CN2160473Y - 自动频率跟踪功率超声波发生器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种自动频率跟踪功率超声波 发生器。该发生器主要解决现有同类仪器谐振功率 调节范围小和换能器振幅下降的不足。采用匹配变 压器与换能器相接构成谐振回路6，并将谐振回路6 输出功率取样信号送入相位比较器7与脉冲信号产 生电路2产生的脉冲信号进行相位比较，控制脉冲信 号跟随换能器向功率最大点的方向变化，实现频率自 动跟踪，一般只需15W的功率输出就能获得比 200W普通功率超声波发生器好的效果。可用于加 工，车削、钻孔等方面。

Description

自动频率跟踪功率超声波发生器
本实用新型属于电子仪器类，特别是一种功率超声波发生器。
普通的功率超声波发生器一般均采用固定频率与超声波换能器进行谐振供给能量，通过匹配电感与换能器的等效电容发生谐振。这种仪器存在有如下两方面的不足，一是由于其匹配电感与换能器的等效电容谐振频率不能保证在换能器的固有机械振荡频率上。(即使调谐在机械振荡的频率上，又会因谐振回路的Q值很高，频带很窄而跑掉)，一是在功率超声波振动加工系统中，由于机械负载的变化要引起系统参数发生变化(如系统的谐振频率点，负载的等效阻抗等)，而功率超声波发生器的频率不改变，使其换能器的振幅下降。CN87217183u专利虽说提出了电感附加电容和晶体换能器并联构成振荡回路，利用电感作为贮能元件，在开关关闭时将储存在电感中的电磁能由晶体转换成超声波的技术方案，但却又由于电感向晶体转换电能的同时，要将一部分电磁能转换成电能储存在电容上，造成晶体上不能获得全部能量和由于电感参数不变化，谐振频率只能谐振在固定的2.5MHZ左右，仍难以实现频率大范围调节的问题。
本实用新型的目的在于避免上述已有技术的不足，提供一种输出频率范围宽广，具有频率自动跟踪，且能固定在换能器功率响应最大的工作频带内的功率超声波发生器。
实现本实用新型目的技术关健有三点：一是选用匹配变压器与换能器并联构成谐振回路，该匹配变压器具有阻抗变换、电能传输和匹配电感三重作用。二是对谐振回路进行功率取样，送入相位比较器与
Figure 9321282900041
脉冲信号进行相位比较，再将比较后的误差信号送入脉冲信号产生电路，作为压控振荡器的控制电压，使
Figure 9321282900042
脉冲信号频率跟踪换能器变化，并锁定在最大功率的谐振频率上，实现自动跟踪；三是在脉冲信号产生电路与开关功率管之间设置有过流保护电路和功率自动调节电路以实现对功率开关管的安全工作控制与开关电流的调节。
以下参照附图详细说明本实用新型的结构原理。
图1是本实用新型的外形结构图。
图2是本实用新型的原理方框图。
图3是本实用新型的电路结构图。
图1中，仪器面板所示的J1为调谐指示灯，J2为电源指示灯，W2为功率调节旋扭，K1为电源开关，K2为匹配电感波段开关。
参照图2，本实用新型包括有脉冲信号产生电路2，过流保护电路3，功率管电流自动调节电路4，开关功放电路5，谐振电路6，相位比较电路7，电流取样放大电路8和触发锁定电路9等。其中脉冲信号产生电路2，过流保护电路3，功率管电流自动调节电路4，开关功放电路5，相位比较电路7分别与直流电源相接，脉冲信号产生电路2的输出分两路，一路通过过流保护电路3，功率管电流自动调节电路4与开关功放电路5相连，一路与相位比较电路的输入端相连。开关功放电路5的一端与变压器匹配电路6相连，一端与电流取样放大电路8相连，谐振电路输出的功率取样信号连接到相位比较器与来自脉冲信号产生电路2输出的脉冲信号进行相位比较，其输出的误差信号连接到脉冲信号产生电路2的输入端、开关功放电路5的一端与谐振回路6相连，另一端与电流取样放大电路8相连，电流取样放大电路8的输出一路连接到功率电流自动调节电路4，一路通过触发锁定电路9连接到过流保护电路3。
参照图3，本实用新型的电源1为整机提供+12V和+50V两组直流电压，脉冲信号产生电路是由线性压控振荡器A1(LM324)，A2(NE555)。和分频器A3(CD407)及门电路A4(CD4011)构成。为整机提供在0～500KHz频率范围都是
