電壓驅(qū)動型開關(guān)式壓電陶瓷驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)

王盼　張威

摘 要

針對壓電式微滴按需噴射系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于電壓驅(qū)動型開關(guān)式結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷驅(qū)動電源。該電源制造方法簡單、效率高、成本低，其利用脈沖信號對可調(diào)直流電路輸出脈沖信號進(jìn)行門電路開關(guān)控制，通過變壓器對其進(jìn)行升壓調(diào)節(jié)，以激勵(lì)壓電陶瓷產(chǎn)生形變，達(dá)到擠壓液體產(chǎn)生微滴的目的。結(jié)果表明：驅(qū)動電源高壓激勵(lì)信號電壓幅值為50-350V、脈沖寬度為10.0-50.0μs、頻率為1-48Hz，滿足壓電式微滴噴頭驅(qū)動要求。

關(guān)鍵詞

微滴噴射;壓電陶瓷;驅(qū)動電源;門控電路

中圖分類號： TN784 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.029

0 引言

微滴噴射技術(shù)是在噴墨打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，具有成本低、效率高以及非接觸的優(yōu)點(diǎn)[1]，在生物醫(yī)藥、3D打印、微電子制造等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[2-5]。微滴噴射裝置的驅(qū)動方式一般分為熱泡式、氣動式、電磁式、壓電式等[6]，壓電式驅(qū)動方式因其高頻響應(yīng)，容易控制的優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[7]。壓電陶瓷（PZT）是壓電式微滴噴射裝置的主要功能部件，壓電式微滴噴射的噴射原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在脈沖信號的激勵(lì)下使壓電陶瓷產(chǎn)生形變，對液體產(chǎn)生力的作用，實(shí)現(xiàn)微滴的噴射[8]。而驅(qū)動電源是壓電式微滴噴射系統(tǒng)均勻、穩(wěn)定、高效地產(chǎn)生微滴的保證，因此也作為壓電式微滴按需噴射系統(tǒng)的核心部分之一。壓電陶瓷的驅(qū)動電源主要分為電荷驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類，電荷驅(qū)動型電源采用電流源代替電壓源，需要設(shè)計(jì)專門的電荷放大器，存在低頻特性差，零點(diǎn)漂移等缺點(diǎn)[9]。電壓驅(qū)動型主要有開關(guān)式驅(qū)動電源以及直流放大式驅(qū)動電源[8]。而開關(guān)式驅(qū)動電源相比直流放大式驅(qū)動電源具有效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，本文采用電壓驅(qū)動型開關(guān)式結(jié)構(gòu)，通過脈沖信號實(shí)現(xiàn)對可調(diào)直流電路的門電路控制，由脈沖變壓器對門控電路輸出的脈沖信號進(jìn)行升壓，最終輸出高壓激勵(lì)脈沖驅(qū)動壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)微滴的按需噴射。

1 壓電陶瓷驅(qū)動電源原理

基于電壓驅(qū)動型開關(guān)式結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷驅(qū)動電源，利用脈沖信號對門電路的開關(guān)進(jìn)行控制，門電路將可調(diào)直流電源與脈沖信號聯(lián)系在一起，達(dá)到可調(diào)直流電路輸出脈沖信號的目的，從而輸出幅值、脈沖寬度、頻率均可調(diào)的低壓驅(qū)動信號，再通過變壓器對脈沖信號進(jìn)行升壓調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對壓電陶瓷的高壓脈沖激勵(lì)，其原理如圖1所示。

2 壓電陶瓷驅(qū)動電源總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓電式微滴噴射裝置驅(qū)動電源系統(tǒng)通過36V/3A的開關(guān)電源供電，由兩個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換電路提供兩種電壓幅值的供電電源，其中12V直流電源為NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及微分電路供電，NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器用于產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖信號，微分電路輸入脈沖信號的低電平進(jìn)行調(diào)節(jié)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的目的是實(shí)現(xiàn)對脈沖信號寬度的調(diào)節(jié)。1.25～34V可調(diào)直流電源通過門控電路給變壓器提供低壓脈沖激勵(lì)。通過脈沖信號控制門電路的開/關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對1.25～34V直流電源的控制，從而輸出低壓激勵(lì)信號。利用變壓器對低壓激勵(lì)信號進(jìn)行升壓，輸出高壓激勵(lì)信號后驅(qū)動壓電陶瓷振動。如圖2所示為壓電陶瓷驅(qū)動電源的電路結(jié)構(gòu)圖。

2.1 系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)

12V直流電源和1.2～34V可調(diào)直流電源用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電，電路如圖3所示，由三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317及外圍電路構(gòu)成。LM317輸出電壓范圍為1.25～40V時(shí)能夠提供1.5A的電流，該穩(wěn)壓器易于使用，通過兩個(gè)外部電阻實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的控制，其使用參數(shù)如表1所示。

得到Rmax值約為357Ω，實(shí)際電路中取值略小于357Ω。本文取值R2和R4電阻值均為330Ω，LM317穩(wěn)壓器的輸出電壓為

U1輸出12V直流電壓，給多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及微分電路供電，通過式（3）計(jì)算取R1為3kΩ，U2需要輸出1.2～34V可調(diào)直流電壓，因此R4為可調(diào)電位器，由式（3）得其最大阻值為8.7kΩ。

