CN203219185U - 用于驱动磁致伸缩换能器的超声波电源 - Google Patents
用于驱动磁致伸缩换能器的超声波电源 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种用于驱动磁致伸缩换能器的超声波电源，包括整流滤波电路、功率逆变电路、向功率逆变电路中的功率开关管输出控制信号的低压控制触发电路、匹配及负载调节电路；所述匹配及负载调节电路包括一高频输出变压器T，高频输出变压器T的原边连接功率逆变电路，本实用新型的改进之处在于：所述匹配及负载调节电路还包括二极管D和电阻R5，二极管D和电阻R5并联后再与磁致伸缩换能器串联在高频输出变压器T的副边回路中。本实用新型实现了流过磁致伸缩换能器的电流为正负半周不对称交流电流的目的，不需要额外增加直流通路就使换能器在偏磁状态下正常工作，简化了磁致伸缩换能器的驱动电路。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声波电源，具体涉及一种驱动磁致伸缩换能器的超声波发生器。
背景技术
目前功率超声波在清洗、焊接、植物有效成分提取、声化学等领域有着广泛的应用。工业上应用的超声波通常是由一定频率的电磁波经换能器转换而来。超声波换能器包括电源部分和换能器部分，其中换能器包括压电换能器和磁致伸缩换能器。压电换能器能量转换效率高，成本低，在市场上占有主导地位。不过，即使其能量转换效率高，但仍不可避免换能器工作过程中由于换能材料的介电损耗和机械损耗产生的热量，这部分热量难以通过辅助手段带走，从而引起换能材料的温度升高，会给压电换能器工作带来不利影响，特别是在大功率驱动和长时间工作的情况下，这会成为限制压电换能器使用的主要因素。此外，压电换能器工作的频带窄，面对不断变化的负载，其需要适时地跟踪换能器的频率，以使换能器工作在最佳状态，因此压电换能器的电源通常都设有频率自动跟踪部分，这在无形中推高超声波换能器的成本。
磁致伸缩换能器的特点是产生超声波的频率较低，通常在数十千赫兹范围，虽然其能量转换效率不及压电换能器，但是由于可使用外加辅助手段带走换能材料工作过程中产生的热量，因而能产生很大的辐射功率，可达数千瓦；而且其机械强度很大，工作频带宽，因此在强功率超声波领域获得广泛的应用。由于该类换能器中磁致伸缩材料通常在偏磁状态下工作，因此在设计时需要对磁致伸缩材料施加偏置磁场。一种方法是在设计换能器时添加永磁材料来提供这种直流偏置磁场。该法一方面使换能器的设计变得更加复杂；而且当大功率驱动时，由于换能器工作过程中永磁体常处于很强的交变磁场中，永磁体的性能会不断变坏，从而导致换能器的性能变坏甚至无法工作。另一种方法是在超声电源中提供合适的直流电流，该直流电施加于缠绕在磁致伸缩材料的线圈上，从而使磁致伸缩材料处于偏磁状态。该方法更适合用于大功率驱动磁致伸缩换能器领域。因此，就驱动压电换能器和磁致伸缩换能器的电源而言，其最大的不同在于驱动磁致伸缩换能器的电源还需向换能器提供一路直流电流。
超声波电源的主要作用是向换能器提供功率和频率可在一定范围内调节的电信号，从而驱动换能器工作。当前主流的压电换能器超声波电源，其基本组成部分包括整流滤波电路、功率逆变电路、匹配电路以及向逆变电路中的功率开关管输出控制信号的振荡及驱动电路。目前，超声波驱动电源正朝着宽频率范围、大功率范围、频率自动跟踪及数字化方向发展，使得超声波电源的功能更加完整，自动化程度更高。不过，对于驱动磁致伸缩换能器的超声波电源其交流和直流施加的方式却仍然比较传统。如图1所示，传统的磁致伸缩换能器超声波电源主要由整流滤波电路、功率逆变电路、匹配与隔离电路、向逆变电路中的功率开关管输出控制信号的低压控制触发电路组成。通常的做法是，分别为换能器的两端提供交流部分和直流部分，高频电源输出变压器输出端连接隔直电容再连接超声波换能器，直流电源连接扼流圈再连接换能器，从而达到交流通路和直流通路彼此隔离的目的。这样做的缺点也是显而易见的，由于添加了直流通路使得电源成本高、体积大，这是阻碍磁致伸缩换能器应用的主要原因。