Figure 9321282900051
宽度的脉冲信号。过流保护电路由集成块A5(CD4066)构成，三极管T1，T2构成功率电流自动调节电路4，三极管T3与其集电极连接的匹配变压器初级、电容C2构成开关功放电路5，匹配变压器的初级设有多个抽头以通过调整变压器磁蕊的间隙达到最佳匹配电感的作用。匹配变压器的次极与换能器G并联连接，构成谐振回路6。整形块A9(LM3339)相位比较集成块A10(CH508)，放大集成块A11(LM324)与环路滤波元件RT，C3及外围元件R10、R9构成相位比较电路6，从取样电阻R2及R3之间取出的谐振回路功率信号，进入A9整形后与
Figure 9321282900052
脉冲信号进行相位比较，将相位比较后的误差信号滤波放大后，连接到压控振荡器集成电路A1的输入端，压控振荡器的电压，使
Figure 9321282900053
脉冲信号的频率跟踪在换能器获得最大功率的频率上。集成块A6(LM324)与电阻R4构成取样放大电路8，集成块A7(LM339)与触发电路A8(A88为CD4011集成块)构成比较触发锁定电路9。取样放大器A6输出连接到T1管的基极，比较触发锁定电路的触发器A7与A8的输出信号连接到过流保护电路块A5(CD4066)的一端。过流保护电路块A5为
Figure 9321282900054
脉冲开关功放管T3提供开关信号，在正常工作状态下，过流保护开关管A5导通，一旦功率开关管T3过流超过额定值时，过流保护管A5立即断掉送给功率开关管T3的触发信号，使T3管立即截止，以保证开关管安全可靠；当功率开关管T3未达到额定的过流保护值之前，电流取样放大管A6自动调节功率开关管T3的功率电流，保证功率放大管安全工作。功率开关管T3工作在D类功放状态，起到功率放大作用。相位比较电路A10的一端连接有由指示灯T1、三极管T4、电阻R8、构成跟踪指示电路。频率未跟上时指示灯亮，频率跟踪时指示灯不亮，以示换能器上获得最大能量。
本实用新型由于采用了对谐振回路功率信号与脉冲信号的相位比较技术，因而可使脉冲信号产生电路输出的脉冲频率始终跟踪在使换能器获得最大功率的频率范围；同时由于选用了匹配变压器与换能器相接构成谐振回路，因而可产生升压阻抗变换和与换能器等效电容产生机械自然谐振的匹配电感三重作用；此外由于在电路中设置了过流保护、功率管电流自动调节及取样放大、触发锁定，所以可控制功率开关管安全工作和调节电流大小，避免了功率开关管消耗功率。实验表明用该自动频率跟踪功率超声波发生器对8mm玛脑大理石打孔，输出在15w时，钻孔速度为1分钟以内，工作稳定可靠，而用现有200w普通功率超声波发生器作相同实验其钻孔速度为3～4分钟。

Claims (2)

1.一种自动频率跟踪功率超声波发生器，包括有直流电源(1)，脉冲信号产生电路(2)，开关功放电路(5)和谐振回路(6)，其特征在于：
a.谐振回路(6)选用具有阻抗变换，电能传输和匹配电感三重作用的匹配变压器B与换能器G相接构成；
b.谐振回路(6)输出的功率取样信号连接到相位比较电路(7)与脉冲信号产生电路(2)输出的
Figure 9321282900021
脉冲信号进行相位比较，再将比较后的误差信号连接到脉冲信号产生电路(2)的输入端，控制
Figure 9321282900022
脉冲信号频率自动跟随在换能器获得最大功率的谐振频率上；
c.脉冲信号产生电路(2)与开关功放电路(5)之间连接有过流保护电路(3)和功率管电流自动调节电路(4)。
2.根据权利要求1所述的自动频率跟踪功率超声波发生器，其特征在于功率开关管(5)的集电极与匹配变压器的初级相接，开关管(5)的发射极与电流取样放大电路(8)的输入端相接，电流取样放大电路(8)分两路输出，一路连接到功率电流自动调节电路(4)，一路经触发锁定电路(9)连接到过流保护电路(3)的输入端。
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