幾款大功率超聲波發(fā)生器的電路設(shè)計及原理圖解

　　超聲波發(fā)生器，是一種將市電轉(zhuǎn)換為換能器相應(yīng)的高頻交流電以驅(qū)動換能器進行工作的設(shè)備，是大功率超聲波系統(tǒng)的一重要構(gòu)成部分，也可將其稱為電子箱、超聲波驅(qū)動電源、超聲波控制器。雖說大功率超聲波發(fā)生器也可將其稱為超聲波驅(qū)動電源，但實際上，超聲波發(fā)生器只是超聲波驅(qū)動電源的一部分。超聲波電源按激勵方式的不同可分為自激式和它激式，而超聲波發(fā)生器指的就是它激式超聲波電源，由于它激式振蕩電路在輸出功率方面較自激式高出10%以上，因此目前大多數(shù)均采用的超聲波發(fā)生器作為驅(qū)動電源。

大功率超聲波發(fā)生器電路圖大全（四款大功率超聲波發(fā)生器電路設(shè)計原理圖詳解）

超聲波發(fā)生器的輸入是一個固定頻率的信號，該信號波形不定，可正弦、可脈沖，但其頻率固定為換能器的頻率，一般為20、25、28、33、40、60KHz等。經(jīng)由超聲波發(fā)生器的內(nèi)部轉(zhuǎn)換，其輸出為功率信號、頻率跟蹤信號等。

由于隨輸入信號的變化，輸出信號呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的狀態(tài)，因此在部分超聲波發(fā)生器內(nèi)部還含有反饋部分，其反饋作用主要體現(xiàn)在兩個方面：

一方面，輸入信號的變化導(dǎo)致輸出功率的不穩(wěn)定，使得換能器機械振動不規(guī)律，造成清洗效果不佳等后果，加入反饋部分后，功率反饋信號對輸出功率進行調(diào)節(jié)，使得其不隨輸入信號的變化而變化，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)，換能器進行規(guī)律的機械振動使得清洗效果變好。

另一方面，換能器頻率處于諧振頻率點時效率最高，但在實際情況中，由于各種原因無法使得其始終工作在最佳狀態(tài)下，因此反饋部分發(fā)揮其作用，提供頻率跟蹤信號，控制信號發(fā)生器發(fā)出的信號始終在換能器的諧振點處，使其一直工作于最佳狀態(tài)下。

圖1是系統(tǒng)電路原理框圖，它由電網(wǎng)濾波器、工頻整流及濾波、高頻逆變、高頻變壓器、超聲換能器以及PWM電路組成。

大功率超聲波發(fā)生器電路圖大全（四款大功率超聲波發(fā)生器電路設(shè)計原理圖詳解）

主電路原理如圖2所示。高頻逆變器中的功率開關(guān)管采用目前國際上最先進的電力電子器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管。它是將MOSFET和GTR的優(yōu)點集于一體的新型復(fù)臺器件，具有MOSFET的高輸入阻抗，GTR的低通態(tài)功耗的特點。

大功率超聲波發(fā)生器電路圖大全（四款大功率超聲波發(fā)生器電路設(shè)計原理圖詳解）

來自電網(wǎng)的220V50HZ的電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波器C1、C2、L1L2、可控硅半控全橋整流D1～D4、p型濾波后得到0~220V連續(xù)可調(diào)的直流電壓U1，該直流電壓加到半橋式的逆變器上，功率開關(guān)管T1和T2在一對互差180’的方波脈沖觸發(fā)下輪流導(dǎo)通和截止，將直流電壓變換成交變的高頻方波電壓，經(jīng)高頻變壓器B（采用鐵基非晶高顙磁性材料）變換后輸出U3加到超聲換能器上，根據(jù)超聲換能器的諧振頻率和阻抗，選擇變壓器的變比和U2的大小，U2的大小還可以通過調(diào)節(jié)整流可控硅導(dǎo)通角予以調(diào)節(jié)。

大功率超聲波發(fā)生器電路圖大全（四款大功率超聲波發(fā)生器電路設(shè)計原理圖詳解）

這個基本的超聲波發(fā)生器既容易做，又不費時。只需一個NE555，用來驅(qū)動揚聲器。頻率范圍是12-50kHz。SPKRI是一個壓電高頻揚聲器。

為了遙控幻燈投影機常需要有4個不同頻率的通道信號，即“前進”、“后退”、“向前聚焦”和“向后聚焦”，此時可采用如圖所示發(fā)送器電路。其中由晶體管T1構(gòu)成振蕩電路，在電感L1保持不變時通過接入不同電容產(chǎn)生四種不同頻率的信號。圖中“V”表示前進，“S”表示后退，S+和S-分別表示向前和向后聚焦。

電感量：L1 5～3=35mH，L1 3～6=79uH L2 5～6=5.1mH，L2 6～4=480uH。匝數(shù)：n1 5～3=1150匝，0.06mm銅漆包線；n1 5～6=55匝，0.06mm銅漆包線；n2 5～6=440匝，0.1mm銅漆包線；n2 6～4=140匝，0.1mm銅漆包線。

大功率超聲波發(fā)生器電路圖大全（四款大功率超聲波發(fā)生器電路設(shè)計原理圖詳解）

超聲波電源系統(tǒng)主要由220V電源、整流濾波、高頻逆變單元、匹配網(wǎng)絡(luò)、檢測電路、PWM產(chǎn)生電路和驅(qū)動電路組成，如圖1所示。

大功率超聲波發(fā)生器電路圖大全（四款大功率超聲波發(fā)生器電路設(shè)計原理圖詳解）

220V單相交流電經(jīng)過二極管不可控整流電路得到直流電壓，然后經(jīng)過由MOSFET組成的高頻逆變電路得到滿足換能器要求的高頻電壓。為減少高頻工作條件下MOSFET的開關(guān)損耗，高頻逆變電路采用帶輔助網(wǎng)絡(luò)的全橋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。此電路結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)零電壓開關(guān)（ZVS）PWM電路變壓器漏感小且滯后橋臂難于實現(xiàn)ZVS的問題。同時，根據(jù)電流增強原理，此電路結(jié)構(gòu)可在任意負載和輸入電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)，大大減少了占空比丟失。超聲波電源與換能器匹配的好壞將決定整個電路的控制效果。因此，應(yīng)該對匹配網(wǎng)絡(luò)每個參量（高頻變壓器匝比K，輸出匹配電感Lf）進行嚴格的計算。匹配主要指為使發(fā)生器輸出額定電功率，進行阻抗變換匹配。以及為使發(fā)生器輸出最高效率進行調(diào)諧匹配。

大功率超聲波發(fā)生器電路圖大全（四款大功率超聲波發(fā)生器電路設(shè)計原理圖詳解）

采用56F803型DSP作為控制電路的核心處理器．它內(nèi)置2 KB SRAM，31．5 KB FLASH，同時，其40 MHz的CPU時鐘頻率比其他單片機具有更強的處理能力。6路PWM信號可以實現(xiàn)高頻逆變電路開關(guān)管MOSFET的移相控制。12位A／D轉(zhuǎn)換器采集可以實現(xiàn)電壓和電流采樣并滿足采樣數(shù)據(jù)精度的要求。利用56F803型DSP中定時器的捕獲功能可以精確計算相位差大小，實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤控制。串行外設(shè)接口SPI與MCl4489配合使用可以實現(xiàn)對5位半數(shù)碼管的控制．從而實現(xiàn)系統(tǒng)頻率和功率的顯示。另外，56F803還支持C語言與匯編語言混合編程的SDK軟件開發(fā)包．可以實現(xiàn)在線調(diào)試。