超聲波發(fā)生器電路原理和設(shè)計(jì)

    超聲波技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其核心部件超聲波發(fā)生器即超聲波電源技術(shù)也發(fā)展了幾代。從最初的電子管振蕩線路——半導(dǎo)體電子振蕩器——到目前的智能型數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，超聲波振蕩線路越來(lái)越先進(jìn)可靠和智能化，恒波系列超聲波發(fā)生器具有自動(dòng)頻率跟蹤功能，能夠自動(dòng)適應(yīng)超聲波模具（焊頭）的頻率，無(wú)需調(diào)頻，長(zhǎng)時(shí)間工作頻率也不會(huì)偏移，恒波智能型超聲波發(fā)生器在塑料焊接、織造布連續(xù)焊接、分條、封邊、剪切，塑料薄膜的封邊等工藝中得到了廣泛的應(yīng)用。

　 本文以HB超聲波清洗機(jī)為例，在不銹鋼清洗槽的底部粘接有一個(gè)或多個(gè)壓電陶瓷元件構(gòu)成的振子。當(dāng)用超聲波振蕩電源給振子加上一定頻率的交流電壓時(shí)。振子就將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)。通過(guò)清洗槽底傳遞給清洗液。達(dá)到清洗的目的。但超聲波振子在有負(fù)載和無(wú)負(fù)載時(shí)。其參數(shù)有較大差異。右圖是一個(gè)諧振頻率為38kHz的振子的等效電路。將此振子的喇叭口前端置于水中，模擬為穩(wěn)定的負(fù)載。用阻抗測(cè)定儀（HP一4194A）測(cè)定出等效電路參數(shù)。可見(jiàn)差異較大。若把超聲波振子作為反饋回路的元件，當(dāng)其環(huán)境（溫度‘負(fù)載、液位、工件、驅(qū)動(dòng)電壓等）變化或自身參數(shù)因日久發(fā)生變化時(shí)，就可能破環(huán)自激振蕩的條件，使振蕩不穩(wěn)定。這是自激振蕩電路的缺陷。

　 基于此設(shè)計(jì)制作了這款適應(yīng)面較寬的他激式超聲波電源系統(tǒng)。其功能如下：
●鎖相環(huán)（PLL）控制的他激振蕩電路。頻率18kHz-60kHz可調(diào)。●恒流控制的可變開(kāi)關(guān)電源。
輸出電壓范圍0-250V。
●最大輸出功率300W。
●負(fù)載短路及過(guò)流保護(hù)由于具有PLL電路和恒流控制電路的兩個(gè)閉環(huán)控制配合作用。
　　因此可以同時(shí)自動(dòng)控制諧振頻率的跟蹤和振子的振動(dòng)強(qiáng)度。鎖定超聲波振子的頻率。保證功率的穩(wěn)定輸出。本設(shè)計(jì)自成系統(tǒng)。與清洗槽及振子分開(kāi)。
　　形成獨(dú)立的超聲波電源，因此可以方便靈活地與不同的超聲波設(shè)備配合使用。另外。本系統(tǒng)也可作為超聲波設(shè)備的檢修電源使用。


　 試用情況將制作好的系統(tǒng)分別試用于兩臺(tái)超聲波清洗機(jī)清洗槽（含振子）。一臺(tái)是1998年產(chǎn)180W、頻率35kHz、三振子、振蕩很弱的國(guó)產(chǎn)機(jī)。另一臺(tái)是2000年產(chǎn)、240W、頻率40kHz、三振子、時(shí)振時(shí)不振的國(guó)產(chǎn)機(jī)。試用效果令人鼓舞。分別調(diào)整頻率、輸出變壓器抽頭、電流，可以順和J起振并調(diào)整出最大振幅。且改變液位及增減被清洗的試管量，看不出振幅變化，電流表的指示值也基本不變，輸出功率穩(wěn)定：工作半小時(shí)后四個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管的叉指型散熱器溫度僅45℃。試用時(shí)的測(cè)定值見(jiàn)附表。

事實(shí)說(shuō)明，只要頻率和功率在本系統(tǒng)容許范圍內(nèi)的超聲波振子，都可以用本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。

