超聲波發(fā)生器電路原理和設計

    超聲波技術在工業(yè)領域有著廣泛的應用，其核心部件超聲波發(fā)生器即超聲波電源技術也發(fā)展了幾代。從最初的電子管振蕩線路——半導體電子振蕩器——到目前的智能型數字電路超聲波發(fā)生器，超聲波振蕩線路越來越先進可靠和智能化，恒波系列超聲波發(fā)生器具有自動頻率跟蹤功能，能夠自動適應超聲波模具（焊頭）的頻率，無需調頻，長時間工作頻率也不會偏移，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用。

　 本文以HB超聲波清洗機為例，在不銹鋼清洗槽的底部粘接有一個或多個壓電陶瓷元件構成的振子。當用超聲波振蕩電源給振子加上一定頻率的交流電壓時。振子就將電能轉化為機械振動。通過清洗槽底傳遞給清洗液。達到清洗的目的。但超聲波振子在有負載和無負載時。其參數有較大差異。右圖是一個諧振頻率為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)定的負載。用阻抗測定儀（HP一4194A）測定出等效電路參數?？梢姴町愝^大。若把超聲波振子作為反饋回路的元件，當其環(huán)境（溫度‘負載、液位、工件、驅動電壓等）變化或自身參數因日久發(fā)生變化時，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。

　 基于此設計制作了這款適應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。●恒流控制的可變開關電源。
輸出電壓范圍0-250V。
●最大輸出功率300W。
●負載短路及過流保護由于具有PLL電路和恒流控制電路的兩個閉環(huán)控制配合作用。
　　因此可以同時自動控制諧振頻率的跟蹤和振子的振動強度。鎖定超聲波振子的頻率。保證功率的穩(wěn)定輸出。本設計自成系統(tǒng)。與清洗槽及振子分開。
　　形成獨立的超聲波電源，因此可以方便靈活地與不同的超聲波設備配合使用。另外。本系統(tǒng)也可作為超聲波設備的檢修電源使用。


　 試用情況將制作好的系統(tǒng)分別試用于兩臺超聲波清洗機清洗槽（含振子）。一臺是1998年產180W、頻率35kHz、三振子、振蕩很弱的國產機。另一臺是2000年產、240W、頻率40kHz、三振子、時振時不振的國產機。試用效果令人鼓舞。分別調整頻率、輸出變壓器抽頭、電流，可以順和J起振并調整出最大振幅。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：工作半小時后四個大功率場效應管的叉指型散熱器溫度僅45℃。試用時的測定值見附表。

事實說明，只要頻率和功率在本系統(tǒng)容許范圍內的超聲波振子，都可以用本系統(tǒng)驅動。

電路原理：整個電路由PLL振蕩電路、絕緣型柵極驅動電路、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）、保護電路（略）組成。其結構見左圖。頻率控制、半橋輸出及匹配電路等見下圖。振子標稱頻率(KHz)實測諧振頻率(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的電壓和電流的桐位差幾乎為零的特點。來進行頻率的自動控制。鎖相環(huán)（PLL）頻表1表2I振子標稱頻率（KHz）I實測諧振頻率（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的兩個運放構成限幅放大器。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IC2構成的施密特觸發(fā)器轉換成CMOS電平，供IC3鑒相。其結果經由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由開關穩(wěn)壓器IC6（MC34025P）內部電路提供?？梢垣@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內部振蕩器的頻率由其內部充放電的Ct、Rt決定，這里將Rt端的外接電阻用運放IC5a和三極管V1取代。構成恒流電路控制流過Rt端的電流，達到頻率的自動追蹤。在有負載的情況下。當振蕩頻率低于振子諧振頻率時。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，使下級誤差放大器輸出負電位，VCO振蕩頻率上升：當振蕩頻率高于振子諧振頻率時。匹配電路的阻抗呈感性。電流相位滯后，鑒相器輸出負脈沖。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18kHz-60KHz；W2作中心頻率F0（即振子諧振頻率）的調整。W3作頻率微調。


