專利名稱：壓電陶瓷驅動模塊及直流固體繼電器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓電驅動模塊及帶有該壓電陶瓷驅動模塊的繼電器，特別是一種壓電陶瓷驅動模塊及帶有該壓電陶瓷驅動模塊的固體繼電器。
背景技術：
無觸點固態繼電器有交流負載(稱交流固體繼電器)和直流負載(稱直流固體繼電器)兩種。目前交流固體繼電器是采用交流光電耦合器、壓電陶瓷耦合器和壓差式壓電陶瓷變壓器作隔離和推動元件，用作直流固體繼電器的隔離和推動元件只有直流光電耦合器。[0003]壓電陶瓷耦合器和壓差式壓電陶瓷變壓器作為交流固體繼電器的隔離和推動元件，用其制成固體繼電器，雖然較交流光電耦合固體繼電器具有性能和價格優勢，但目前仍處于實驗室階段，而且從產品到市場仍有較大一段距離。而交流光電耦合器、壓電陶瓷耦合器和壓差式壓電陶瓷變壓器由于輸出電壓較低，若用作直流固體繼電器的隔離和推動元件，則不足以推動直流固體繼電器中的功率輸出元件MOS場效應晶體管工作，采用直流光電耦合器作為直流固體繼電器的隔離和推動元件雖能提高輸出電壓，但其溫度特性差、制造成本非常大。
發明內容本實用新型的目的是提供一種壓電陶瓷驅動模塊及直流固體繼電器，要解決的技術問題是驅動直流固體繼電器中的功率輸出元件MOS場效應晶體管并使之穩定工作。本實用新型所采用的技術方案本實用新型的壓電陶瓷驅動模塊，包括隔離元件和驅動電路，所述隔離元件為長條矩形平板形狀的壓電陶瓷變壓器，在所述的壓電陶瓷變壓器上分別設有與其輸入端相連的驅動部分和與其輸出端相連的發電部分，所述的驅動電路與所述的壓電陶瓷變壓器的輸入端相連。所述的驅動部分設于所述的長條矩形平板沿長邊方向的中間范圍內，其所占體積為長條矩形平板的體積的一半，在長條矩形平板的上、下表面驅動部分對應的區域制備銀電極并分別焊上彈性銅線引出，作為所述的壓電陶瓷變壓器的兩個輸入端，所述的發電部分對稱分布于驅動部分兩側，其每側所占體積為長條矩形平板體積的1/4，在發電部分位于長條矩形平板的兩個端面制備銀電極并分別焊上彈性銅線引出，作為壓電陶瓷變壓器的兩個輸出端。所述驅動電路由輸入電路、橋式正弦波振蕩電路組成，其中；輸入電路中的第1電容接于輸入電源與接地端之間，第2電阻的一端接于輸入電源，其另一端通過第6電阻與第3電容的并聯接地，第1電阻接入輸入電源和運算放大器的輸出端之間；橋式正弦波振蕩電路主要由運算放大器、與其相連接的4支臂構成的橋式電路組成，第1支臂的一端接于運算放大器的輸出端，另一端通過第7電阻與壓電陶瓷變壓器的輸入端的串聯接于運算放大器的同相輸入端；第2支臂的一端接于運算放大器的同相輸入端，另一端通過第5電阻、第2電容的并聯接于第6電阻、第3電容并聯的一端，并通過第6 電阻、第3電容的并聯接地；第3支臂的一端接于運算放大器的反相輸入端，另一端通過第 3電阻接于運算放大器的輸出端；第4支臂的一端接于運算放大器的反相輸入端，另一端通過第4電阻、第6電阻與第3電容的并聯接地。本實用新型的直流固體繼電器，包括壓電陶瓷變壓器驅動模塊、MOS場效應晶體管及其輸入、輸出電路，所述的壓電陶瓷變壓器驅動模塊包括隔離元件和驅動電路，所述隔離元件為長條矩形平板形狀的壓電陶瓷變壓器，在所述的壓電陶瓷變壓器上分別設有與其輸入端相連的驅動部分和與其輸出端相連的發電部分，所述的驅動電路與所述的壓電陶瓷變壓器的輸入端相連，所述壓電陶瓷變壓器的輸出端分別與所述的MOS場效應晶體管的輸入電路中由兩個雙二極管組成的橋式整流電路的兩個輸入端相連。