超声波发生器电路原理和设计

    超声波技术在工业领域有着广泛的应用，其核心部件超声波发生器即超声波电源技术也发展了几代。从最初的电子管振荡线路——半导体电子振荡器——到目前的智能型数字电路超声波发生器，超声波振荡线路越来越先进可靠和智能化，恒波系列超声波发生器具有自动频率跟踪功能，能够自动适应超声波模具（焊头）的频率，无需调频，长时间工作频率也不会偏移，恒波智能型超声波发生器在塑料焊接、织造布连续焊接、分条、封边、剪切，塑料薄膜的封边等工艺中得到了广泛的应用。

　 本文以HB超声波清洗机为例，在不锈钢清洗槽的底部粘接有一个或多个压电陶瓷元件构成的振子。当用超声波振荡电源给振子加上一定频率的交流电压时。振子就将电能转化为机械振动。通过清洗槽底传递给清洗液。达到清洗的目的。但超声波振子在有负载和无负载时。其参数有较大差异。右图是一个谐振频率为38kHz的振子的等效电路。将此振子的喇叭口前端置于水中，模拟为稳定的负载。用阻抗测定仪（HP一4194A）测定出等效电路参数。可见差异较大。若把超声波振子作为反馈回路的元件，当其环境（温度‘负载、液位、工件、驱动电压等）变化或自身参数因日久发生变化时，就可能破环自激振荡的条件，使振荡不稳定。这是自激振荡电路的缺陷。

　 基于此设计制作了这款适应面较宽的他激式超声波电源系统。其功能如下：
●锁相环（PLL）控制的他激振荡电路。频率18kHz-60kHz可调。●恒流控制的可变开关电源。
输出电压范围0-250V。
●最大输出功率300W。
●负载短路及过流保护由于具有PLL电路和恒流控制电路的两个闭环控制配合作用。
　　因此可以同时自动控制谐振频率的跟踪和振子的振动强度。锁定超声波振子的频率。保证功率的稳定输出。本设计自成系统。与清洗槽及振子分开。
　　形成独立的超声波电源，因此可以方便灵活地与不同的超声波设备配合使用。另外。本系统也可作为超声波设备的检修电源使用。


　 试用情况将制作好的系统分别试用于两台超声波清洗机清洗槽（含振子）。一台是1998年产180W、频率35kHz、三振子、振荡很弱的国产机。另一台是2000年产、240W、频率40kHz、三振子、时振时不振的国产机。试用效果令人鼓舞。分别调整频率、输出变压器抽头、电流，可以顺和J起振并调整出最大振幅。且改变液位及增减被清洗的试管量，看不出振幅变化，电流表的指示值也基本不变，输出功率稳定：工作半小时后四个大功率场效应管的叉指型散热器温度仅45℃。试用时的测定值见附表。

事实说明，只要频率和功率在本系统容许范围内的超声波振子，都可以用本系统驱动。

电路原理：整个电路由PLL振荡电路、绝缘型栅极驱动电路、半桥输出电路、匹配电路、恒流控制的可变电源电路、交流输入滤波整流电路、低压电源（略）、保护电路（略）组成。其结构见左图。频率控制、半桥输出及匹配电路等见下图。振子标称频率(KHz)实测谐振频率(Kl-Iz)交流电压(V)I交流电流(A)180Wl3534-36223l0．95240WI4039.71223l0．82PLL电路频率控制主要是利用超声波振子在谐振时的电压和电流的桐位差几乎为零的特点。来进行频率的自动控制。锁相环（PLL）频表1表2I振子标称频率（KHz）I实测谐振频率（Kl-Iz）I交流电压（V）I交流电流（A）180Wl 35 34-36 223 L 0.95240WI 40 39.71 223 L 0.82率控制电路由IC1一IC6等元件组成。IC1的两个运放构成限幅放大器。分别将从超声波振子取样的电压E和电流I放大L1倍。然后经IC2构成的施密特触发器转换成CMOS电平，供IC3鉴相。其结果经由IC4b作误差放大和环形滤波后。

输入到压控振荡电路（VCO）。误差放大器的反馈回路选用了响应速度快的延迟、超前型环形滤波器。直流增益为10倍（1M/100k）。VCO由开关稳压器IC6（MC34025P）内部电路提供。可以获得宽的频率变化范围，且与后续的半桥输出电路匹配良好。IC6内部振荡器的频率由其内部充放电的Ct、Rt决定，这里将Rt端的外接电阻用运放IC5a和三极管V1取代。构成恒流电路控制流过Rt端的电流，达到频率的自动追踪。在有负载的情况下。当振荡频率低于振子谐振频率时。振子匹配电路的阻抗呈容性。振子电流相位超前干电压，则鉴相电路输出正脉冲，使下级误差放大器输出负电位，VCO振荡频率上升：当振荡频率高于振子谐振频率时。匹配电路的阻抗呈感性。电流相位滞后，鉴相器输出负脉冲。使误差放大器输出正电位，因而振荡频率下降。频率可变范围由IC5a的输入电阻R19（1MΩ）决定，可达18kHz-60KHz；W2作中心频率F0（即振子谐振频率）的调整。W3作频率微调。