匹配電路

　　由于超聲波振于是容性負載?？赡墚a生尖峰電流損壞輸出元件。需要加入電感元件L（L1）：且振子在負載變化時其諧振阻抗世將變化。會影響到諧振時的等效串聯電阻值：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稱方波，但如果占空比不是準確的1：1時。就會產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比與振子阻抗匹配良好，輸出變壓器次級設計了抽頭。為了自動跟蹤諧振頻率，在輸出變壓器次級用33kn電阻降壓，二極管D16一D19限幅取出電壓信號E；用電流互感器TA1200：1，1V/1A）取出電流信號，反饋到PLL電路控制振蕩頻率。同時電流I還反饋到可變電源的輸入端作恒流控制。　確定匹配電路參數

首先要確定匹配電路的鼎質因數Q1.考慮到是用PLL，電路來控制頻率。Q1可以稍低一些，根據經驗數據假設Ql=5。由于振子在諧振狀態(tài)時可等效為CR并聯電路，將其作右圖那樣的等效串聯變換。

便于計算匹配電路的元件參數。以前而測量過的振子為例，首先計算CR并聯電路的品質因數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動時其諧振頻率會略有下降。因此應對L、C1的計算值進行修正；而且將電容值選擇為標稱值便于制作。經更換不同的電感試驗?！≡趯嶋H電路中選擇C19=6800pF、L1=3mH.實際使用證明可行。

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下圖.其中IC4b及IC7-IC1O構成振子恒流控制電路，將振子電流的反饋信號與輸出電流設定信號作比較?！∑湔`差經放大后送入脈寬調制（PWM）控制IC（IC1O）。挖制PWM的輸出。

由W5作輸出電流設定（0一+5V）。經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I送人IC4h放大。再經IC9作全波整流后送入誤差放大器與設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。因比該級在直流范圍下作于開環(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電壓的鉗位。誤差放大器的輸出經IC8a反相后送入IC10的反饋端FB。IC8b把IC10的基準電壓Vref反相并作1/2變換，將IC8a的輸出電壓偏置為+2.5V。當負載電流小于設定值時，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。連接在占空時間端子DT的電阻用來設定最大占空比（設定為95％）：在IC1O的DT和Vref端子間接入電容C25以實現軟啟動功能IC1O的振蕩頻率由Ct、Rt端的阻、容決定。圖示參數的頻率約50kHz。PWM的輸出經光電耦合器IC11隔離后作為可變電壓源的輸入。利用其占空比的變化來控制輸出電壓的高低。

可變電壓源主要由專用驅動集成電路IR2111（IC12）和MOSFET管V10、V11組成半橋輸出電路。IR2111內藏驅動級，用以驅動半橋輸出電路的高位和低位MOSFET，控制300V直流電壓的開、關。當LR2111的輸入為低電平郵，其高位輸出（（7）、（6）腳問）為OV，低位輸出，（（4）、（3）腳間）為12V.敞低位的V11導通。會造成電容C34瞬時放電。損壞V11，故在V11的源極串入限流電阻R77。

負載短路保護電路半橋輸出電路的輸出阻抗很低。一旦負載短路將通過很大電流。損壞MOSFET及其他元件。故本電路設計了保護電路。　方法是用電流互感器取出振子電流信號并整流。同時取出PWM控制電壓作為保護電路的輸入信號。分別經比較器、RS觸發(fā)器等控制繼電器的通斷，達到保護的目的。電路圖中的繼電器觸點J1、J2即用于此目的，在超聲波振蕩器正常工作時處于斷開狀態(tài)。

低壓電源電路中的正負5V、正負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 電源需單獨供電，不能與其他低壓電源有任何連接。

通過本系統(tǒng)的設計、樣機的制作及試用。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。實現了寬范圍的頻率跟蹤控制和穩(wěn)定的輸出功率；同時選用了集成運放、專用集成電路、大功率MOSFET開關管等。提高了電路的可靠性，是一款值得推廣的超聲波電源?！∪粢m當增大輸出功率，可以在半僑輸出電路中并聯相同的MOSFET開關管。