R1/R3上的紋波電壓通過并聯(lián)一個(gè)10μF電容C2/C5的方法得到減少，但在輸出開路時(shí)，C2/C5會向穩(wěn)壓器調(diào)整端放電，并使調(diào)整端發(fā)射結(jié)反偏，為了保護(hù)穩(wěn)壓器，本文通過在R2/R4上并聯(lián)二極管D2/D4，達(dá)到提供一個(gè)放電回路保護(hù)穩(wěn)壓器的目的。為防止電路產(chǎn)生自激振蕩，在輸入線較長時(shí)，需要添加電容C1/C4抵消電感效應(yīng)，一般取值為0.1μF。同時(shí)利用10μF電容C3/C6用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，輸出較大的脈沖電流。通過在穩(wěn)壓器輸出端和輸入端跨接D1/D3，防止輸入端斷開時(shí)穩(wěn)壓器損壞。

2.2 多諧振蕩器電路設(shè)計(jì)

多諧振蕩器用于產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖信號，其電路如圖4所示，由NE555定時(shí)器和外接元件R5和R6、R7、C8構(gòu)成多諧振蕩器，+12V電源通過R5和R6、R7向C8充電，并由C8通過R7向7引腳放電，使電路產(chǎn)生自激振蕩輸出矩形波，5引腳外接0.01μF電容器C7，實(shí)現(xiàn)濾波和防止干擾信號竄入的作用。NE555芯片各個(gè)引腳功能不在此進(jìn)行贅述。

本文取R5為10kΩ、R6為可調(diào)電位器，其最大阻值為1MΩ、R7為10kΩ、C8為1μF，多諧振蕩器的振蕩頻率為

在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)可調(diào)電位器R6則可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電源輸出1-50Hz的脈沖信號。

2.3 微分電路設(shè)計(jì)

微分電路用于將矩形脈沖信號轉(zhuǎn)換為尖脈沖信號，其電路如圖5所示，由C11、R10和R11、+12V電源構(gòu)成正脈沖微分電路，R9和D5用于抑制高電平處的尖脈沖。（R10+R11）C10值決定脈沖陡緩，其值越小，輸出的脈沖波形越陡。取R9為10kΩ、C11為0.1μF、選取R10為200Ω、R11為1kΩ。

2.4 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路設(shè)計(jì)

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)對微分電路后的脈沖信號進(jìn)行整形，其電路如圖6所示，由NE555定時(shí)器和外接元件R8和C10構(gòu)成，2引腳為信號輸入端，3引腳為信號輸出端，6、7引腳相連后與R8和C10相連，5引腳外接0.01μF電容器C9，實(shí)現(xiàn)濾波和防止干擾信號竄入的作用。本文取R8為10kΩ、C10為470pF。

2.5 門控電路設(shè)計(jì)

在驅(qū)動電源中，門控電路通過脈沖信號實(shí)現(xiàn)對1.25～34V可調(diào)直流電源的開/關(guān)，其電路如圖7所示，主要有兩個(gè)三極管Q1和Q2構(gòu)成，Q1和Q2作對管使用，正常工作時(shí)，Q1和Q2工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，實(shí)現(xiàn)開/關(guān)作用。本文選擇Q1為PNP型8550三極管、Q2為NPN型8050三極管、R12為3kΩ、R13為10kΩ、R14為2kΩ、R15為2kΩ、R16為200Ω，作用是減弱變壓器工作瞬間產(chǎn)生的浪涌電流、D6為蓄流二極管、T為變壓器，其次級和初級的線圈匝數(shù)比為10：1。

3 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)驅(qū)動電路的性能，在硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，使用RIGOL公司DS2101數(shù)字示波器對電路板進(jìn)行測試。通過改變R3、R11、R6的電阻值實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號電壓幅值、脈沖寬度、脈沖頻率的調(diào)節(jié)，其與電阻的對應(yīng)關(guān)系如圖8（a）、（b）、（c）所示，圖8（d）為利用示波器采集的高壓激勵(lì)脈沖信號。

由圖8（a）可以看出，電壓幅值與R3電阻阻值呈近線性關(guān)系，將曲線擬合得其關(guān)系式為，圖8（b）中脈沖寬度與R11電阻阻值呈近線性關(guān)系，擬合得其關(guān)系式為，圖8（c）中頻率隨著R6電阻阻值的增大而降低。圖8（d）中為示波器采集的高壓激勵(lì)信號電壓幅值為348V、脈沖寬度為30.0μs、頻率為30Hz，滿足壓電式微滴噴頭驅(qū)動要求。

4 結(jié)論

根據(jù)壓電式微滴按需噴射裝置的實(shí)驗(yàn)要求，課題組采用電壓驅(qū)動型開關(guān)式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了壓電陶瓷的驅(qū)動電源，脈沖信號通過門控電路實(shí)現(xiàn)對可調(diào)直流電源的開/關(guān)控制，從而輸出低壓激勵(lì)信號，通過變壓器升壓后，輸出高壓激勵(lì)信號使壓電陶瓷振動，達(dá)到微滴按需噴射的目的。通過實(shí)驗(yàn)證明該電源驅(qū)動系統(tǒng)高壓激勵(lì)信號電壓幅值為348V、脈沖寬度為30.0μs、頻率為30Hz，同時(shí)具有效率高、發(fā)熱小的優(yōu)點(diǎn)，在低頻工作時(shí)能滿足微滴的按需可控噴射，滿足壓電式微滴噴頭驅(qū)動要求。

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