電路原理：整個(gè)電路由PLL振蕩電路、絕緣型柵極驅(qū)動(dòng)電路、半橋輸出電路、匹配電路、恒流控制的可變電源電路、交流輸入濾波整流電路、低壓電源（略）、保護(hù)電路（略）組成。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)左圖。頻率控制、半橋輸出及匹配電路等見(jiàn)下圖。振子標(biāo)稱頻率(KHz)實(shí)測(cè)諧振頻率(Kl-Iz)交流電壓(V)I交流電流(A)180Wl3534-36223l0．95240WI4039.71223l0．82PLL電路頻率控制主要是利用超聲波振子在諧振時(shí)的電壓和電流的桐位差幾乎為零的特點(diǎn)。來(lái)進(jìn)行頻率的自動(dòng)控制。鎖相環(huán)（PLL）頻表1表2I振子標(biāo)稱頻率（KHz）I實(shí)測(cè)諧振頻率（Kl-Iz）I交流電壓（V）I交流電流（A）180Wl 35 34-36 223 L 0.95240WI 40 39.71 223 L 0.82率控制電路由IC1一IC6等元件組成。IC1的兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成限幅放大器。分別將從超聲波振子取樣的電壓E和電流I放大L1倍。然后經(jīng)IC2構(gòu)成的施密特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成CMOS電平，供IC3鑒相。其結(jié)果經(jīng)由IC4b作誤差放大和環(huán)形濾波后。

輸入到壓控振蕩電路（VCO）。誤差放大器的反饋回路選用了響應(yīng)速度快的延遲、超前型環(huán)形濾波器。直流增益為10倍（1M/100k）。VCO由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器IC6（MC34025P）內(nèi)部電路提供。可以獲得寬的頻率變化范圍，且與后續(xù)的半橋輸出電路匹配良好。IC6內(nèi)部振蕩器的頻率由其內(nèi)部充放電的Ct、Rt決定，這里將Rt端的外接電阻用運(yùn)放IC5a和三極管V1取代。構(gòu)成恒流電路控制流過(guò)Rt端的電流，達(dá)到頻率的自動(dòng)追蹤。在有負(fù)載的情況下。當(dāng)振蕩頻率低于振子諧振頻率時(shí)。振子匹配電路的阻抗呈容性。振子電流相位超前干電壓，則鑒相電路輸出正脈沖，使下級(jí)誤差放大器輸出負(fù)電位，VCO振蕩頻率上升：當(dāng)振蕩頻率高于振子諧振頻率時(shí)。匹配電路的阻抗呈感性。電流相位滯后，鑒相器輸出負(fù)脈沖。使誤差放大器輸出正電位，因而振蕩頻率下降。頻率可變范圍由IC5a的輸入電阻R19（1MΩ）決定，可達(dá)18kHz-60KHz；W2作中心頻率F0（即振子諧振頻率）的調(diào)整。W3作頻率微調(diào)。


匹配電路

　　由于超聲波振于是容性負(fù)載?？赡墚a(chǎn)生尖峰電流損壞輸出元件。需要加入電感元件L（L1）：且振子在負(fù)載變化時(shí)其諧振阻抗世將變化。會(huì)影響到諧振時(shí)的等效串聯(lián)電阻值：故必須在半橋輸出電路和超聲波振子之間加入匹配電路。

　 雖然半橋輸出電路輸出的是對(duì)稱方波，但如果占空比不是準(zhǔn)確的1：1時(shí)。就會(huì)產(chǎn)生直流成分而使輸出變心器被直流磁化。故需串人隔直電容器C（C19）。為了使輸出變壓器匝數(shù)比與振子阻抗匹配良好，輸出變壓器次級(jí)設(shè)計(jì)了抽頭。為了自動(dòng)跟蹤諧振頻率，在輸出變壓器次級(jí)用33kn電阻降壓，二極管D16一D19限幅取出電壓信號(hào)E；用電流互感器TA1200：1，1V/1A）取出電流信號(hào)，反饋到PLL電路控制振蕩頻率。同時(shí)電流I還反饋到可變電源的輸入端作恒流控制?！〈_定匹配電路參數(shù)

首先要確定匹配電路的鼎質(zhì)因數(shù)Q1.考慮到是用PLL，電路來(lái)控制頻率。Q1可以稍低一些，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)假設(shè)Ql=5。由于振子在諧振狀態(tài)時(shí)可等效為CR并聯(lián)電路，將其作右圖那樣的等效串聯(lián)變換。

便于計(jì)算匹配電路的元件參數(shù)。以前而測(cè)量過(guò)的振子為例，首先計(jì)算CR并聯(lián)電路的品質(zhì)因數(shù)Qcr值。


Fs=38kHz，Cd=10.66nF， Rm=146ΩQcr≈2πfs Cd Rm=6.28 ×38×10的3次方×10.66×1O的負(fù)9次方×146=0.371Rmo=Rm/1+Qcr的2次方=146/1.138=128.3ΩCdo=Cd[ 1+I/Qcr的2次方]=1O.66×10的負(fù)3次方×8.265=88.105nF諧振必需的合成容量：

