CN112953398A - 一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声波电源及其应用技术领域，具体涉及一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，包括在换能器的高电位端按照电位降低方向依次连接的变压器电路和匹配电路；变压器电路包括变压器，变压器的原边侧连接有防偏磁元件，变压器的副边通过匹配电路连接至换能器；匹配电路包括设置在换能器正负极输入端之间的若干LC谐振模块。本发明的公开的换能器适应的频率更宽，可以直接驱动超声换能器稳定工作，无需在工作前调整或者动态调整，因此对结果的一致性没有影响；无需实时动态监测电压和电流的相位差，稳定性更高。

Description

一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路
技术领域
本发明涉及超声波电源及其应用技术领域，具体涉及一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路。
背景技术
超声波电源也称为超声波驱动电源、超声波发生器，它的作用是将市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作，为其提供超声能量。一般来说超声换能器与功率放大器之间是不匹配的，功率放大器直接驱动超声换能器，无法输出最大功率给换能器，同时换能器受自身电抗特性影响，也没有达到最大的电声转换效率。
目前的换能器匹配电路大多数为串联电感和并联电容的形式，并且通过其他方式实时调整电感电容参数实现与换能器的匹配，或者带有频率跟踪，通过调节输出信号频率来匹配换能器最佳的工作频率。
现有的技术方案主要为串联电感和并联电容的形式，或者两种方式结合，通过机械或电磁方式改变电感的电感值，以及通过开关接入不同的电容值，来实现调整匹配电路的电感和电容参数；也有的是通过检测电压和电流相位，调整工作频率消除相位差来实现换能器工作在匹配状态；也有的同时使用这两种方案，就需要有比较复杂的硬件和软件控制系统。
现有的方案适于应用在固定功率和重负载的场合，例如超声清洗、焊接等应用，从启动到稳定输出超声，换能器工作在匹配的稳定状态会有一个调整过程，但是在超声处理生物样本的实验中，例如超声核酸打断、超声蛋白片段打断等生物样本处理，这个调整的过程会影响生物样本处理结果的一致性。
超声处理生物样本实验还要求使用不同功率大小的超声，在匹配完成前，不同功率下电压和电流的相位检测相对困难，电路检测和控制也变得复杂。
现有方案一般使用串联电感，有的做成可调电感和电容的形式，与换能器组成谐振电路来实现换能器匹配，串联电感匹配方式对电感的精度要求较高，换能器的参数稍有变化就容易偏离谐振状态，在工作中经常需要动态调整。
故还需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中存在的技术问题。
发明内容
本发明提供一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，旨在设置匹配电路，使得换能器的频率特性曲线更为平缓，拓宽了频率适应范围，同时降低换能器对电容电感的要求，在设定的工作频率下，根据换能器参数调试好匹配电路的电感和电容参数，消除换能器的容抗特性解决电压电流的相位差问题，不需要动态调整电感和电容的参数，也不需要增加电压电流的相位检测电路，提高超声换能器的电声转换效率。
为了实现上述效果，本发明所采用的技术方案为：
一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，包括在换能器的高电位端按照电位降低方向依次连接的变压器电路和匹配电路；所述的变压器电路包括变压器，变压器的原边侧连接有防偏磁元件，变压器的副边通过匹配电路连接至换能器；所述的匹配电路包括设置在换能器正负极输入端之间的若干LC谐振模块。
上述公开的超声波电源换能器匹配电路，在超声波电源中连接于功率放大器模块之后，变压器电路能完成换能器的阻抗匹配，使功率放大电路的能量高效的输出，同时实现电气隔离；匹配电路利用LC谐振电路，实现功率放大电路的输出信号滤波，同时使换能器在工作频率下不受自身电抗特性影响，大幅减小无功功率,使功率放大器能够输出最大额定功率到换能器，并且能提高超声波换能器的电声转换效率。
优选的，所述的防偏磁元件采用与变压器串联的平衡电容。
进一步的，对上述技术方案中公开的LC谐振模块进行优化，举出如下可行的方案，所述的LC谐振模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐模块。
再进一步，对上述技术方案中公开的调谐模块进行细化：所述的调谐模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐电感。
再进一步，对上述技术方案中公开的调谐模块进行细化：所述的调谐模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐电容。
上述技术方案中公开的变压器电路的功能如下：
(1)阻抗匹配：功率放大器的输出阻抗与换能器的负载阻抗相等时，功率放大器模块能输出最大功率；换能器的负载阻抗和功率放大器的输出阻抗不匹配，通过设计调整高频变压器的原边和副边匝数比来匹配，原边和副边的匝数比为N1：N2，由换能器的阻抗ZP和功放电路的输出阻抗ZS确定。
(2)电气隔离：高频变压器通过磁介质传输功率和能量，原边和副边的电路无直接的线路连接，因此能将功率放大器工作电位与超声换能器的工作电位相隔开，使这两个零部件可以工作在在各自适合的电压环境下。
假如功率放大器和超声换能器这两个模块的任何一个发生故障，由于高频变压器有电气隔离作用，都能保护另一个模块不受影响。