所述的MOS場效應晶體管的輸入電路由兩個雙二極管、第8電阻、第4電容、穩壓管，二極整流管、PNP晶體管、第9電阻構成的整流、濾波和穩壓電路組成。本實用新型與現有技術相比，采用壓電陶瓷變壓器的兩端面輸出電壓，可以使壓電陶瓷驅動模塊獲得較高的電壓信號，壓電陶瓷驅動模塊較高的輸出電壓，足以驅動直流繼電器輸出電路的MOS場效應晶體管的穩定工作，克服了交流光電耦合器、壓電陶瓷耦合器和壓差式壓電陶瓷變壓器的輸出電壓低的缺點，并且有很好的溫度特性，直流固體繼電器可在-50°C至90°C的范圍內正常工作，另外本實用新型結構簡單、成本低廉、具有較強的抗干涉和抗沖擊能力。
圖1是本實用新型的壓電陶瓷變壓器結構圖。圖2是本實用新型的壓電陶瓷驅動模塊電路原理圖。圖3是本實用新型的直流固體繼電器方框圖。圖4是本實用新型的直流固體繼電器電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1、2所示，本實用新型的壓電陶瓷驅動模塊，包括隔離元件和驅動電路5，所述的隔離元件為長條矩形平板形狀的壓電陶瓷變壓器6，在所述的壓電陶瓷變壓器6上分別設有與其輸入端1、2相連的驅動部分61和與其輸出端3、4相連的發電部分62，所述的驅動電路5與所述的壓電陶瓷變壓器 6的輸入端1、2相連。所述的驅動部分61設于所述的長條矩形平板沿長邊方向的中間范圍內，其所占體積為長條矩形平板的體積的一半，在長條矩形平板的上、下表面驅動部分61對應的區域制備銀電極并分別焊上彈性銅線引出，作為所述的壓電陶瓷變壓器6的兩個輸入端1、2， 所述的發電部分62對稱分布于驅動部分61兩側，其每側所占體積為長條矩形平板體積的 1/4，在發電部分62位于長條矩形平板的兩個端面制備銀電極并分別焊上彈性銅線引出， 作為壓電陶瓷變壓器6的兩個輸出端3、4。[0020]所述驅動電路5由輸入電路、橋式正弦波振蕩電路組成，其中；輸入電路中的第1電容Cl接于輸入電源與接地端之間，第2電阻R2的一端接于輸入電源，其另一端通過第6電阻R6與第3電容C3的并聯接地，第1電阻Rl接入輸入電源和運算放大器Ul的輸出端之間；橋式正弦波振蕩電路主要由運算放大器Ul、與其相連接的4支臂構成的橋式電路組成，第1支臂的一端接于運算放大器Ul的輸出端，另一端通過第7電阻R7與壓電陶瓷變壓器6的輸入端1、2的串聯接于運算放大器Ul的同相輸入端+ ；第2支臂的一端接于運算放大器Ul的同相輸入端+，另一端通過第5電阻R5、第2電容C2的并聯接于第6電阻R6、 第3電容C3并聯的一端，并通過第6電阻R6、第3電容C3的并聯接地；第3支臂的一端接于運算放大器Ul的反相輸入端_，另一端通過第3電阻R3接運算放大器Ul的輸出端；第 4支臂的一端接于運算放大器Ul的反相輸入端_，另一端通過第4電阻R4、第6電阻R6與第3電容C3的并聯接地。本實用新型的直流固體繼電器，包括壓電陶瓷變壓器驅動模塊、MOS場效應晶體管 Ql及其輸入、輸出電路7、8，其中，所述的壓電陶瓷變壓器驅動模塊包括隔離元件和驅動電路5，所述隔離元件為長條矩形平板形狀的壓電陶瓷變壓器6，在所述的壓電陶瓷變壓器6 上分別設有與其輸入端1、2相連的驅動部分61和與其輸出端3、4相連的發電部分62，所述的驅動電路5與所述的壓電陶瓷變壓器6的輸入端1、2相連，所述壓電陶瓷變壓器6的輸出端3、4分別與所述的MOS場效應晶體管Ql的輸入電路7中由兩個雙二極管Dl、D2組成的橋式整流電路的兩個輸入端相連。