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                            超聲波換能器的匹配設計

                            2014/11/21 16:48:37點擊:

                            一、匹配概述

                                超聲波發生器與換能器匹配包括兩個方面,一是通過匹配使發生器向換能器輸出額定的電功率,這是由于發生器需要一個最佳的負載才能輸出額定功率所致,把換能器的阻抗變換成最佳負載,也即阻抗變換作用;

                            二是通過匹配使發生器輸出效率最高,這是由于換能器有靜電抗的原因,造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定相位差,從而使輸出功率得不到期望的最大輸出, 使發生器輸出效率降低,因此在發生器輸出端并上或串上一個相反的抗,使發生器負載為純電阻,也即調諧作用。由此可見匹配的好壞直接影響著功率超聲源的產生 和效率。

                             

                            二、阻抗匹配

                            為了使功率放大器輸出額定功率最大;在電源電壓給定條件下主要取決于負載阻抗。一般在D類開關型功放中其發生器變壓器初級等效負載Rl'上的輸出功率表達式為:




















                                   <!--[if !vml]-->              <!--[endif]-->      

                            式中,VAm為等效負載上的基波幅度;



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            vcc為電源電壓;vces為功放管飽和壓降,故



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                                為了保證系統有一定功率余量(因輸出變壓器,末級匹配回路及晶體管損耗電阻都有損耗,po' 需要乘上一個約等于1415的系數。即輸出功率po15Po';

                            從上式可知,在電源電壓給定之后,輸出功率的大小取決于等效負載RL。目前大多數功率超聲發生器的負載為壓電型換能器,其阻抗約為幾十歐姆至幾百歐姆間,為了要達到要求的額定功率,因此需要對換能器負載RL進行阻抗變換。由高阻抗變換為低阻抗。一般常用的方法,通過輸出變壓器的初次級線圈的匝數比進行變換。變壓器次初級匝數比為nm,則輸出功率PO時的初級電阻



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            舉例:要求一發生器輸出在換能器上的功率為1000W,設直流電VCC220V,VCES=10V,功率應留有一定余量,則PO=1.5PO'=1500W。則變壓器初級的



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      
                            6.5Ω

                            若換能器諧振時等效電阻RL200Ω,則輸出變壓器次級/初級圈數比



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                                以上稱謂阻抗變換,是通過輸出變壓器實行的。

                                輸出變壓器是超聲波發生器阻抗匹配、傳輸功率的重要部件,它的設計與繞制工藝對發生器的工作安全是十分重要的。它不僅會以漏感、勵磁電流等方式影響電路的工作,其漏感還是形成輸出電壓尖峰的主要原因。為此,在設計時,應選取具有高磁通密度B,高導磁率μ,高電阻率ρc 低矯頑力Hc的高飽和材料作鐵芯。一般在防止高頻變壓器的瞬態飽和時,在設計時要注意如下幾點:

                                1.工作磁通密度B的選取

                                鐵芯材料的磁感應增量ΔB愈大,所需線圈匝數愈少,直流電阻R也愈小,從而線圈的銅損 Pm也愈小。ΔB取得高時,傳輸的脈沖前沿就愈陡。因此,在設計變壓器時,選取高磁通密度的材料作鐵芯,這對降低變壓器的損耗、減小體積和重量都是很有利的。為了避免在穩態或過渡過程中發生飽和,一般選取工作磁通密度BBs3為宜,這里Bs為磁芯的最大和磁通密度。

                                2.要保證初級電感量足夠大

                                一般要求變壓器初級阻抗應滿足下式關系:WLl15RL',其中RL' 為次級負載所算到初級邊的等效電阻值,WLl為初級電感感抗,若初級電感量太小,勵磁電流將比較大,勵磁電流過大,變壓器的損耗將增加,溫升隨之增高,從而降低Bs,使變壓器進入飽和的可能性增大。

                                3.要考慮“集膚效應”的影響   

                             在高頻工作時,流過導線的電流會產生“集膚效應”。這相當于減少了導線有效截面積,增加了導線的電阻,從而引起導線的壓降增大,導致變壓器溫度升高,結果增大了變壓器進入飽和的危險性,建議采用小直徑的多股導線并繞的方法。

                             

