熱線(xiàn):13906118643

新聞動(dòng)態(tài)

產(chǎn)生超聲波的功率源電路

瀏覽:36 時(shí)間:2023-12-13 15:12:23

超聲波功率源(或稱(chēng)發(fā)生器)是一種用于產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲能量的裝置。超聲波發(fā)生器就其激勵方式有兩種:一種是他激式.另一種是自激式。如果按末級功放管所采用的器件類(lèi)型分,又可分四種:電子管式超聲發(fā)生器;可控硅逆變式超聲發(fā)生器;晶體管式超聲發(fā)生器及功率模塊超聲發(fā)生器。電子管式與可控硅逆變式目前基本已淘汰,當前廣泛使用的是晶體管式發(fā)生器。
他激式超聲發(fā)生器主要包括兩部分,前級是振蕩器,后級是放大器。一般通過(guò)輸出變壓器耦合,把超聲能量加到換能器上。而自激式超聲發(fā)生器是把振蕩、功放、輸出變壓器及換能器集為一體,形成一閉環(huán)回路,回路在滿(mǎn)足幅度、相位反饋條件,組成一個(gè)有功率放大的振蕩器。并諧振于換能器的機械共振頻率上。
本文根據超聲發(fā)生器特點(diǎn),主要討論、分析、設計超聲發(fā)生器的諧振、功放及匹配等相關(guān)問(wèn)題。
一、關(guān)于諧振問(wèn)題<頻率自動(dòng)跟蹤> 
所謂諧振問(wèn)題就是要求發(fā)生器的輸出信號頻率能對在工作中變化的換能器諧振頻率進(jìn)行跟蹤,也即稱(chēng)頻率自動(dòng)跟蹤。目前常用的頻率自動(dòng)跟蹤大致有以下幾種方法:

1.聲跟蹤 
以聲耦合方式,從換能器上采集諧振頻率的電訊號,然后反饋至前級放大器,使形成自激振蕩器。其原理框圖如圖1.28所示。

圖1.28 聲跟蹤超聲波發(fā)生器原理框圖
由圖1.28看出,電路是個(gè)閉環(huán)系統,電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)沖擊脈沖,此脈沖經(jīng)預放、功 放去激勵換能器,換能器按自身固有頻率振動(dòng)。從而在反饋的聲接收器上可得到相同頻率的電訊號。經(jīng)過(guò)電路的移相、選頻、預放及功放再去激勵換能器,如果滿(mǎn)足振蕩器的相位,幅度條件,系統將自激振蕩,且振蕩頻率跟蹤在換能器的共振頻率上。
2.電跟蹤
所謂“電跟蹤”又稱(chēng)反饋自激式振蕩器。大致有以下幾種形式
(1)阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統
阻抗電橋形式的動(dòng)態(tài)反饋系統組成的頻率自動(dòng)跟蹤電路其原理如下;它是利用電橋平衡原理補償換能器電學(xué)臂的無(wú)功與有功分量,借助于差動(dòng)變量器提取與換能器機械臂振蕩電流成正比的反饋電壓,使閉環(huán)系統在換能器機械共振頻率上自振。本方法對換能器電參數的補償有可能做到與頻率無(wú)關(guān),因而在較寬頻段內跟蹤良好。



差動(dòng)變量器橋式自動(dòng)頻率跟蹤電路如圖1.29所示。圖中Tf為差動(dòng)變量器,正反饋電壓Uf,由次級繞組W3引出;初級繞組W1,W2與阻抗Z1、Z2構成電橋四臂,Z1為換能器阻抗(它由機械臂阻抗Zm和電學(xué)臂阻抗Ze并聯(lián)而成),Z2為補償元件的阻抗。Z3用于補償電橋的電抗。設Zm》Ze則Z1 =Ze 。顯然,如滿(mǎn)足條件W1I1=W2I2(W1W2為初級的匝數),電橋獲得平衡,Tf次級繞組反饋電壓Uf=0。此平衡條件又可表為Z2/Ze=W2/W1
X2/Xe=R2/Re=W2/W1=n

即式中Re/Xe分別為Ze和Z2的實(shí)部和虛部。系數n表示差動(dòng)變量器初級繞組兩部分的匝數比,它等于補償元件阻抗與換能器電學(xué)臂之比。
一般情況下,流經(jīng)Zm的電流Im使電橋失去平衡,Tf次級繞組將感生出正比于換能器機械臂振蕩電流Im的反饋電壓Uf 

Uf=Im(W1/W3)Rim

式中Rim為振蕩器的輸入電阻。
當系統的自激頻率fo=fr(換能器的機械共振頻率)時(shí),電流Im。將達最大值。系統反饋最強, Uf反饋電壓最大,滿(mǎn)足幅度條件,且Uf與Uin同相,也滿(mǎn)足相位條件,系統自激在換能器機械共振頻率上。假如換能器的機械共振頻率因某種因素減低了,則fo>fr。,負載Zm呈感性,Im的相角為負值,造成Uf滯后于Uin(原先的輸入電壓),系統振蕩頻率降低從而達到跟蹤的目的。
差動(dòng)變量器橋式自動(dòng)頻率跟蹤電路優(yōu)點(diǎn),在于其對換能器電抗成分的補償與頻率無(wú)關(guān),從而保證反饋電壓在很寬的頻率段內只與機械振蕩電流有關(guān),跟蹤可靠、失調較?。?br/>
(2)負載分壓方式的反饋系統。
這種系統如圖1.30所示,圖中的整個(gè)電路形成閉環(huán)迥路.電路在通電的瞬間產(chǎn)生一個(gè)電脈沖,經(jīng)功放加至換能器兩端,于是換能器受激振動(dòng)。其振動(dòng)頻率為換能器本身的固有頻率,在換能器兩端的振蕩信號,經(jīng)分壓后送至可調移相器上,再送至功放。當可調移相器調至相位滿(mǎn)足自激條件時(shí),系統自激于換能器的固有頻率上。換能器諧振頻率的微小變化,電路系統均能及時(shí)跟蹤使工作始終處于最佳狀態(tài)。


