图1描绘了开关电路,其以高电压驱动压电泵,其极性以所需的机械泵频率交替。该电路提供了相对于传统的直接驱动电路和(2)相对于传统的谐振驱动电路的紧凑性的高能量效率的优点。

传统的直接驱动电路是低效的,因为在泵的行为压电致动器电作为大型电容器和仅消耗每个泵循环期间提供给它们的能量的一小部分。传统的谐振驱动电路更有效,但它们必须包括电感线圈,这可能是不可接受的。

图片目前的开关驱动电路包括电感线圈,但电感线圈体积小,不用于致动器电容谐振;相反,执行器电容的充电和电感和电容电路元件之间的能量交换(通过设计)在比机械泵周期短得多的时间内完成。换句话说,这个驱动电路快速地给致动器电容充电,并自动关闭,直到致动器达到最大的机械膨胀或收缩。在执行器达到其最大机械膨胀或收缩后的一段时间,电路自身重新打开,在相反极性的执行器电容上充电;当它这样做的时候,它会补充上次充电后失去的能量。

当第一次打开电源时,压电驱动器的电容(图1中的C2)首先通过晶体管Q2充电到+ 450v的电位。充电电流和充电时间是由直流-直流变换器的特性和压电薄膜的特性决定的。电感L1用于降低每个充电周期的初始电流尖峰,电感C1用于稳定变换器的输出电压,降低直流-直流变换器的输出峰值电流需求。电感L2为主要储能电感;它用于与C2交换能量以切换极性,下面将详细介绍。

管理该电路操作的定时信号是晶体管/晶体管逻辑(TTL) - 持续时间为5ms的脉冲,并且重复频率等于所需的泵频率(原始设计中的20Hz)。当电感器L2中的电流达到零时,使三端双向可控硅(Q2)能够使短脉冲持续时间是必要的。定时信号由定时/控制振荡器U6,生成供给定时驱动电流到光隔离器U4,这,反过来,提供了接通信号,用于三端双向可控硅栅极。

图2示出了压电致动器的端子处的电压和电流波形。假设C2最初是充电。在发生定时脉冲时,前半周期的开始,打开三端双向可控硅,并且电流开始通过三端双向可控硅和L2从C2流动。当电流的幅度增加到高于最小保持电流时,TRIAC变为锁定。然后,TRIAC继续进行,直到电流下降到最小保持电流以下,这对于本申请的目的而言基本值为零。达到最小保持电流,并且当C2上的电压达到-450V附近的负峰时,三端部件关闭。L2提供极性的反转。峰值反向电压的精确幅度略小于| 450 V |通过依赖于在极性逆转所涉及的各种能量交换中失去的能量的金额。虽然TRIAC仍然关闭,但C2保持在带负电的状态下,其中仅寄生电介质损耗缓慢降低C2上的电压的大小。

图片在第二个半周期开始时,当下一个定时脉冲到达时,重复前面所述的过程,只是施加到C2的电流和电压是相反的。同样,| 450v |和峰值电压的大小之间的差异取决于能量损失。

如果允许目前所描述的操作继续进行,电压将继续衰减,操作将在几个周期后停止。为了使连续运行,必须补充损失的能量。这是通过如下方式完成的:在完成后半周期的极性反转,在下一个定时脉冲到来之前,补充控制子电路感知可控硅截止并打开Q1,将C2充电到450v。在选择的20 hz泵频率下,triac关闭时间足够长,在能量损失相对较低的情况下,可以使用相对较低的充电电流将C2充电至450v。

由于仅在正半周期期间进行再充电,所以在C2中诱导DC偏移;然而,该偏移通常是峰值驱动电压的一小部分,并且不会对压电致动器的操作产生不利影响。仅在正半周期期间再充电的优点是电路可以不太复杂并且包含比在半周期内的再充电所需的较少组件。

这项工作由Chris Matice of Cress Engineering Services Inc.克里斯Matice完成了。和弗兰克E. Super和Bill Robertson为Johnson Space Center的海洋航天系统。本发明的标题已根据国家航空航天法案的规定{42 U.S.C.2457(f)}到海洋航天系统。应解决有关其商业发展许可证的咨询

:海洋航天系统16665空间中心BLVD。休斯顿
TX 77058 - 2268

请参阅MSC-22887,本NASA技术简报的卷号和编号,以及页码。yabovip16.com


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这篇文章首次发表于2006年8月号的NASA技yabovip16.com术简介杂志。

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