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專家解析超聲波清洗設備電源應用原理

時間:2016-04-05

超聲波清洗設備是以超聲波作用于清洗工件,使得附著在工件上的顆粒、油污等隨超聲波的機械振動而脫落或溶解或乳化等,達到洗凈工件的目的。從原理上說,超聲波清洗設備中核心部分應該是超聲波的作用。

    超聲波清洗設備中的超聲波部分分為兩大部件;一個是超聲波換能器{或稱超聲波振頭);另一個是超聲波發生器,超聲波換能器是將超聲波發生器提供的電信號轉換為機械振動.這篇文章只討論超聲波發生器,不對超聲波換能器作討論.

    超聲波發生器(以下簡稱發生器)實質是一個功率信號發生器,它產生一定頻率的正弦(或類似正弦)信號,超聲波發生器的發展與電力電子器件發展密切相關,一般可分為電子管、模擬式晶體管.開關式晶體管這幾個階段,下面分別敘述。

    超聲波清洗設備的原理

    首先由信號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,也可以是脈沖信號,這個特定頻率就是換能器的頻率,一般在超聲波設備中使用到的超聲波頻率為25KHz、28KHz、35KHz、40KHz;1OOKHz或以上現在尚未大量使用.但隨著以后精密清洗的不斷發展。相信使用面會逐步擴大.

    功率放大器可有多種形式,如電子管甲類放大器.甲乙類放大器;晶體管甲類或乙類放大器(均屬于模擬式):晶體管開關式放大器等,功率一般從50W到5000W不等,由信號發生器產生的頻率信號經過功率放大器后需經過阻抗匹配,使得輸出的阻抗與換能器相符,推動換能器將電信號轉換為機械振動.

    比較完善的超聲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,我們知道當發生器的供電電源(電壓)發生變化時.發生器的輸出功率也會發生變化,這時反映在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.當換能器工作在諧振頻率點時其效率最高,工作最穩定,而換能器的諧振頻率點會由于裝配原因和工作老化后改變,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發生器,使信號發生器的頻率在一定范圍內跟蹤換能器的諧振頻率點.讓發生器工作在最佳狀態。當然隨著現代電子技術,特別是微處理器(uP)及信號處理器(DSP)的發展,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上所述的內容,只是每部分在實現時技術不同而已。

    發生器發展的幾個階段

    發生器發展可以分為三個大的階段;第一個階段是采用電子管放大器;第二個階段是采用晶體管模擬放大器;第三個階段是采用晶體管數字(開關)放大器。

    3.1電子管放大器

    在早期上世紀80年代前,信號的功率放大還采用電子管.采用電子管的唯一好處呈它的動態范圍較寬.這個好處對于音頻放大器致關重要,但對超聲波發生器沒有什么用處,因此一旦功率晶體管出現后即遭淘汰.電子管的缺點很多,例如,功耗大。體積大、壽命短,效率低。

    3.2晶體管模擬放大器

    上世紀80年代到90年代中旬,功率晶體管發展已非常成熟,各種OCL及OTL電路均適用于發生器.它的原理圖如圖2所示.

    信號發生器產生一個特定頻率的正弦波,經前置放大器進行信號放大,推動功率放大器進行功率放大。再經阻抗變換,提供給換能器,其中VCC,VEE是通過變壓.整流、濾波后的直流電源。

    但模擬功率放大器有幾個缺點:

    (1)功耗較大。由于OTL,OCL電路理論效率只有78%左右,實際效率更低,功耗大,導致功率管發熱嚴重,需要較大的散熱功率.功率管的發熱導致工作不太穩定.

    (2)體積大、重量重.由于功率管輸出的功率受到

    限制,要輸出較大的功率需要更多的功率管,況且發生器所需求的直流電源是通過變壓器降壓。整流。濾波后得到的.大功率的變壓器比較重,效率也比較低.

    (3)不易使用現代的微處理器來處理,由于該電路呈現一個比較典型的模擬線路特征,用數字處理比較復雜,涉及到A/D(模擬轉數字)和D/A(數字轉模擬),成本比較高,可靠性低


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