圖1.30 電壓反饋振蕩器

(3)鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤
鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統與前兩種自激系統相比,電路要復雜得多,但能獲得較好的頻率自動(dòng)跟蹤性能。因此在超聲塑料焊接機的發(fā)生器中獲得越來(lái)越廣泛的應用。
采用鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤的關(guān)鍵,是如何獲得負載電路中電壓與電流之間的相位差。壓電換能器在諧振頻率附近的等效電路如圖1.31所示。圖中虛線(xiàn)框內為換能器等效回路。C0為換能器靜態(tài)電容。Rm為機械阻反映到電端的阻(如果忽略機械損耗,即為反映到電端的輻射阻),Lm為動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量反映到電端的值;Cm為等效力順?lè )从车诫姸说膭?dòng)態(tài)電容值;L。為換能器工作在諧振狀態(tài)時(shí)的并聯(lián)匹配電感。


1.31 壓電換能器等效簡(jiǎn)圖

該迥路的諧振頻率

ω2 =1/LoCo =1/LmCm

在諧振狀態(tài)時(shí),換能器兩端電壓U=iRm ,
即電壓與電流是同相的。當換能器失諧時(shí),u與i不再同相,其電抗與頻率特性曲線(xiàn)如圖1.32所示。圖中ωs為串聯(lián)諧振頻率。ωp為并聯(lián)諧振頻率。


圖1.32 諧振點(diǎn)附近電抗與頻率特性圖 

 

圖1.33為串聯(lián)諧振頻率附近的相頻特性。由圖1.33可知,當ω<ωs時(shí)電路呈容性,i超前u,相位差為負;
圖1.32 諧振點(diǎn)附近電抗與頻率特性圖
當ωs< ω<ωp時(shí)電路呈感性,u超前i,相位差為正。當ω=ωs時(shí),電路呈純阻特性, i電流與U電壓同相位。因此,換能器兩端的電壓與流過(guò)換能器的電流,他們之間的相位差正負、大小,代表激勵信號的頻率與振動(dòng)系統固有頻率之間的關(guān)系。所以,若把電壓、電流相位差信號取出,作為激勵振動(dòng)系統諧振頻率變化的控制信號,達到頻率跟蹤的目的。這就是鎖相式頻率跟蹤的基本原理。


圖l-33 串聯(lián)諧頻附近的相頻特性

(3) 鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤電路框圖



鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統實(shí)用電路框圖如圖。圖中由相位比較器、電壓比較器、低通濾波器、壓控振蕩器、激勵放大器,功率放大器、電流取樣及電壓取樣等組成。這是一個(gè)閉環(huán)系統。但由于壓控振蕩器本身可以單獨工作。所以,本系統的開(kāi)環(huán)亦能工作。開(kāi)環(huán)時(shí)類(lèi)似于他激式超聲波發(fā)生器。這與自激式振蕩器不一樣。本系統利用了末級換能器上的電壓和電流之間的相位差,經(jīng)相位比較后,獲得相位誤差信號,再經(jīng)低通濾波之后,去控制壓控振蕩器的輸出信號的頻率。使之保持與振動(dòng)系統機械諧振頻率一致。
盡管頻率與相位之間有依存變換關(guān)系,但兩者構成的反饋系統,從控制結果看,是不相同的。頻率反饋結果,會(huì )導致使輸入與輸出信號之間的頻率差盡可能小,而相位反饋結果使兩信號之間相位差盡可能小。根據頻率與相位所構成的微分——積分關(guān)系,相位反饋系統最終導致兩信號頻率差為零。
鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統的鎖相環(huán)路有專(zhuān)用集成電路,例如CD4046等。這里不再作詳細介紹,請參考有關(guān)集成電路數據手冊及鎖相環(huán)原理書(shū)籍。
最后,我們總結一下。鎖相式頻率自動(dòng)跟蹤系統具有如下特點(diǎn);
(1)由于鎖相環(huán)是一個(gè)極好的帶通濾波器,因此,不會(huì )產(chǎn)生系統誤跟到非諧振的其它頻率之
上;
(2)頻率自動(dòng)跟蹤系統的控制信號與取樣的電壓、電波波形之好壞,關(guān)系并不大;
(3)輸出功率相對較穩定。不會(huì )因為負載的變化而發(fā)生顯著(zhù)變化,
(4)由于控制系統工作在小信號狀態(tài)下,所以能長(cháng)時(shí)間連續地工作。

 

常州密鐳超聲波設備有限公司

地址: 江蘇省常州市戚墅堰區梅港東路B1號

Tel: +86-519-8506 5776

Fax: +86-519-8506 5778

Mail: ran@mirror-ultrasonic.com.cn

Website: www.mirror-ultrasonic.net

Infuse into world-class quality for “Made in China”!


首頁(yè) 電話(huà)咨詢(xún) 產(chǎn)品展示