所述的MOS場效應晶體管Ql的輸入電路7由兩個雙二極管Dl、D2、第8電阻R8、 第4電容C4、穩壓管D3，二極整流管D4、PNP晶體管Q2、第9電阻R9構成的整流、濾波和穩壓電路組成，所述的MOS場效應晶體管Ql的輸出電路是負載&和負載直流電源組成的回路。本實用新型的直流固體繼電器的壓電陶瓷驅動模塊由升壓壓電陶瓷變壓器6和其驅動電路5組成，壓電陶瓷變壓器6作直流繼電器的隔離和推動元件，其驅動電路5采用運算放大器Ul橋式正弦波振蕩電路，其作用為激勵壓電陶瓷變壓器6穩定工作。壓電陶瓷變壓器6為長條矩形平板(Rosen)結構，其體積為 10(長)X3(寬)X1(厚)mm3，所用材料是摻雜改性的鈮鎂鋯鈦酸鉛[Pb (Mg1/3Nb2/3) ,ZrgTi1^yO3]三元系壓電陶瓷材料，材料主要參數平面機電耦合系數Kp = 60%、壓電常數 d33 = 320C/N，機械品質因數Qm> 1500、介電常數ε、/ε ^ > 1250、介電損耗tg δ <1%。該壓電陶瓷變壓器6分驅動和發電兩部分，驅動部分61設于長條矩形平板沿長邊方向的中間范圍內，其所占長條矩形平板的體積為5(長)Χ3(寬)Χ1(厚)mm3、在長條矩形平板的上、下表面驅動部分61對應的區域制備銀電極，焊上彈性銅線并引出用作壓電陶瓷變壓器6的輸入端1、2，面積為5 X 3mm2，壓電陶瓷變壓器6的發電部分62對稱分布于驅動部分61兩側，其所占長條矩形平板的體積分別為2. 5 (長)X 3 (寬)X 1 (厚)mm3，在發電部分62位于長條平板的兩個端面制備銀電極，焊上彈性銅線并引出用作壓電陶瓷變壓器6 的輸出端3、4，其兩端面面積分別為3Xlmm2。本實用新型的壓電陶瓷變壓器6采用沿壓電陶瓷變壓器6長度方向(即所述的長條矩形平板的長度方向)振動諧振模式，其驅動部分61沿厚度方向(a方向)極化、發電部分62沿長度方向(b方向)極化，當負載電阻為2ΜΩ時，諧振頻率fr 168KHz，輸出電壓Vout和輸入電壓Vin之比Vout/Vin > 20，溫度從_30°C升至+30°C時，諧振頻率變化小于0. 2KHz，輸入與輸出部分之間的絕緣電阻大于IOGQ，壓電陶瓷變壓器6具有較高隔離性能。采用這種結構的壓電陶瓷變壓器6不但加大輸入和輸出隔離電阻，而且大大提高了壓電陶瓷變壓器6輸出電壓，有利于推動直流繼電器中的MOS場效應管Ql穩定工作。如圖2所示，本實用新型采用運算放大器Ul橋式正弦波振蕩電路(以下簡稱振蕩電路)作為壓電陶瓷變壓器6的驅動電路5，將壓電陶瓷變壓器6的輸入端1、2作為振蕩電路選頻網絡的一部分，以確保振蕩電路在壓電陶瓷變壓器6諧振頻率起振時，其輸出電壓的頻率與壓電陶瓷變壓器6諧振頻率同步。由于壓電陶瓷變壓器6在諧振頻率附近呈電容性，因此，把壓電陶瓷變壓器6的驅動部分61作為運算放大器Ul阻容串并聯選頻網絡的一部分，使得振蕩電路在壓電陶瓷變壓器6的諧振頻率起振，并且使振蕩電路的輸出電壓頻率具有跟蹤壓電陶瓷變壓器6諧振頻率變化的作用。因此，在壓電陶瓷變壓器6諧振頻率因負載或環境溫度變化而變化時，在推動模塊工作過程中，壓電陶瓷變壓器6的驅動電路61輸出的激勵壓電陶瓷變壓器6工作的電壓頻率總是能夠與壓電陶瓷變壓器6諧振頻率同步變化，從而保證了壓電陶瓷變壓器 6輸出功率的穩定。運算放大器U1，正反饋選頻網絡的第7電阻R7和壓電陶瓷變壓器6的輸入端1、2 的串聯、第5電阻R5和第2電容C2并聯、以及負反饋的第3電阻R3、第4電阻R4，這四部分各為一臂構成振蕩電路，該振蕩電路的振蕩頻率決定于選頻網絡，適當調整選頻網絡中的第7電阻R7、第5電阻R5和第2電容C2的參數值，使振蕩電路只能在壓電陶瓷變壓器6 諧振頻率起振。