全自動超聲波清洗機發生器設計

一、超聲波發生器的選擇

超聲波發生器也稱作超聲電源，它是一種用以產生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發生器分為模擬電路和數字電路兩大類。模擬電路超聲波發生器又分為振蕩一放大型和逆變型兩種。本設計采用振蕩一放大型超聲波發生器，其結構框圖如圖2所示。它是一個帶有振蕩電路的放大器，由振蕩、放大、匹配電路和電源組成。振蕩器產生一定頻率的信號，放大器將其放大到一定的功率輸出。達到最佳負載值，通過輸出變壓器進行阻抗匹配，并通過功放輸出。

振蕩條件:從結構上看，正弦波振蕩器就是一個沒有輸入信號的、帶選頻網絡的正反饋放大器。圖3表示接正反饋時放大器在輸入信號=0時的方框圖，簡化下得圖4。由圖4可知，如果在放大器輸入端1外接一定頻率，一定幅度的正弦波信號Xa，經過基本放大器和反饋網絡所構成的環路輸出后，在反饋網絡的輸出端2得到反饋信號Xf與Xa在大小和相位上都一致，則可以除去外接信號Xa，將1、2兩端連接在一起(如圖中虛線所示)而形成閉環系統，其輸出端可繼續維持與開環時一樣的輸入信號，即=。

＝AF＝1?????????? 振幅平衡條件

和

+ =2n????? n=0,1,2,3……? 相位平衡條件

這兩個式子是正弦波振蕩器產生持續振蕩的兩個必要條件。振蕩器的振蕩頻率0是由相位平衡條件決定的。一個正弦波振蕩器只在某一個頻率下滿足相位平衡條件，這個頻率就是f0,這就是要求在環路中包含一個具有選頻特性的網絡。它可以設置在放大器A中，也可以設置在反饋網絡F中，它可以用R、C元件組成，也可以用L、C元件組成。欲使振蕩器能自行建立振蕩，就必須滿足＞1的條件。這樣在接通電源后，振蕩器就可以自行起振，最后趨于穩態平衡。

由于頻率選為20k由上公式得RC=0.5958×,振蕩器輸出方波的占空比是換能器產生的超聲波強度的決定因素。通過給TL494的4腳加以一定的直流電壓就可實現占空比調整。定時元件由電容C、電阻R1和電位器R2構成，調節電位器R2即可實現頻率的調整。本機供電電源為12V，采用的是推挽工作方式。電阻R3(10kQ)和電位器R4(10kQ)構成分壓電路，死區時間控制端的電位應界于2．5～5V之間。調節電位器R4亦可實現超聲波的強度調節。

三、超聲波放大器設計

1.超聲波放大器的選擇:超聲波放大器的作用是將振蕩信號放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，主要看輸出功率的需要。早期的超聲波發生器使用電子管做放大器件，現在則普遍采用晶體管（三極管、場效應管和IBGT器件）。近年來越來越多的廠家采用功率集成電路做超聲波發生器的放大器件。目前工業上廣泛使用的超聲波發生器基本上被晶體管電路壟斷。

與電子管發生器相比，晶體管發生器的優點在于體積小、重量輕、效率高。但從另一方面講由于受到方向擊穿電壓、最大集電極電流、最大集電極耗散功率參數的限制，通常一對晶體管的最大輸出功率只能達到百瓦級。要提高晶體管發生器的輸出能力，除了有賴于高性能器件外，還必須采用高效率的電路。傳統的甲類、乙類、丙類放大器是把有源器件作為電流源工作。在這些放大器中，晶體管工作在伏安特性曲線的有源區。集電極電流受基極激勵信號控制作相應變化。

2.低壓驅動電路:本機采用高壓小電流功放電路，由兩只三極管和耦合變壓器構成，見圖6。為了避免兩只功放管同時導通，導致內部功耗增加，兩管的導通時間必須錯開，使它們在交替工作時有一段同時截止的時間。為此，三極管P1和P2對振蕩器的輸出作反相處理，三極管選用PNP型的8550。低壓驅動電路所用的電源是直流12V，而功放電路的電源是交流220V，在三極管后加入一個耦合變壓器，完成高低壓隔離的任務。

四、高頻驅動和匹配電路

超聲發生器與一般放大器的一個重要區別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發生器與負載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內容—調諧，即選用一定值的阻抗元件，使之在工作頻率上與負載中的電抗成分諧振。只有在同時進行了阻抗變換和調諧之后，整個系統才算是達到了匹配，換能器才能正常工作。

全自動超聲波清洗機中的匹配電路是將發生器輸出的電能送往換能器的通道。匹配電路雖然結構簡單(通常只有一個匹配電感)，卻具有重要作用。相同型號的清洗機，匹配調得好的清洗效果好；匹配調得差的則清洗效果差。對同一臺機器而言，如果工作一段時間后清洗效果變差，或者換能器經過更換，都需要重新調整匹配。與一般電子設備的匹配有所不同，全自動超聲波清洗機的匹配除了要解決變阻問題(即變換負載的阻值，使之與發生器的最佳負載值相等)外，還要解決調諧問題，即用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗，使換能器呈純阻性。技術人員通常是根據各自的經驗進行匹配。例如，有人在改變清洗槽水位時觀察電流的變化，如果電流變化處于一定范圍之內，同時管子不發熱，空化聲強，便認為匹配已調好。也有人讓機器空載時稍，微呈電感性，而在加載后轉變為純阻狀態。這些經驗都是適用的。但在已有經驗的基礎上，再掌握匹配的原理，就可以在匹配時有的放矢，更加主動，從而收到事半功倍的效果。

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