电气隔离同时起到安全防护作用，功率放大器的工作电压不会直接连通到换能器，换能器的工作电极可以接地，保证了人员操作环境的安全。
进一步的，对上述技术方案中公开的调谐电容和调谐电感进行优化，举出如下可行的方案：所述的调谐电容由一个单元电容组成，或由若干个单元电容经串联、并联或混联组成；所述的调谐电感由一个单元电感组成，或由若干个单元电感经串联、并联或混联组成。总的来说，调谐电容和调谐电感可以为单个元件，也可以为多个同类型的元件通过串联、并联或者混合连接，得到与设计参数要求相同的组合连接形式。
进一步的，对上述技术方案中公开的LC谐振模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的LC谐振模块包括串联在换能器的正负极输入端之间的滤波模块。
进一步的，对滤波模块进行细化，举出如下可行的技术方案：所述的滤波模块包括串联连接的滤波电容和滤波电感。
进一步的，对上述技术方案中公开的滤波电容和滤波电感进行优化，举出如下可行的技术方案：所述的滤波电容由一个单元电容组成，或由若干个单元电容经串联、并联或混联组成；所述的滤波电感由一个单元电感组成，或由若干个单元电感经串联、并联或混联组成。总的来说，滤波电容和滤波电感可以为单个元件，也可以为多个同类型的元件通过串联、并联或者混合连接，得到与设计参数要求相同的组合连接形式。
进一步的，对上述技术方案中公开的滤波电容和滤波电感进行优化，举出如下可行的方案：所述的滤波电容和滤波电感的电位位置允许互换。
上述内容中公开的匹配电路的作用如下：
(1)匹配电路利用LC谐振电路，实现功率放大电路的输出信号滤波，同时使换能器在工作频率下不受自身电抗特性影响，大幅减小无功功率，提高换能器的电声转换效率，也明显减小了功率放大电路元件和换能器的发热。
(2)改善超声波换能器的阻抗特性，降低对驱动电源以及匹配电路的元件参数的精度要求，减少额外的自适应控制系统配置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明的公开的换能器匹配电路，在调整好各个元件的参数后，适应的频率更宽，可以直接驱动超声换能器稳定工作，无需在工作前调整或者动态调整，因此对结果的一致性没有影响。
2.本发明公开的换能器，无需实时动态监测电压和电流的相位差，可以节省很多用于检测和控制的软件和硬件成本，稳定性更高。
3.本公开的换能器对电子元器件的值变化不敏感，不需要动态调整电感电容等匹配元件的参数，也能节省动态调整元件的软件和硬件成本，提高稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1是超声波换能器匹配电路的组成模块及连接关系示意图；
图2是超声波换能器的变压器电路示意图；
图3是超声波换能器的匹配电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例
本实施例公开了一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，包括在换能器的高电位端按照电位降低方向依次连接的变压器电路和匹配电路；所述的变压器电路包括变压器，变压器的原边侧连接有防偏磁元件，变压器的副边通过匹配电路连接至换能器；所述的匹配电路包括设置在换能器正负极输入端之间的若干LC谐振模块。
上述公开的超声波电源换能器匹配电路，在超声波电源中连接于功率放大器模块之后，变压器电路能完成换能器的阻抗匹配，使功率放大电路的能量高效的输出，同时实现电气隔离；匹配电路利用LC谐振电路，实现功率放大电路的输出信号滤波，同时使换能器在工作频率下不受自身电抗特性影响，大幅减小无功功率,使功率放大器能够输出最大额定功率到换能器，并且能提高超声波换能器的电声转换效率。
具体的，如图1所示，在本实施例中，将变压器电路设置为高频变压器电路网络，并将匹配电路设置为换能器匹配电路网络。高频变压器电路网络和换能器匹配电路网络组成了超声波换能器匹配电路。
具体的，所述的防偏磁元件采用与变压器串联的平衡电容。
对上述技术方案中公开的LC谐振模块进行优化，举出如下可行的方案，所述的LC谐振模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐模块。
对上述技术方案中公开的调谐模块进行细化：所述的调谐模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐电感。
对上述技术方案中公开的调谐模块进行细化：所述的调谐模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐电容。
在本实施例中，采用如图2所示的变压器电路网络：T1为高频变压器，本实例使用PQ系列变压器骨架及高频铁氧体磁芯制作的变压器，C10为变压器的平衡电容，用于防止变压器偏磁；图中HB_OUT、TF_IN-端口连接功率放大器的输出端，TF_OUT、PZT-G连接换能器匹配电路网络，从功放电路HB_OUT、TF_IN-端口引出的电信号，按图所示连接到平衡电容C10和变压器T1，即输入到高频变压器的原边，经过变压器的电磁转换传输到高频变压器的副边，副边输出电信号，如图3所示，此电信号经过滤波电感L1、滤波电容C11、调谐电感L2、调谐电容C12组成的超声换能器匹配电路网络后，转换成适于驱动超声换能器的电信号。
在本实施例中，TF_OUT、PZT-G网络可以互相替换，PZT+、PZT-G网络可以互相替换。且变压器可采用实现同种功能的变压器，如E型、环形变压器等，同时，高频变压器可以为升压变压器、降压变压器或者1:1的变压器。
上述技术方案中公开的变压器电路的功能如下：
(1)阻抗匹配：功率放大器的输出阻抗与换能器的负载阻抗相等时，功率放大器模块能输出最大功率；换能器的负载阻抗和功率放大器的输出阻抗不匹配，通过设计调整高频变压器的原边和副边匝数比来匹配，原边和副边的匝数比为N1：N2，由换能器的阻抗ZP和功放电路的输出阻抗ZS确定。