這種振蕩電路具有較強的頻率跟蹤能力，確保了壓電陶瓷變壓器6輸出電壓的穩定。第1電阻Rl的兩端分別接于輸入電源和運算放大器Ul輸出端，第2電阻R2和第6電阻R6組成分壓電路，通過第5電阻R5把電壓加到運算放大器Ul同相輸入端+，第1 電容Cl和第3電容C3作為濾波回路，以減小高頻雜波對壓電陶瓷變壓器6的驅動電路5 的干擾。如圖3、4所示，本實用新型的直流固體繼電器，由所述的用于直流固體繼電器的壓電陶瓷驅動模塊、MOS場效應晶體管Ql的輸入電路7和MOS場效應晶體管Ql的輸出電路8組成，將由壓電陶瓷驅動模塊輸出端3、4輸出的標準正弦波電壓信號輸入到MOS場效應晶體管Ql輸入電路7，而MOS場效應晶體管Ql的輸入電路7將所述的正弦波電壓輸入信號的正弦波經整流、濾波和穩壓后得到的直流電壓信號輸入到MOS場效應晶體管Ql的輸入端，并和MOS場效應晶體管Ql的輸出電路8結合，推動MOS場效應晶體管Ql完全導通，從而使直流固體繼電器的壓電陶瓷驅動模塊實現驅動MOS場效應晶體管Ql工作的任務，使直流固體繼電器正常工作。如圖4所示，所述的壓電陶瓷驅動模塊中的壓電陶瓷變壓器6輸出端3、4輸出的正弦波電壓信號，經MOS場效應晶體管Ql輸入電路中的兩個雙二極管D1、D2組成的橋式整流電路的整流、第8電阻R8、第4電容C4、穩壓管D3的穩壓后獲得的直流輸出電壓信號，經二極整流管D4、PNP晶體管Q2和第9電阻R9輸入到MOS場效應晶體管Ql的柵-源電極， 并通過組成MOS場效應晶體管Ql的輸出回路8的負載電源Vout和負載電阻Rl，接入到場效應Ql的漏電極，激發MOS場效應晶體管Ql導通。負載電流大小決定于直流電源電壓和負載電阻&。其中穩壓管D3和MOS場效應晶體管Ql的型號規格可以根據直流固體繼電器所需的負載電壓、負載電流的大小來確定，從而可以制造出多種規格、不同負載電壓和負載電流的壓電陶瓷直流固體繼電器。本實用新型的直流固體繼電器，其輸入電壓為3-30VDC、負載電壓為0-55VDC、負載電流為5A，運算放大器Ul采用TS391-A，Dl和D2采用BAV99的雙二極管，穩壓管D3采用12V穩壓管，二極整流管D4采用1N4148，PNP三極晶體管Q2采用4403，MOS場效應晶體管 Ql 采用 IRF6930。
權利要求1.一種壓電陶瓷驅動模塊，包括隔離元件和驅動電路(5)，其特征在于所述隔離元件為長條矩形平板形狀的壓電陶瓷變壓器(6)，在所述的壓電陶瓷變壓器(6)上分別設有與其輸入端(1、2)相連的驅動部分(61)和與其輸出端(3、4)相連的發電部分(62)，所述的驅動電路(5)與所述的壓電陶瓷變壓器(6)的輸入端(1、2)相連。
2.根據權利要求1所述的壓電陶瓷驅動模塊，其特征在于所述的驅動部分(61)設于所述的長條矩形平板沿長邊方向的中間范圍內，其所占體積為長條矩形平板的體積的一半，在長條矩形平板的上、下表面驅動部分(61)對應的區域制備銀電極并分別焊上彈性銅線引出，作為所述的壓電陶瓷變壓器(6)的兩個輸入端(1、2)，所述的發電部分(62)對稱分布于驅動部分(61)兩側，其每側所占體積為長條矩形平板體積的1/4，在發電部分(62) 位于長條矩形平板的兩個端面制備銀電極并分別焊上彈性銅線引出，作為壓電陶瓷變壓器(6)的兩個輸出端(3、4)。
