基本介紹
- 中文名：超音波發生器
- 外文名：The ultrasonic generator
- 別稱：超音波驅動電源、電子箱等
- 所屬系統：大功率超聲系統
簡述,原理,反饋信號,輸出功率,頻率跟蹤,優點,分類,綜述,頻率可調,發生器,控制箱,高頻發生器,機械式,數字顯示,D類功率放大器,分析與設計,橋式功率放大器,
簡述
超音波發生器採用世界領先的他激式震盪電路結構，較自激式震盪電路結構在輸出功率增加10%以上。超音波放大電路形式採用線性放大電路和開關電源電路。
開關電源電路的優點：轉換效率高，因此大功率超音波電源採用此形式。
線性電源電路的優點：不嚴格要求電路匹配，允許工作頻率連續快速變化。
原理
超音波發生器來產生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈衝信號，這個特定頻率是換能器工作的頻率。
超音波設備一般使用的超音波頻率為20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz、100KHz或以上尚未大量使用。
反饋信號
完善的超音波發生器有反饋環節，主要提供以下二個方面的反饋信號。
輸出功率
當超音波發生器接入電壓的發生變化時，發生器的輸出功率也隨著發生變化。會使超音波換能器的機械振動不穩定，導致工作效果不佳。因此需要穩定輸出功率，通過功率反饋信號相應調整功率放大器，使得功率放大穩定。
頻率跟蹤
換能器工作在諧振頻率點時效率最高，工作最穩定。
而換能器的諧振頻率點會因裝配和工作老化而改變。如果改變的頻率只是漂移，變化不大，頻率跟蹤信號可以控制信號發生器，使信號發生器的頻率在一定範圍內跟蹤換能器的諧振頻率點，讓發生器工作在最佳狀態。
優點
- 超音波發生器能監控大功率超音波系統的工作頻率、功率。
- 能夠根據用戶不同要求，實時調整各種參數：如功率、振幅、運行時間等。
- 頻率微調：調整頻率使超音波換能器始終工作在最佳狀態下，效率達到最大，調整範圍2%。
- 自動跟頻：設備一旦完成初始設定後，就可以連續作業而無需對發生器進行調節。
- 系統保護：系統在不適宜的操作環境下工作時，發生器將停止工作並報警顯示，保護設備不受損壞。
- 振幅調整：振幅可在工作過程中瞬間增加或減少，振幅的設定範圍：0%~100%。
- 自動搜頻：可以自動測定工具頭的工作頻率並儲存。
分類
綜述
可分為頻率可調超音波發生器、100W/300W超音波發生器、小功率超音波發生器、高頻超音波發生器、大功能超音波發生器、數字顯示超音波發生器。
頻率可調
新式，功率從"0"~3000瓦功率可調，頻率從20KHZ~40KHZ可調的超音波發生器。使用換能器不同，超音波發生器都可共用。
結構合理，做到防潮、防衝擊、防燒管、操作簡單。從沒有使用過超音波清洗機，對頻率功率不了解的人，只要有點電工常識的人都一看就會。
發生器
隨著現代電子技術，特別是微處理器(uP)及信號處理器(DSP)的發展，超音波發生器的功能越來越強大，但不管如何變化，其核心功能應該是如下所述的內容，只是每部分在實現時技術不同而已。超音波發生器來產生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈衝信號，這個特定頻率就
是超音波換能器的頻率，一般在超音波設備中使用到的超音波頻率為25KHz、28KHz、35KHz、40KHz；100KHz
超音波發生器
超音波發生器相信使用面會逐步擴大．比較完善的超音波發生器還應有反饋環節，主要提供二個方面的反饋信號：
第一個是提供輸出功率信號，我們知道當超音波發生器的供電電源（電壓）發生變化時．超音波發生器的輸出功率也會發生變化，這時反映在超音波換能器上就是機械振動忽大忽小，導致清洗效果不穩定．因此需要穩定輸出功率，通過功率反饋信號相應調整功率放大器，使得功率放大穩定。
