一種清洗用超聲波發(fā)生器的設(shè)計

楊曉林，孟德川，鄧玉福，左浩杉，于桂英

（1.沈陽師范大學 物理科學與技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省射線儀器儀表專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110034；3.沈陽師范大學 實驗教學中心，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

20 世紀50 年代，超聲波清洗技術(shù)開始迅速發(fā)展。超聲波清洗的原理是利用超聲波在液體中的空化作用、直進流作用以及加速作用，對清洗液以及污物進行作用從而達到清洗目的[1]。對比傳統(tǒng)的清洗方式，超聲波清洗具有清洗速度快、清潔度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)[2]。針對不同的工業(yè)生產(chǎn)，需要使用不同種類的換能器，而目前的超聲波發(fā)生器由于逆變電路、高頻變壓器設(shè)計的局限性，大部分無法匹配多種換能器。為了解決這個問題，本文設(shè)計一種頻率可調(diào)、可通過更換匹配網(wǎng)絡(luò)來使大部分換能器正常工作的超聲波發(fā)生器。

1 超聲波發(fā)生器原理

超聲波發(fā)生器的整體框架如圖1 所示，其主要包括供電電源、逆變電路、高頻變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)以及超聲波換能器5 個部分[3]。供電電源提供直流電輸入到逆變電路，經(jīng)過逆變電路、高頻變壓器升壓，最終產(chǎn)生高頻高壓電信號，并經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)傳遞到超聲波能器兩端。超聲波換能器將電信號轉(zhuǎn)化為機械能，從而得到超聲波[4]。

圖1 超聲波發(fā)生器整體框圖

2 主電路設(shè)計

2.1 逆變電路設(shè)計

常見的逆變電路有半橋式、全橋式以及單端式[5]。半橋式逆變電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、電壓平穩(wěn)，但是電源利用率低，不適用于工作電壓較低的場合[6]。全橋式逆變電路使用的開關(guān)管數(shù)量較多，且要求開關(guān)管的一致性較好，驅(qū)動電路復雜，難以實現(xiàn)同步，在小功率場合下使用效果不佳。單端反激式逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡單、對元件的要求較低、可適用功率范圍廣等優(yōu)點，故本文設(shè)計的逆變電路采用單端反激式逆變電路，并采用TL494 芯片作為觸發(fā)脈沖控制開關(guān)管，其原理如圖2 所示。當開關(guān)管Q 導通時，變壓器T 初級線圈電流上升，存儲能量，次級線圈上端極性為負，下端極性為正，二極管D 反向截止，負載由輸出電容提供能量。當開關(guān)管截止時，變壓器原邊線圈極性對調(diào)，此時輸出二極管導通，變壓器中的能量經(jīng)由二極管D 輸出，同時對電容C1 充電，彌補剛剛損失的能量[7]。

圖2 單端反激式逆變電路示意圖

2.2 高頻變壓器設(shè)計

高頻變壓器是超聲波發(fā)生器的重要組成部件，在電路中起到隔離以及升壓作用。其工作原理是：電能在初級線圈中通過互感現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為磁能，之后傳遞到次級線圈并在此轉(zhuǎn)化為電能[8]。高頻變壓器的工作頻率一般很高，所以對磁芯的材料有一定的要求，要考慮磁通效應(yīng)瞬態(tài)飽、磁芯能量消耗以及漏感漏磁等問題[9]。本文選用了性價比較高、易于加工、溫度特性穩(wěn)定的錳鋅鐵氧體材料作為高頻變壓器的磁芯，初級線圈與次級線圈匝數(shù)比為10 ∶40。

3 匹配電路設(shè)計

超聲波換能器作為超聲波儀器的負載，可以完成交流電信號到機械能的轉(zhuǎn)換，是影響超聲波儀器能否正常工作的重要部分。要想使超聲波儀器有更好的工作效率，換能器的匹配網(wǎng)絡(luò)分析至關(guān)重要。一個好的匹配網(wǎng)絡(luò)可以使換能器處于諧振狀態(tài)，從而得到最高的輸出頻率。

3.1 換能器等效電路

壓電陶瓷式超聲波換能器的等效電路如圖3 所示。圖3 中，C0為超聲波換能器的靜態(tài)電容，可在遠低于諧振頻率的情況下直接通過測量獲得其容值；R0是壓電陶瓷片內(nèi)的介質(zhì)電損耗，一般認為其數(shù)值無窮大故而可忽略其影響；Rm為動態(tài)電阻，Lm為動態(tài)電感，Cm為動態(tài)電容，可以在超聲波換能器諧振工作時通過阻抗分析儀測量這3 個物理量。