3.根據權利要求1所述的壓電陶瓷驅動模塊，其特征在于所述驅動電路(5)由輸入電路、橋式正弦波振蕩電路組成，其中；輸入電路中的第1電容(Cl)接于輸入電源與接地端之間，第2電阻(R2)的一端接于輸入電源，其另一端通過第6電阻(R6)與第3電容(C3)的并聯接地，第1電阻(Rl)接入輸入電源和運算放大器(Ul)的輸出端之間；橋式正弦波振蕩電路主要由運算放大器(Ul)、與其相連接的4支臂構成的橋式電路組成，第1支臂的一端接于運算放大器(Ul)的輸出端，另一端通過第7電阻(R7)與壓電陶瓷變壓器的輸入端(1、2)的串聯接于運算放大器(Ul)的同相輸入端(+)；第2支臂的一端接于運算放大器(Ul)的同相輸入端(+)，另一端通過第5電阻(R5)、第2電容(C2)的并聯接于第6電阻(R6)、第3電容(C3)并聯的一端，并通過第6電阻(R6)、第3電容(C3)的并聯接地；第3支臂的一端接于運算放大器(Ul)的反相輸入端(_)，另一端通過第3電阻(R3) 接于運算放大器(Ul)的輸出端；第4支臂的一端接于運算放大器(Ul)的反相輸入端(_)， 另一端通過第4電阻(R4)、第6電阻(R6)與第3電容(C3)的并聯接地。
4.根據權利3所述的壓電陶瓷驅動模塊，其特征在于所述的運算放大器(Ul)的型號為 TS391-A。
5.一種直流固體繼電器，包括壓電陶瓷變壓器驅動模塊、MOS場效應晶體管(Ql)及其輸入、輸出電路(7、8)，其特征在于所述的壓電陶瓷變壓器驅動模塊包括隔離元件和驅動電路(5)，所述隔離元件為長條矩形平板形狀的壓電陶瓷變壓器(6)，在所述的壓電陶瓷變壓器(6)上分別設有與其輸入端(1、2)相連的驅動部分(61)和與其輸出端(3、4)相連的發電部分(62)，所述的驅動電路(5)與所述的壓電陶瓷變壓器(6)的輸入端(1、2)相連，所述壓電陶瓷變壓器(6)的輸出端(3、4)分別與所述的MOS場效應晶體管(Ql)的輸入電路(7)中由兩個雙二極管(D1、D2)組成的橋式整流電路的兩個輸入端相連。
6.根據權利要求5所述的直流固體繼電器，其特征在于所述的MOS場效應晶體管 (Ql)的輸入電路(7)由兩個雙二極管(D1、D2)、第8電阻(R8)、第4電容(C4)、穩壓管(D3)， 二極整流管(D4)、PNP晶體管(Q2)、第9電阻(R9)構成的整流、濾波和穩壓電路組成。
7.根據權利要求6所述的直流固體繼電器，其特征在于所述的雙二極管(D1、D2)型號為BAV99，二極整流管(D4)型號為1N4148，PNP晶體管(Q2)型號為4403，MOS場效應晶體管(Ql)型號為IRF6930。
專利摘要本實用新型公開了一種壓電陶瓷驅動模塊及直流固體繼電器，要解決的技術問題是驅動直流固體繼電器中的功率輸出元件MOS場效應晶體管并使之穩定工作。該壓電陶瓷驅動模塊，包括隔離元件為長條矩形平板形狀的壓電陶瓷變壓器及其驅動電路，在壓電陶瓷變壓器上分別設有驅動部分和發電部分，并在驅動部分和發電部分相對應的區域分別制備銀電極并焊上彈性銅線引出，作為壓電陶瓷變壓器的輸入端和輸出端。本實用新型的壓電陶瓷驅動模塊輸出電壓高，足以驅動直流固體繼電器的功率輸出元件MOS場效應晶體管正常工作，并有很好的溫度特性，可在-50℃至90℃的范圍內正常工作，本實用新型結構簡單、成本低廉、具有較強的抗干涉和抗沖擊能力。
文檔編號H02N2/00GK202143000SQ20112023414
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月5日 優先權日2011年7月5日
發明者劉國柱, 鄺偉, 鄺安祥 申請人:劉國柱, 鄺偉, 鄺安祥