第二個是提供頻率跟蹤信號．當超音波換能器工作在諧振頻率點時其效率最高，工作最穩定，而超音波換能器的諧振頻率點會由於裝配原因和工作老化後改變，當然這種改變的頻率只是漂移，變化不是很大，頻率跟蹤信號可以控制信號超音波發生器，使信號超音波發生器的頻率在一定範圍內跟蹤超音波換能器的諧振頻率點．讓超音波發生器工作在最佳狀態。
控制箱
超音波內置發生器，一體式超音波發生器。
一．性能簡小功率超音波發生器介：控制箱採用微電腦控制下的它激式線路，頻率自動跟蹤及掃頻工作方式等先進技術。與傳統控制箱相比，具有工作穩定可靠、超聲功率連續可調，能最大限度地發揮換能器的潛能。工作頻率自動跟蹤，使輸出匹配更佳，功率更加強勁，效率更高。獨特的掃頻工作方式，使清洗液在掃頻的作用下形成一股細小的回流，及時把超聲剝離下來的污垢帶離工件表面，從而達到更快速、更徹底的清洗效果，超聲清洗效率更高。同時，具有完善的保護功能：過熱保護和過流保護，工作更加可靠。
小功率超音波發生器配合數碼功率調整可適應各種不同的清洗要求。
二．主要技術指標：工作電壓： 220V 10% 額定功率 100W 200W 300W 工作頻率：28 KHz 40KHZ 時間
控制： 0--59分59秒 功率控制範圍：0-100%
高頻發生器
一．性能簡介：
控制箱採用 微電腦控制下的它激式線路，頻率自動跟蹤及掃頻工作方式等先進技術。與傳統控制箱相比，具有工作穩定可靠、超聲功率連續可調，能最大限度地發揮換能器的潛能。工作頻率自動跟蹤，使輸出匹配更佳，功率更加強勁，效率更高。獨特的掃頻工作方式，使清洗液在掃頻的作用下形成一股細小的回流，及時把超聲剝離下來的污垢帶離工件表面，從而達到更快速、更徹底的清洗效果，超聲清洗效率更高。同時，具有完善的保護
功能：過熱保護和過流保護，工作更加可靠。
工作電壓： 220V 10% 額定功率 600W 900W 1200W 1500W 1800W 2400W 2700W 工作電流 2.5A 3.5A
4.5A 5A 工作電流： 請注意，設備不能在長時間在大於額定電流的狀態下運行環境溫度： 0-40C° 相對濕度：40%--90%
工作頻率：25KHZ 28KHz 40KHZ 35KHZ 68KHZ 120KHZ 時間控制： 0--59分59秒 功率控制範圍：0-100%
16級數控調節機內過熱保護：65 C° 外型尺寸： L x W x H =300 x 360 x 150 。
機械式
由超音波發生器產生的高於28KHZ音頻電信號，通過換能器的壓電逆效應轉換成同頻率的機械振盪，並以超
音頻縱波的形式在清洗液中輻射。由於超音頻縱波傳播的正壓和負壓交替作用，產生無數超過1000個大氣壓的微
小氣泡並隨時爆破，形成對清洗物表面的細微局部高壓轟擊，使物體表面及縫隙之中的污垢迅速剝落，這就是超
聲波清洗所特有的“空化效應”。
數字顯示
概述
- 傳統的A類、B類、C類放大器是把有源器件(例如電晶體為討論對象)作為電流源工作。在這些放大器中，電晶體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，而集電極電壓是正弦波或正弦波的一部分。因此集電極在信號一周內同時存在頗大的電流和電壓。要消耗相當一部分功率，這就是傳統放大器的能量轉換效率受限制的主要原因。開關模式放大器在提高放大器效率方面做了質的改革，它把有源器件作為接通/斷開的開關運用。電晶體工作在伏安特性曲線的飽和區或截止區。當電晶體被激勵而接通時進入飽和區，斷開時進入截止區。由於電晶體飽和壓降很低，集電極功耗降到最低限度，提高了放大器的能量轉換效率。一般在理想的電晶體條件下(飽和壓降為零，飽和電阻為零．斷開電阻為無窮大，開關時間為零)，屬於開關模式工作的D類放大器，理論效率為100%，實際效率可達90%以上。而通常的A類放大器效率只有 50%，B類效率為78．5%。從而可以看出開關模式功率放大器在功率超聲的套用中具有相當大的實際意義。