Co=1/2πfs Rmo Ql=6532pF可求出C1和L的值：

C1=Co Cdo/（ Cdo-Co）=7055pFI=Rmo Q1/2πfs=2.688mH 由于振子用高電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)其諧振頻率會(huì)略有下降。因此應(yīng)對(duì)L、C1的計(jì)算值進(jìn)行修正；而且將電容值選擇為標(biāo)稱值便于制作。經(jīng)更換不同的電感試驗(yàn)?！≡趯?shí)際電路中選擇C19=6800pF、L1=3mH.實(shí)際使用證明可行。

恒流可變電壓源

給超聲波振子提供恒流、可變電壓源的電路見(jiàn)下圖.其中IC4b及IC7-IC1O構(gòu)成振子恒流控制電路，將振子電流的反饋信號(hào)與輸出電流設(shè)定信號(hào)作比較?！∑湔`差經(jīng)放大后送入脈寬調(diào)制（PWM）控制IC（IC1O）。挖制PWM的輸出。

由W5作輸出電流設(shè)定（0一+5V）。經(jīng)IC7a反桕（O一5V）后送入誤差放大器IC7b；由振予匹配電路中串入的電流互感器TA取出電流反饋信號(hào)I送人IC4h放大。再經(jīng)IC9作全波整流后送入誤差放大器與設(shè)定電流作比較并放大，由于恒流控制的犧度取決于誤差放大器的增益。因比該級(jí)在直流范圍下作于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，環(huán)形濾波器仍采用延遲、超前型，反饋電路中加入一只二極管作負(fù)電壓的鉗位。誤差放大器的輸出經(jīng)IC8a反相后送入IC10的反饋端FB。IC8b把IC10的基準(zhǔn)電壓Vref反相并作1/2變換，將IC8a的輸出電壓偏置為+2.5V。當(dāng)負(fù)載電流小于設(shè)定值時(shí)，誤差放大器的輸出作正向上升，IC8a的輸出從+2.5V向+1.5V變化，使PWM輸出占空比從0％增大至100％，可變電源電路的輸出電壓升高。連接在占空時(shí)間端子DT的電阻用來(lái)設(shè)定最大占空比（設(shè)定為95％）：在IC1O的DT和Vref端子間接入電容C25以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能IC1O的振蕩頻率由Ct、Rt端的阻、容決定。圖示參數(shù)的頻率約50kHz。PWM的輸出經(jīng)光電耦合器IC11隔離后作為可變電壓源的輸入。利用其占空比的變化來(lái)控制輸出電壓的高低。

可變電壓源主要由專用驅(qū)動(dòng)集成電路IR2111（IC12）和MOSFET管V10、V11組成半橋輸出電路。IR2111內(nèi)藏驅(qū)動(dòng)級(jí)，用以驅(qū)動(dòng)半橋輸出電路的高位和低位MOSFET，控制300V直流電壓的開(kāi)、關(guān)。當(dāng)LR2111的輸入為低電平郵，其高位輸出（（7）、（6）腳問(wèn)）為OV，低位輸出，（（4）、（3）腳間）為12V.敞低位的V11導(dǎo)通。會(huì)造成電容C34瞬時(shí)放電。損壞V11，故在V11的源極串入限流電阻R77。

負(fù)載短路保護(hù)電路半橋輸出電路的輸出阻抗很低。一旦負(fù)載短路將通過(guò)很大電流。損壞MOSFET及其他元件。故本電路設(shè)計(jì)了保護(hù)電路?！》椒ㄊ怯秒娏骰ジ衅魅〕稣褡与娏餍盘?hào)并整流。同時(shí)取出PWM控制電壓作為保護(hù)電路的輸入信號(hào)。分別經(jīng)比較器、RS觸發(fā)器等控制繼電器的通斷，達(dá)到保護(hù)的目的。電路圖中的繼電器觸點(diǎn)J1、J2即用于此目的，在超聲波振蕩器正常工作時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)。

低壓電源電路中的正負(fù)5V、正負(fù)12V電源均用小功率變壓器降壓、整流及三端穩(wěn)壓器提供，電流小于 O.5A，但可變電源中IR2111的12V 電源需單獨(dú)供電，不能與其他低壓電源有任何連接。

通過(guò)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、樣機(jī)的制作及試用。證明采用鎖桐環(huán)頻率控制的他激振蕩電路，以及恒流控制的可變電源。實(shí)現(xiàn)了寬范圍的頻率跟蹤控制和穩(wěn)定的輸出功率；同時(shí)選用了集成運(yùn)放、專用集成電路、大功率MOSFET開(kāi)關(guān)管等。提高了電路的可靠性，是一款值得推廣的超聲波電源?！∪粢m當(dāng)增大輸出功率，可以在半僑輸出電路中并聯(lián)相同的MOSFET開(kāi)關(guān)管。