匹配电路

　　由于超声波振于是容性负载。可能产生尖峰电流损坏输出元件。需要加入电感元件L（L1）：且振子在负载变化时其谐振阻抗世将变化。会影响到谐振时的等效串联电阻值：故必须在半桥输出电路和超声波振子之间加入匹配电路。

　 虽然半桥输出电路输出的是对称方波，但如果占空比不是准确的1：1时。就会产生直流成分而使输出变心器被直流磁化。故需串人隔直电容器C（C19）。为了使输出变压器匝数比与振子阻抗匹配良好，输出变压器次级设计了抽头。为了自动跟踪谐振频率，在输出变压器次级用33kn电阻降压，二极管D16一D19限幅取出电压信号E；用电流互感器TA1200：1，1V/1A）取出电流信号，反馈到PLL电路控制振荡频率。同时电流I还反馈到可变电源的输入端作恒流控制。　确定匹配电路参数

首先要确定匹配电路的鼎质因数Q1.考虑到是用PLL，电路来控制频率。Q1可以稍低一些，根据经验数据假设Ql=5。由于振子在谐振状态时可等效为CR并联电路，将其作右图那样的等效串联变换。

便于计算匹配电路的元件参数。以前而测量过的振子为例，首先计算CR并联电路的品质因数Qcr值。


Fs=38kHz，Cd=10.66nF， Rm=146ΩQcr≈2πfs Cd Rm=6.28 ×38×10的3次方×10.66×1O的负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的负3次方×8.265=88.105nF谐振必需的合成容量：

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 由于振子用高电压驱动时其谐振频率会略有下降。因此应对L、C1的计算值进行修正；而且将电容值选择为标称值便于制作。经更换不同的电感试验。　在实际电路中选择C19=6800pF、L1=3mH.实际使用证明可行。

恒流可变电压源

给超声波振子提供恒流、可变电压源的电路见下图.其中IC4b及IC7-IC1O构成振子恒流控制电路，将振子电流的反馈信号与输出电流设定信号作比较。　其误差经放大后送入脉宽调制（PWM）控制IC（IC1O）。挖制PWM的输出。

由W5作输出电流设定（0一+5V）。经IC7a反桕（O一5V）后送入误差放大器IC7b；由振予匹配电路中串入的电流互感器TA取出电流反馈信号I送人IC4h放大。再经IC9作全波整流后送入误差放大器与设定电流作比较并放大，由于恒流控制的牺度取决于误差放大器的增益。因比该级在直流范围下作于开环状态，环形滤波器仍采用延迟、超前型，反馈电路中加入一只二极管作负电压的钳位。误差放大器的输出经IC8a反相后送入IC10的反馈端FB。IC8b把IC10的基准电压Vref反相并作1/2变换，将IC8a的输出电压偏置为+2.5V。当负载电流小于设定值时，误差放大器的输出作正向上升，IC8a的输出从+2.5V向+1.5V变化，使PWM输出占空比从0％增大至100％，可变电源电路的输出电压升高。连接在占空时间端子DT的电阻用来设定最大占空比（设定为95％）：在IC1O的DT和Vref端子间接入电容C25以实现软启动功能IC1O的振荡频率由Ct、Rt端的阻、容决定。图示参数的频率约50kHz。PWM的输出经光电耦合器IC11隔离后作为可变电压源的输入。利用其占空比的变化来控制输出电压的高低。

可变电压源主要由专用驱动集成电路IR2111（IC12）和MOSFET管V10、V11组成半桥输出电路。IR2111内藏驱动级，用以驱动半桥输出电路的高位和低位MOSFET，控制300V直流电压的开、关。当LR2111的输入为低电平邮，其高位输出（（7）、（6）脚问）为OV，低位输出，（（4）、（3）脚间）为12V.敞低位的V11导通。会造成电容C34瞬时放电。损坏V11，故在V11的源极串入限流电阻R77。

负载短路保护电路半桥输出电路的输出阻抗很低。一旦负载短路将通过很大电流。损坏MOSFET及其他元件。故本电路设计了保护电路。　方法是用电流互感器取出振子电流信号并整流。同时取出PWM控制电压作为保护电路的输入信号。分别经比较器、RS触发器等控制继电器的通断，达到保护的目的。电路图中的继电器触点J1、J2即用于此目的，在超声波振荡器正常工作时处于断开状态。

低压电源电路中的正负5V、正负12V电源均用小功率变压器降压、整流及三端稳压器提供，电流小于 O.5A，但可变电源中IR2111的12V 电源需单独供电，不能与其他低压电源有任何连接。

通过本系统的设计、样机的制作及试用。证明采用锁桐环频率控制的他激振荡电路，以及恒流控制的可变电源。实现了宽范围的频率跟踪控制和稳定的输出功率；同时选用了集成运放、专用集成电路、大功率MOSFET开关管等。提高了电路的可靠性，是一款值得推广的超声波电源。　若要适当增大输出功率，可以在半侨输出电路中并联相同的MOSFET开关管。