實際使用中大多數的超音波發生器都是b,c類放大器，c類居多，部分特殊用途的設計為b類。
D類功率放大器
推挽式D類功率放大器如圖1．35所示，輸入激勵信號使一管導通時另一管截止，導通截止時 間各占交流半周期。這种放大器有兩種組態，一種是電壓開關放大器圖1，35(a)；另一種是電流開關放大器(圖1．35(b))。在電壓開關組態中，電晶體作為電壓開關工作，集電極電壓為方波，串聯調諧電路只讓基波電流通過。因此輸出電壓為集電極電壓的基波分量，集電極電流為半個正弦波。在電流開關組態中，電晶體起電流開關作用。扼流圈L、，維持恆定的直流饋電電流，集電極電流為方波，而集電極電壓為半個正弦波。
這裡著重介紹電壓開關型放大器。在功率超聲中電壓型開關放大器用得較多，其原因：
一是從飽和損耗來看．電壓開關放大器通常比電流開關放大器小，因為電壓開關放大器中電晶體電流僅在180。飽和期間是大的，而在電流開關放大器中，整個導通角內保持峰值集電極電流；另外方波電流時的飽和電壓往往要大於正弦電流下的飽和電壓；
二是電流開關型的效率比電壓開關型放大器低。但電流開關放大器取得功率的能力要強些；
三是在電流開關電路中，當負載R突然斷開時所出現的瞬態效應，會使開關承受較高的浪涌電壓，因此降低了開關元件伏安容量的利用率。同時給設計者帶來一定的麻煩。
四是用相同開關元件，電流開關電路比電壓開關電路的選用電源電壓要低n倍，電源供出的電流大x倍。
五是負載失調時，通過電壓開關的電流變小，通過電流開關的電流變大。如果設計要求發生器能在一定的失調範圍內工作，則電流開關電路對電晶體伏安容量的利用率又要降低好多。
然而以上兩種開關放大器其基本形式的輸出特性都是恆壓源性質，同時在固定負載下，伏安容量利用率相等。用相同的開關元件可以得到相同的輸出功率。
電壓型開關放大器還可分成並聯型電壓開關放大器，如圖1-35(a)所示和串聯型電壓開關放大器，如圖1．36所示。
必須注意的是，無論開關如何連線，只要它們“開關出來的”是電壓源，即只要它們是用作 電壓開關的，那么，它們的負載只能是一個串聯諧振電路。這是因為電容在這裡不允許作為“開關出來的”方波電壓源的負載。否則，由於電容對高次諧波的短路作用．會給開關帶來危害。
串聯開關電路和並聯開關電路的原理是完全一樣的。因此設計也是類同的，僅有的區別在於電源電壓的選擇方面。如果開關元件所能承受的電流和電壓是一定的，那么並聯接法比串聯接法所選 用的電源電壓應低一倍，而電源供出的電流應大一倍，舉例來說，如果用串聯開關選220V電壓消耗4A電流，那么改用並聯開關時應選110V電壓消耗8A電流。
分析與設計
我們以串聯電壓開關型D類功率放大器為例，如圖1. 37所示，該圖與圖1．36實際是等效的，所不同的是圖1．36中的負載Rl可看作變壓器次級換能器在諧振時的純阻反映到變壓器初級的電阻。BG1與BG2為兩個參數基本相同的電晶體，LC串聯迴路對工作頻率fo諧振。
假如激勵信號是頻率為fo的正弦波，在正半周時，BG1飽和導通，BG2截止；負半周時BG1截止，BG2飽和導通。圖1．38為其電壓、電流波形。
當BG1飽和導通時，p點電壓為電源電壓vcc減去BG1的飽和壓降vcs。當BG2飽和導通時，p點電壓則為BG2的飽和壓降vcs,兩管參數基本相同，故vcs1=vcs2=vcs且Up為矩形波。
經過LC串聯諧振迴路選頻濾波後．在負載電阻Rl．上就可得到頻率為fo的正弦波電壓ul，完成其放大功能。
由於兩管輪流導通處於開關工作狀態，up為矩形波，故稱為電壓開關型，且輸出的最低諧波是三次，所以輸出波形較好。
根據周期性對稱方波諧波表示式：
式中Upm是方波振幅，ωo是基波角頻率，在D類開關電路中
當LC迴路諧振於fo時，在RL上的基波電壓幅度為
所以RL上的有效值電壓為
放大器的輸出功率：
又因
這裡IA為基波電流的有效值，其峰值為
所以流過電晶體的直流分量ICO為
電源輸入功率為：
放大器的效率η為：