圖3 超聲換能器等效電路

3.2 L-C 匹配網(wǎng)絡(luò)

通常，一般使用的換能器在正常工作時對外電路會呈現(xiàn)容性的負載特性。如果將換能器與超聲波發(fā)生器直接連接，則不會獲得最大的功率?；诩冸娮桦娐饭β首畲螅枰趽Q能器和超聲波發(fā)生器之間加入一個匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過其補償作用將容性負載等效為純阻性的負載。本文選用的匹配網(wǎng)絡(luò)為L-C 匹配網(wǎng)絡(luò)，其等效電路圖如圖4 所示。

圖4 L-C 匹配等效電路圖

電路中，等效阻抗的大小為：

此時等效阻抗為：

3.3 實驗參數(shù)

本文選用28 kHz 以及40 kHz 兩種超聲波清洗用換能器進行試驗，用電容表測量靜態(tài)電容，用阻抗分析儀測量3 個動態(tài)參數(shù)后，得到各具體參數(shù)如表1 所示。

表1 超聲波換能器參數(shù)

設(shè)置并聯(lián)電容參數(shù)為15 nf 以及20 nf，由式（2）可以推導出匹配電容以及匹配電感的值如表2所示。

表2 匹配網(wǎng)絡(luò)理論值

4 仿真實驗

4.1 建立仿真電路

前文已經(jīng)詳細地介紹了主電路的逆變拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)主電路原理圖，建立如圖5 所示的仿真模型。

圖5 超聲波發(fā)生器電路仿真

模型采用了多個Scope（仿真示波器），可以方便地測量電路中各個點的波形；可以更為直觀地觀察各個時刻電源的輸入、輸出工作情況。仿真電路的觸發(fā)脈沖波形如圖6 所示。

圖6 觸發(fā)脈沖仿真波形

4.2 電路仿真實驗

4.2.1 28 kHz 超聲波清洗仿真

電源供電設(shè)置為60 V 直流電輸入，設(shè)置方波發(fā)生器頻率為28 kHz，占空比30%，匹配電感11.3 μH，匹配電容15 nf，靜態(tài)電容3.1 nf，動態(tài)電容0.331 nf，動態(tài)電感194 mH，動態(tài)電阻25 Ω，高頻變壓器匝數(shù)比10 ∶40，啟動電路。scope2 顯示為換能器輸出電流波形，scope3 為換能器兩端的電壓波形，分別如圖7、圖8 所示。

圖7 28 kHz 換能器電流輸出仿真波形

圖8 28 kHz 換能器電壓輸出仿真波形

4.2.2 40 kHz 超聲波清洗仿真

電源供電設(shè)置為60 V 直流電輸入，設(shè)置方波發(fā)生器頻率為40 kHz，占空比30%，匹配電感9.25 μH，匹配電容20 nf，靜態(tài)電容3.8 nf，動態(tài)電容4.46 nf，動態(tài)電感140.3 mH，動態(tài)電阻20 Ω，高頻變壓器匝數(shù)比10∶40，啟動電路。scope2 顯示為換能器輸出電流波形，scope3 為換能器兩端的電壓波形，分別如圖9、圖10 所示。

圖9 40 kHz 換能器電流輸出仿真波形

圖10 40 kHz 換能器電壓輸出仿真波形

由仿真波形可以看出，經(jīng)過L-C 匹配電路后，兩組超聲波換能器兩端的電流、電壓波形均為標準的正弦波形，證明超聲波換能器可處于諧振工作狀態(tài)，超聲波發(fā)生器匹配成功。

5 實驗測試及分析

5.1 28 kHz 超聲波換能器測試

當匹配電容為15 nf，匹配電感為11.312 μH，高頻變壓器匝數(shù)比為10：40 時，超聲波換能器兩端的電壓波形如圖11 所示。

圖11 28 kHz 換能器兩端電壓波形

5.2 40 kHz 超聲波換能器測試

當匹配電容為20 nf，匹配電感為9.52μH，高頻變壓器匝數(shù)比為10∶40 時，超聲波換能器兩端的電壓波形如圖12 所示。

圖12 40 kHz 換能器兩端電壓波形

通過實驗測得換能器兩端波形均為正弦波，輸出穩(wěn)定，換能器處于諧振狀態(tài)。超聲波發(fā)生器與超聲波換能器匹配效果良好。

6 結(jié)語

針對超聲波清洗方面的需求，本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、泛用性廣的超聲波發(fā)生器。其采用單端反激逆變電路以及L-C 型匹配網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整逆變電路輸出頻率和更改匹配網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)值，可以完美匹配大部分超聲波換能器。采用40 kHz 以及28 kHz 兩款不同的超聲波換能器進行試驗，均可與超聲波發(fā)生器完成匹配。