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几款大功率超声波发生器的电路设计及原理图解

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发表时间:2019-03-07 19:32

  超声波发生器,是一种将市电转换为换能器相应的高频交流电以驱动换能器进行工作的设备,是大功率超声波系统的一重要构成部分,也可将其称为电子箱、超声波驱动电源、超声波控制器。虽说大功率超声波发生器也可将其称为超声波驱动电源,但实际上,超声波发生器只是超声波驱动电源的一部分。超声波电源按激励方式的不同可分为自激式和它激式,而超声波发生器指的就是它激式超声波电源,由于它激式振荡电路在输出功率方面较自激式高出10%以上,因此目前大多数均采用的超声波发生器作为驱动电源。

大功率超声波发生器

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

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超声波发生器的输入是一个固定频率的信号,该信号波形不定,可正弦、可脉冲,但其频率固定为换能器的频率,一般为20、25、28、33、40、60KHz等。经由超声波发生器的内部转换,其输出为功率信号、频率跟踪信号等。

由于随输入信号的变化,输出信号呈现出不稳定的状态,因此在部分超声波发生器内部还含有反馈部分,其反馈作用主要体现在两个方面:

一方面,输入信号的变化导致输出功率的不稳定,使得换能器机械振动不规律,造成清洗效果不佳等后果,加入反馈部分后,功率反馈信号对输出功率进行调节,使得其不随输入信号的变化而变化,呈现出稳定的状态,换能器进行规律的机械振动使得清洗效果变好。

另一方面,换能器频率处于谐振频率点时效率最高,但在实际情况中,由于各种原因无法使得其始终工作在最佳状态下,因此反馈部分发挥其作用,提供频率跟踪信号,控制信号发生器发出的信号始终在换能器的谐振点处,使其一直工作于最佳状态下。

图1是系统电路原理框图,它由电网滤波器、工频整流及滤波、高频逆变、高频变压器、超声换能器以及PWM电路组成。

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

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主电路原理如图2所示。高频逆变器中的功率开关管采用目前国际上最先进的电力电子器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管。它是将MOSFET和GTR的优点集于一体的新型复台器件,具有MOSFET的高输入阻抗,GTR的低通态功耗的特点。

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

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来自电网的220V50HZ的电压经电网滤波器C1、C2、L1L2、可控硅半控全桥整流D1~D4、p型滤波后得到0~220V连续可调的直流电压U1,该直流电压加到半桥式的逆变器上,功率开关管T1和T2在一对互差180’的方波脉冲触发下轮流导通和截止,将直流电压变换成交变的高频方波电压,经高频变压器B(采用铁基非晶高颡磁性材料)变换后输出U3加到超声换能器上,根据超声换能器的谐振频率和阻抗,选择变压器的变比和U2的大小,U2的大小还可以通过调节整流可控硅导通角予以调节。

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

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这个基本的超声波发生器既容易做,又不费时。只需一个NE555,用来驱动扬声器。频率范围是12-50kHz。SPKRI是一个压电高频扬声器。

为了遥控幻灯投影机常需要有4个不同频率的通道信号,即“前进”、“后退”、“向前聚焦”和“向后聚焦”,此时可采用如图所示发送器电路。其中由晶体管T1构成振荡电路,在电感L1保持不变时通过接入不同电容产生四种不同频率的信号。图中“V”表示前进,“S”表示后退,S+和S-分别表示向前和向后聚焦。

电感量:L1 5~3=35mH,L1 3~6=79uH L2 5~6=5.1mH,L2 6~4=480uH。匝数:n1 5~3=1150匝,0.06mm铜漆包线;n1 5~6=55匝,0.06mm铜漆包线;n2 5~6=440匝,0.1mm铜漆包线;n2 6~4=140匝,0.1mm铜漆包线。

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

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超声波电源系统主要由220V电源、整流滤波、高频逆变单元、匹配网络、检测电路、PWM产生电路和驱动电路组成,如图1所示。

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

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220V单相交流电经过二极管不可控整流电路得到直流电压,然后经过由MOSFET组成的高频逆变电路得到满足换能器要求的高频电压。为减少高频工作条件下MOSFET的开关损耗,高频逆变电路采用带辅助网络的全桥结构,如图2所示。此电路结构解决了传统零电压开关(ZVS)PWM电路变压器漏感小且滞后桥臂难于实现ZVS的问题。同时,根据电流增强原理,此电路结构可在任意负载和输入电压范围内实现零电压开关,大大减少了占空比丢失。超声波电源与换能器匹配的好坏将决定整个电路的控制效果。因此,应该对匹配网络每个参量(高频变压器匝比K,输出匹配电感Lf)进行严格的计算。匹配主要指为使发生器输出额定电功率,进行阻抗变换匹配。以及为使发生器输出最高效率进行调谐匹配。

大功率超声波发生器电路图大全(四款大功率超声波发生器电路设计原理图详解)

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采用56F803型DSP作为控制电路的核心处理器.它内置2 KB SRAM,31.5 KB FLASH,同时,其40 MHz的CPU时钟频率比其他单片机具有更强的处理能力。6路PWM信号可以实现高频逆变电路开关管MOSFET的移相控制。12位A/D转换器采集可以实现电压和电流采样并满足采样数据精度的要求。利用56F803型DSP中定时器的捕获功能可以精确计算相位差大小,实现系统的频率跟踪控制。串行外设接口SPI与MCl4489配合使用可以实现对5位半数码管的控制.从而实现系统频率和功率的显示。另外,56F803还支持C语言与汇编语言混合编程的SDK软件开发包.可以实现在线调试。


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