可見，當電晶體的飽和壓降vcS愈小，則放大器的效率愈高，若VCS→0則η→100%。以上是在 電感、電容、電晶體都不計損耗的理想情況下得到的結果，實際上是有損耗的。其損耗主要存在著兩類，在高頻運用時，其電晶體內部損耗更不容忽視的。
(1)閉態飽和損耗
由(1．101)式可知．電晶體飽和壓降愈大則效率越低。理論和實驗可以說明，隨著頻率的升高和功率加大，飽和壓降將迅速增大，為了減小飽和損耗，必須選用fT高的電晶體。一般來說，對小功率管(<10W)，f≥0.1fT，對於大功率管(>10W) f ≥0.01fT時才需考慮飽和壓降的影響。
因為這時飽和壓降隨頻率急劇增大，在大功率時由於電流的增加飽和壓降也大大上升，因此D類放大器的效率在這些頻率和電流下將急劇下降。
(2)開關過程引起的過渡損耗。
過渡損耗是由過渡瞬變過程的時間來確定，它取決於電晶體電流或電壓的上升和下降時間及基極和集電極的電荷存儲效應。在電晶體電流或電壓上升和下降時間內，電晶體處於有源狀態，要消耗一定功率。此外接通延遲時間td（由電晶體基極電容和其他電路電容的充電時間決定）和電晶體開關從飽和進入有源狀態時，從基區和集電極抽出過量電荷的存儲時間ts也要增大過渡損耗。延遲時間td和存儲時間ts，不僅延長電晶體的開關過渡過程，而且要產生電流和電壓瞬變，會使電晶體由於二次擊穿或雪崩效應而損壞。
如果電晶體存儲時間大於接通延遲時間，兩個電晶體將同時處於閉態。大的瞬間集電極電流將通過低阻通路從集電極電源到地。不僅要降低放大器的效率，而且要使器件的可靠性降低，因為在高的集一射電壓下，過大的集電極電流要使器件由於二次擊穿而損壞。這種瞬態的集電極電流尖峰可以用附加基一射間的電容，增大器件接通延遲時間，限止兩個電晶體都處於“閉態”的時間間隔來減弱。
ib的負脈衝愈大，持續時間愈長，ts愈長，td主要取決於集電極電荷的存儲。隨著工作頻率的上升，電晶體的電荷存儲效應愈顯著，嚴重時可使兩管同時導通，出現危險的雪崩，使電晶體損壞。集電極電荷存儲時間是隨著集電極電流的增加而增大，集電極電流又隨基極電流增加而增大，基極電流又隨激勵信號的加大而增大。因此選擇開關特性好，ft高且功率滿足要求的電晶體，設計最佳激勵，對於提高D類功率放大器的效率是完全必要的。
迴路參數對p點電壓有相當影響程度，圖1．41為激勵信號對P點波 形的影響。
基極加速電容CP對p點波形的影響，CP使p點電壓 波形的上升沿更徒，波形有所改善,略有提高。LC串聯諧振迴路對p點電壓波形的影響是表演為電感上，它是放大器重要元件，要求Q值愈高愈好，若LC迴路調諧不準時，尤其迴路呈感性時，p點也會出現激勵過大那樣的波形，對影響頗大。
激勵信號對p點電壓波形的影響
a信號小，功率小
b信號過大，功率大，效率低
c信號適當，功率大，效率高
橋式功率放大器
開關模式功率放大器除了上面講到的串聯，並聯式開關放大器外，還有橋式功率放大器，下面我們分析這種電路。
橋式功率放大器可分成半橋功率放大和全橋功率放大兩種形式。半橋式的原理圖如圖1．42所示
R1,R2為橋平衡電阻；C1、C2為橋臂電容，R3，R4，C3、C4為橋開關管吸收電路元件，其值可通過實驗調整。橋與負載兩者，通過變壓器B連線。
工作原理如下；當t1時刻，U1電平觸發BG1導通，i1通過BG1至變壓器初級1、2向電容C2充電，同時C1上的電荷向BG1和變壓器B1初級放電。從而在輸出變壓器B1次級感應一個正半周脈衝電壓；當在t2時刻．BG2，被觸發導通，i2通過電容c1，變壓器初級2，1向BG2充電，而C2的電荷也經由變壓器初級2，1向BG2放電。在變壓器次級感應一個負半周脈衝電壓，從而完成一個工作頻率的周期波形。
橋式開關功率放大器其設計原理同串聯電壓開關放大器，它主要適合在大功率的超聲源中。
輸出功率的調整
一般採用以下兩種方法
1 改變激勵信號導通角
2 改變電源電壓
可以採用可控矽調整直流電源電壓或者採用開關控制切換電源變壓器繞組方式。
功率放大器的保護
