全自动超声波清洗机发生器设计

一、超声波发生器的选择

超声波发生器也称作超声电源,它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。按照所采用的工作原理,可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡一放大型和逆变型两种。本设计采用振荡一放大型超声波发生器,其结构框图如图2所示。它是一个带有振荡电路的放大器,由振荡、放大、匹配电路和电源组成。振荡器产生一定频率的信号,放大器将其放大到一定的功率输出。达到最佳负载值,通过输出变压器进行阻抗匹配,并通过功放输出。

振荡条件:从结构上看,正弦波振荡器就是一个没有输入信号的、带选频网络的正反馈放大器。图3表示接正反馈时放大器在输入信号=0时的方框图,简化下得图4。由图4可知,如果在放大器输入端1外接一定频率,一定幅度的正弦波信号Xa,经过基本放大器和反馈网络所构成的环路输出后,在反馈网络的输出端2得到反馈信号Xf与Xa在大小和相位上都一致,则可以除去外接信号Xa,将1、2两端连接在一起(如图中虚线所示)而形成闭环系统,其输出端可继续维持与开环时一样的输入信号,即=。

=AF=1           振幅平衡条件

+ =2n      n=0,1,2,3……  相位平衡条件

这两个式子是正弦波振荡器产生持续振荡的两个必要条件。振荡器的振荡频率0是由相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡器只在某一个频率下满足相位平衡条件,这个频率就是f0,这就是要求在环路中包含一个具有选频特性的网络。它可以设置在放大器A中,也可以设置在反馈网络F中,它可以用R、C元件组成,也可以用L、C元件组成。欲使振荡器能自行建立振荡,就必须满足>1的条件。这样在接通电源后,振荡器就可以自行起振,最后趋于稳态平衡。

由于频率选为20k由上公式得RC=0.5958×,振荡器输出方波的占空比是换能器产生的超声波强度的决定因素。通过给TL494的4脚加以一定的直流电压就可实现占空比调整。定时元件由电容C、电阻R1和电位器R2构成,调节电位器R2即可实现频率的调整。本机供电电源为12V,采用的是推挽工作方式。电阻R3(10kQ)和电位器R4(10kQ)构成分压电路,死区时间控制端的电位应界于2.5~5V之间。调节电位器R4亦可实现超声波的强度调节。

三、超声波放大器设计

1.超声波放大器的选择:超声波放大器的作用是将振荡信号放大至所需电平。放大部分可以是单级的,也可以是多级的,主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器使用电子管做放大器件,现在则普遍采用晶体管(三极管、场效应管和IBGT器件)。近年来越来越多的厂家采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。目前工业上广泛使用的超声波发生器基本上被晶体管电路垄断。

与电子管发生器相比,晶体管发生器的优点在于体积小、重量轻、效率高。但从另一方面讲由于受到方向击穿电压、最大集电极电流、最大集电极耗散功率参数的限制,通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。要提高晶体管发生器的输出能力,除了有赖于高性能器件外,还必须采用高效率的电路。传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件作为电流源工作。在这些放大器中,晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化。

2.低压驱动电路:本机采用高压小电流功放电路,由两只三极管和耦合变压器构成,见图6。为了避免两只功放管同时导通,导致内部功耗增加,两管的导通时间必须错开,使它们在交替工作时有一段同时截止的时间。为此,三极管P1和P2对振荡器的输出作反相处理,三极管选用PNP型的8550。低压驱动电路所用的电源是直流12V,而功放电路的电源是交流220V,在三极管后加入一个耦合变压器,完成高低压隔离的任务。

四、高频驱动和匹配电路

超声发生器与一般放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换,而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外,还有一项很重要的内容—调谐,即选用一定值的阻抗元件,使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后,整个系统才算是达到了匹配,换能器才能正常工作。

全自动超声波清洗机中的匹配电路是将发生器输出的电能送往换能器的通道。匹配电路虽然结构简单(通常只有一个匹配电感),却具有重要作用。相同型号的清洗机,匹配调得好的清洗效果好;匹配调得差的则清洗效果差。对同一台机器而言,如果工作一段时间后清洗效果变差,或者换能器经过更换,都需要重新调整匹配。与一般电子设备的匹配有所不同,全自动超声波清洗机的匹配除了要解决变阻问题(即变换负载的阻值,使之与发生器的最佳负载值相等)外,还要解决调谐问题,即用匹配电感的感抗抵消换能器的容抗,使换能器呈纯阻性。技术人员通常是根据各自的经验进行匹配。例如,有人在改变清洗槽水位时观察电流的变化,如果电流变化处于一定范围之内,同时管子不发热,空化声强,便认为匹配已调好。也有人让机器空载时稍,微呈电感性,而在加载后转变为纯阻状态。这些经验都是适用的。但在已有经验的基础上,再掌握匹配的原理,就可以在匹配时有的放矢,更加主动,从而收到事半功倍的效果。

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