峰峰值電流乘以14.47Ω阻抗計算得出,透過公式4,可以計算出串聯電阻消耗的功率約為14.3W。

本文詳細討論了使用高壓放大器驅動高容性壓電元件。高電壓、高頻和大電容的組合需要一個大電流壓電放大器,這些元件需要無功功率,這進一步增加了放大器的負擔。一個應用示例使用了一個DC電源來提升電壓,以及一個串聯電阻來簡化壓電放大器的散熱處理。

(參考原文: High-frequency piezo amplifier driver,by KC Yang)