超聲波發(fā)生器與換能器匹配設(shè)計陳思忠

1、超聲波發(fā)生器與換能器的般配設(shè)計選自近代超聲原理與應(yīng)用袁易全主編作者:陳思忠、般配概括超聲波發(fā)生器與換能器般配包含兩個方面，一是經(jīng)過般配使發(fā)生器向換能器輸出額定的電功率，這是因為發(fā)生器需要一個最正確的負(fù)載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最正確負(fù)載，也即阻抗變換作用；二是經(jīng)過般配使發(fā)生器輸出效率最高，這是因為換能器有靜電抗的原由，造成工作頻次上的輸出電壓和電流有必定相位差，進(jìn)而使輸出功率得不到希望的最大輸出，使發(fā)生器輸出效率降低，所以在發(fā)生器輸出端并上或串上一個相反的抗，使發(fā)生器負(fù)載為純電阻，也即調(diào)諧作用。因而可知般配的利害直接影響著功率超聲源的產(chǎn)生和效率。:、阻抗般配為了使功率放大器輸

2、出額定功率最大；在電源電壓給定條件下主要取決于負(fù)載阻抗。一般在D類開關(guān)型功放中其發(fā)生器變壓器初級等效負(fù)載Rl上的輸出功率表達(dá)式為：&I*Am1Q7；ty式中VAm式中VAm為了#負(fù)孑上的基囪田度;為功放管飽和壓降，故為了保證系統(tǒng)有必定功率余量（因輸出變壓器，末級般配回路及晶體管消耗電阻都有消耗，Po需要乘上一個約等于1415的系數(shù)。即輸出功率Po為15Po；從上式可知，在電源電壓給定以后，輸出功率的大小取決于等效負(fù)載R。當(dāng)前大部分功率超聲發(fā)生器的負(fù)載為壓電型換能器，其阻抗約為L幾十歐姆至幾百歐姆間，為了要達(dá)到要求的額定功率，所以需要對調(diào)能器負(fù)載R進(jìn)行阻抗變換。由高阻抗變換為低阻抗。一般常用的方

3、法，經(jīng)過輸L出變壓器的首次級線圈的匝數(shù)比進(jìn)行變換。變壓器次初級匝數(shù)比為n/m，則輸出功率P時的初級電阻O舉例：要求一發(fā)生器輸出在換能器上的功率為V為220V,V=1V，功率應(yīng)留有必定余量，則CCCES變壓器初級的1000W，設(shè)直流電P=1500W。則00山2(%2卩2(2201)21000W，設(shè)直流電P=1500W。則006.5Q若換能器諧振時等效電阻RL=200Q,則輸出變壓器次級/初級圈數(shù)比以上稱呼阻抗變換，是經(jīng)過輸出變壓器推行的。輸出變壓器是超聲波發(fā)生器阻抗般配、傳輸功率的重要零件，它的設(shè)計與繞制工藝對發(fā)生器的工作安全部是十分重要的。它不單會以漏感、勵磁電流等方式影響電路的工作，其漏感仍

4、是形成輸出電壓尖峰的主要原由。為此，在設(shè)計時，應(yīng)選用擁有高磁通密度B,高導(dǎo)磁率卩，高電阻率PC和低矯頑力He的高飽和資料作鐵芯。一般在防備高頻變壓器的瞬態(tài)飽和時，在設(shè)計時要注意以下幾點：1工作磁通密度B的選用鐵芯資料的磁感覺增量AB愈大，所需線圈匝數(shù)愈少，直流電阻R也愈小，進(jìn)而線圈的銅損Pm也愈小。AB獲得高時，傳輸?shù)拿}沖前沿就愈陡。所以，在設(shè)計變壓器時，選用高磁通密度的資料作鐵芯，這對降低變壓器的消耗、減小體積和重量都是很有益的。為了防止在穩(wěn)態(tài)或過渡過程中發(fā)生飽和，一般選用工作磁通密度BWBs/3為宜，這里Bs為磁芯的最大和磁通密度。2.要保證初級電感量足夠大一般要求變壓器初級阻抗應(yīng)知足下式

5、關(guān)系：sLl三15R此中甲為次級負(fù)載所算到初級邊的等效電阻值，3L1為初級電感感抗，若初級電感量太小，勵磁電流將比較大，勵磁電流過大，變壓器的消耗將增添，溫升隨之增高，進(jìn)而降低Bs，使變壓器進(jìn)入飽和的可能性增大。3要考慮“集膚效應(yīng)”的影響在高頻工作時，流過導(dǎo)線的電流會產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”。這相當(dāng)于減少了導(dǎo)線有效截面積，增添了導(dǎo)線的電阻，進(jìn)而惹起導(dǎo)線的壓降增大，致使變壓器溫度高升，結(jié)果增大了變壓器進(jìn)入飽和的危險性，建議采納小直徑的多股導(dǎo)線并繞的方法。調(diào)諧般配因為壓電換能器有靜電容Co，磁致伸縮換能器有靜電感2，在換能器諧振狀態(tài)時，換能器上的電壓VrL與電流I間存在著一相位角，其輸出RLRL功率PO=

6、VrlIrlcos。因為的存在，輸出功率達(dá)不到最大值。只有當(dāng)=0時，輸出功率達(dá)最大值。所以為了使換能器上電壓V與電RL流IRL同相(=0),則一定在換能器上，并上或串上一個相抵消的抗。對RL于壓電換能器而言，即并上或串上一個電感Lo即可，而磁致伸縮換能器應(yīng)并上或串上一個電容C。壓電換能器的阻抗或?qū)Ъ{等效電路如圖152所示。在等效電路圖中式中R(f)X(f為串連電阻和電抗;R(f)G(f)式中R(f)X(f為串連電阻和電抗;R(f)G(f),B(f)為并聯(lián)電阻、電導(dǎo)和電納。它們都是頻次的函數(shù)。并聯(lián)調(diào)和諧串連調(diào)諧電感量由下式確立:r_1x(兒)Lwr)wrT_xh/0)下邊我們比較一下兩種調(diào)諧的差

7、別#一MRfrhb(ozxnf1G(f)；圖h52壓電換能器的阻抗1卩，故b=4/4所以g沖邑XlhCH因而可知電感l(wèi)與空隙近似成反比，調(diào)理ig空隙即可調(diào)理l。設(shè)計電感有以下幾個步驟；(1)按coS選鐵芯c式中V為輸出電壓有效值(V)；f為工作頻次(Hz)；B為鐵芯磁感覺強(qiáng)度。一般選MXO-2000E型磁芯許多，匝數(shù)計算以下;V計算磁芯空隙lg仗=今竺X廠確立導(dǎo)線考慮到高次諧波和超聲頻次較高，順計及高頻電流的周邊效應(yīng)和集膚效應(yīng)的要素。當(dāng)f10kHz時由周邊效應(yīng)惹起的溝通電阻R約為其直流電阻Rd的210倍，銅耗p也要比直流銅耗P增大相同倍數(shù)。令增drro大倍數(shù)為k貝ij：Pr二kFro所以，為保持電感線圈的正常升溫，電流密度一定依據(jù)舊規(guī)同意值的1/k-1來選擇。對于集膚效應(yīng)，常用高頻電流的穿透深度B來表示：B=(x/r)i式中，卩為導(dǎo)線磁導(dǎo)率，r為導(dǎo)線電導(dǎo)