                                三、調諧匹配

                                由于壓電換能器有靜電容Co,磁致伸縮換能器有靜電感LO,在換能器諧振狀態時,換能器上的電壓VRL與電流IRL間存在著一相位角φ,其輸出功率POVRLIRLcosφ。由于φ的存在,輸出功率 達不到最大值。只有當φ=0時,輸出功率達最大值。因此為了使換能器上電壓VRL與電流IRL同相  (φ=0),則必須在換能器上,并上或串上一個相抵消的抗。對于壓電換能器而言,即并上或串上一 個電感L0即可,而磁致伸縮換能器應并上或串上一個電容C0。

                                壓電換能器的阻抗或導納等效電路如圖152所示。

                                在等效電路圖中



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                             式中R'(f),X'(f)為串聯電阻和電抗;R(f),G(f),B(f)為并聯電阻、電導和電納。它們都是頻率 的函數。并聯調諧和串聯調諧電感量由下式確定:



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            下面我們比較一下兩種調諧的差異       

                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                            1-53,1-54是一種換能器兩種調諧計算曲線,由計算表明,

                             

                            1由于換能器的串聯電抗比并聯電抗小,故有L<L并,

                             

                            2并聯調諧不改變換能器并聯電導響應,而串聯調諧后電導響應呈雙峰,導納圓圖為二個重疊的圓。



                                   <!--[if !vml]-->       <!--[endif]-->       3串聯調諧的有功阻比并聯調諧后有功阻小,即串聯調諧可獲得相對低的輸入電阻。

                             

                            4從串、并聯調諧的輸入相角過零點情況看,作為寬帶特性并聯調諧優于串聯調諧。

                            5目 前在功率超聲中用串聯調諧較多,除上述串聯的特性外,還有當換能器負載有短路現象時,因串聯調諧有電感串在發生器輸出回路中,不會使功放負載造成完全短 路。在實際匹配電路調節中,有時要稍調獲感性負載為好,對功放電路有利,有的末極功放發射極上串上一小電感可能也有好處。前面也曾提到,作為電壓開關的D類功放,容性負載造成對高次諧波的短路作用,會給開關帶來危險。但也要注意感性負載會使管子反峰電壓增加。

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                             

                            四、關于匹配電感的設計

                            匹配電感通常就是鐵蕊線圈的電感,其電感量可按下式計算。

                             



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            式中ω為線圈匝數,Sc為鐵芯有效截面積(cm2);lc鐵芯平均磁路長度(cm);μe鐵芯有效磁導率,



                                   <!--[if !vml]-->      

                                    <!--[endif]-->      

                            式中,μ~鐵芯磁導率,lg鐵芯中非磁致間隙長度(cm);因為lg/lc〉〉1μ~,



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            所以



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            由此可見電感L與間隙lg近似成反比,調節lg間隙即可調節LO。

                            設計電感有以下幾個步驟;

                            <!--[if !supportLists]-->       (1)            <!--[endif]-->       ωsc選鐵芯



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            式中V為輸出電壓有效值(V);f為工作頻率(Hz);B為鐵芯磁感應強度。

                            一般選MXO2000E型磁芯較多,匝數計算如下;



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            (2)計算磁芯間隙lg

                                      

                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                             (3)確定導線

                                考慮到高次諧波和超聲頻率較高,順計及高頻電流的鄰近效應和集膚效應的因素。當f>10kHz時由鄰近效應引起的交流電阻R~約為其直流電阻Rd210倍,銅耗pr也要比直流銅耗Pro增大同樣倍數。令增大倍數為k,則:

                            Pr=kPro

                            因此,為維持電感線圈的正常升溫,電流密度必須按照常規允許值的1k-1來選擇。

                            關于集膚效應,常用高頻電流的穿透深度B來表示:



                                   <!--[if !vml]-->               <!--[endif]-->      

                            式中,μ為導線磁導率,r為導線電導率。

                            為減少集膚效應的影響,所選導線直徑D必須小于兩倍穿透深度B,否則采用扁平線或者高頻線。

                            在功率超聲中其頻率為15-40千赫的匹配電感導線可以采用多股塑膠線,一般問題不大。

                            匹配電感連續工作8小時如果溫升正常,則表明設計是成功的。

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