大功率超聲波電源的研究

超聲波電源的基本知識(shí)

超聲波電源也叫超聲波發(fā)生器或者超聲波發(fā)生源，它的主要作用是把我們的市電（220V或380V，50或60Hz）轉(zhuǎn)換成與

超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號(hào)。隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)清洗、焊接、打孔、拋光、均質(zhì)等領(lǐng)域。

超聲波電源原理

首先由超聲波電源來產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是正弦信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，這個(gè)特定頻率就是超聲波換能器的頻率，一般在超聲波設(shè)備中使用到的超聲波頻率為25KHz、28KHz、35KHz、40KHz；1OOKHz，100KHZ以上的頻率尚未大量使用，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信使用面會(huì)逐步擴(kuò)大．比較完善的超聲波電源還應(yīng)有反饋環(huán)節(jié)，主要提供二個(gè)方面的反饋信號(hào)：

第一個(gè)是提供輸出功率信號(hào)，我們知道當(dāng)超聲波電源的電壓發(fā)生變化時(shí)．超聲波電源的輸出功率也會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)反映在超聲波換能器上就是機(jī)械振動(dòng)忽大忽小，導(dǎo)致清洗效果不穩(wěn)定．因此需要穩(wěn)定輸出功率，通過功率反饋信號(hào)相應(yīng)調(diào)整功率放大器，使得功率放大穩(wěn)定.第二個(gè)是提供頻率跟蹤信號(hào)．當(dāng)超聲波換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)其效率最高，工作最穩(wěn)定，而超聲波換能器的諧振頻率點(diǎn)會(huì)由于裝配原因和工作老化后改變，當(dāng)然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號(hào)可以控制信號(hào)超聲波電源，使信號(hào)超聲波電源的頻率在一定范圍內(nèi)跟蹤超聲波換能器的諧振頻率點(diǎn)．讓超聲波電源工作在最佳狀態(tài)。

超聲波電源分類

超聲波電源按設(shè)計(jì)分自激方式電源和他激方式電源。自激電路沒有信號(hào)源，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(jī)械共振頻率上。一般應(yīng)用于超聲波換能器數(shù)量少的小型設(shè)備；但是對(duì)于超聲波換能器數(shù)量多的情況下，無(wú)法調(diào)試達(dá)到共振效果。所以目前工業(yè)用超聲波洗凈設(shè)備的超聲波電源大都采用他激方式。

他激式電源結(jié)構(gòu)上主要包括兩部分，前級(jí)是振蕩器，后級(jí)是放大器。一般通過輸出變壓器耦合，把超聲能量加到換能器上。他激方式的電路由兩部分組成，既信號(hào)源部分和信號(hào)放大部分。

信號(hào)源部分采用CPU為核心的信號(hào)發(fā)生和控制部分，一般都采用12-15V電壓驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生方波信號(hào)供給信號(hào)放大電路;超聲波電源的定時(shí)控制、調(diào)節(jié)等外加功能都可以通過控制信號(hào)源的信號(hào)輸出方式完成，采用低電壓控制，安全可靠性會(huì)肯定高。

信號(hào)放大部分是將信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)放大后輸出給超聲波換能器。不同電路的超聲波電源，其輸出電路、電壓的不同是導(dǎo)致傳播效率高低的重要原因。輸出電壓低，發(fā)生器消耗電能自然就大，同時(shí)振子還容易發(fā)熱，產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)。適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電路，增大輸出給超聲波換能器的電壓可能會(huì)取得很好的效果。

此外，如果按末級(jí)功放管所采用的器件類型分，又可分四種：電子管式超聲波電源；可控硅逆變式超聲波電源；晶體管式超聲波電源及功率模塊超聲波電源。電子管式與可控硅逆變式目前基本已淘汰，當(dāng)前廣泛使用的是晶體管式電源。這方面我們就不作具體介紹了。

超聲波電源與超聲波換能器匹配問題在實(shí)際應(yīng)用中，如何讓超聲波電源與換能器功率更匹配呢？主要從以下兩個(gè)方面去考慮：

首先，是通過匹配使電源向換能器輸出額定的電功率，這是由于電源需要一個(gè)最佳的負(fù)載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負(fù)載，也即阻抗變換作用。

其次，通過匹配使超聲波電源輸出效率最高，這是由于超聲波換能器有靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出，使電源輸出效率降低，因此在電源輸出端并上或串上一個(gè)相反的抗，使電源負(fù)載為純電阻，也即調(diào)諧作用。由此可見與超聲波換能器匹配的好壞直接影響著超聲波電源的效率。