(2)电气隔离：高频变压器通过磁介质传输功率和能量，原边和副边的电路无直接的线路连接，因此能将功率放大器工作电位与超声换能器的工作电位相隔开，使这两个零部件可以工作在在各自适合的电压环境下。
假如功率放大器和超声换能器这两个模块的任何一个发生故障，由于高频变压器有电气隔离作用，都能保护另一个模块不受影响。
电气隔离同时起到安全防护作用，功率放大器的工作电压不会直接连通到换能器，换能器的工作电极可以接地，保证了人员操作环境的安全。
对上述技术方案中公开的调谐电容和调谐电感进行优化，举出如下可行的方案：所述的调谐电容由一个单元电容组成，或由若干个单元电容经串联、并联或混联组成；所述的调谐电感由一个单元电感组成，或由若干个单元电感经串联、并联或混联组成。总的来说，调谐电容和调谐电感可以为单个元件，也可以为多个同类型的元件通过串联、并联或者混合连接，得到与设计参数要求相同的组合连接形式。
对上述技术方案中公开的LC谐振模块进行优化，举出如下可行的方案：所述的LC谐振模块包括串联在换能器的正负极输入端之间的滤波模块。
对滤波模块进行细化，举出如下可行的技术方案：所述的滤波模块包括串联连接的滤波电容和滤波电感。
对上述技术方案中公开的滤波电容和滤波电感进行优化，举出如下可行的技术方案：所述的滤波电容由一个单元电容组成，或由若干个单元电容经串联、并联或混联组成；所述的滤波电感由一个单元电感组成，或由若干个单元电感经串联、并联或混联组成。总的来说，滤波电容和滤波电感可以为单个元件，也可以为多个同类型的元件通过串联、并联或者混合连接，得到与设计参数要求相同的组合连接形式。
对上述技术方案中公开的滤波电容和滤波电感进行优化，举出如下可行的方案：所述的滤波电容和滤波电感的电位位置允许互换。
在本实施例中，具体如图3所示，滤波电感L1、滤波电容C11、调谐电感L2、调谐电容C12组成超声换能器匹配电路网络，TF_OUT、PZT-G连接高频变压器的输出端(即副边)，PZT+、PZT-G分别连接到超声换能器的正极和负极。从变压器的一个输出端TF_OUT，串联一个电感元件和电容元件，连接到换能器的正极输入端PZT+；变压器的另一个输出端直接连接到换能器的负极输入端PZT-G；换能器两端PZT+、PZT-G并联一个电感元件和电容元件。
上述内容中公开的匹配电路的作用如下：
(1)匹配电路利用LC谐振电路，实现功率放大电路的输出信号滤波，同时使换能器在工作频率下不受自身电抗特性影响，大幅减小无功功率，提高换能器的电声转换效率，也明显减小了功率放大电路元件和换能器的发热。
(2)改善超声波换能器的阻抗特性，降低对驱动电源以及匹配电路的元件参数的精度要求，减少额外的自适应控制系统配置。
以上即为本发明列举的实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，包括在其特征在于：换能器的高电位端按照电位降低方向依次连接的变压器电路和匹配电路；所述的变压器电路包括变压器，变压器的原边侧连接有防偏磁元件，变压器的副边通过匹配电路连接至换能器；所述的匹配电路包括设置在换能器正负极输入端之间的若干LC谐振模块。
2.根据权利要求1所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的防偏磁元件采用与变压器串联的平衡电容。
3.根据权利要求1所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的LC谐振模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐模块。
4.根据权利要求3所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的调谐模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐电感。
5.根据权利要求4所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的调谐模块包括并联在换能器的正负极输入端之间的调谐电容。
6.根据权利要求5所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的调谐电容由一个单元电容组成，或由若干个单元电容经串联、并联或混联组成；所述的调谐电感由一个单元电感组成，或由若干个单元电感经串联、并联或混联组成。
7.根据权利要求1、3、4、5或6所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的LC谐振模块包括串联在换能器的正负极输入端之间的滤波模块。
8.根据权利要求7所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的滤波模块包括串联连接的滤波电容和滤波电感。
9.根据权利要求8所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的滤波电容由一个单元电容组成，或由若干个单元电容经串联、并联或混联组成；所述的滤波电感由一个单元电感组成，或由若干个单元电感经串联、并联或混联组成。
10.根据权利要求8或9所述的用于生物样本处理的超声波电源换能器匹配电路，其特征在于：所述的滤波电容和滤波电感的电位位置允许互换。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113904569A (zh) * 2021-10-20 2022-01-07 杭州茂葳科技有限公司 一种超声波驱动电路

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