发明内容
本实用新型的目的是克服上述驱动磁致伸缩换能器的超声波电源的不足，提供一种无需额外的直流通路对磁致伸缩材料进行偏磁的超声波电源。本实用新型采用的技术方案是：
一种用于驱动磁致伸缩换能器的超声波电源，包括整流滤波电路、功率逆变电路、向功率逆变电路中的功率开关管输出控制信号的低压控制触发电路、匹配及负载调节电路；整流滤波电路的输入端连接电源，输出端连接功率逆变电路；低压控制触发电路分别连接电源和功率逆变电路；功率逆变电路连接匹配及负载调节电路，匹配及负载调节电路连接磁致伸缩换能器L；
所述匹配及负载调节电路包括一高频输出变压器T，高频输出变压器T的原边连接功率逆变电路，本实用新型的改进之处在于：
所述匹配及负载调节电路还包括二极管D和电阻R5,二极管D和电阻R5并联后再与磁致伸缩换能器L串联在高频输出变压器T的副边回路中。
其中，所述功率逆变电路采用半桥功率逆变放大电路。
本实用新型的原理是这样的，所述匹配及负载调节电路的副边负载呈感性，匹配的目的是在换能器上获得适合的有效功率，负载调节的目的是通过调节高频输出变压器T副边回路的负载而获得不对称的交流电流。
高频输出变压器T受到上一级功率逆变电路的驱动，在高频输出变压器T的副边产生感应的交流电；在匹配及负载调节电路中添加二极管D和电阻R5，利用二极管的单向导电性，使得高频输出变压器T副边输出的交流电的正负半周各自对应的负载不等，从而使得交流电的正负半周通过磁致伸缩换能器L时，磁致伸缩换能器L获得不对称的交流电流，于是从效果上看相当于对换能器施加了简谐交流和直流，从而达到使换能器处于偏磁状态的目的。
本实用新型的突出优点在于不需要额外增加直流通路就使换能器在偏磁状态下正常工作，从而在结构上简化了磁致伸缩换能器的驱动电路，不仅利于电源的小型化，而且极大地降低了电源的制造成本。
附图说明
图1为传统的驱动磁致伸缩换能器超声波电源的电路框图。
图2为本实用新型的超声波电源的电路框图。
图3为本实用新型实施例中的功率逆变电路和匹配及负载调节电路电路图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
本实用新型的电路框图如图2所示，包括整流滤波电路2、功率逆变电路3、向功率逆变电路3中的功率开关管输出控制信号的低压控制触发电路4、匹配及负载调节电路5；整流滤波电路2的输入端连接电源1，输出端连接功率逆变电路3；低压控制触发电路4分别连接电源1和功率逆变电路3；功率逆变电路3连接匹配及负载调节电路5，匹配及负载调节电路5连接磁致伸缩换能器L。与图1所示的传统的驱动磁致伸缩换能器的超声波电源的原理框图相比，本实用新型的超声波电源取消了额外的直流通路，从而也不必采用隔离电路；增加了负载调节电路，从而达到使换能器工作在偏磁状态下的目的。通常，隔离电路中需要使用电感和电容等电子元件，其体积大、成本高，而负载调节电路使用二极管和电阻等电子元件，其成本低、体积小。
本实用新型的功率逆变电路3和匹配及负载调节电路5如图3所示。其中功率逆变电路3采用半桥功率逆变放大电路，Q1和Q2为功率开关管，R1、R2为桥平衡电阻，C1、C2为桥臂电容，R3、R4、C3、C4为功率开关管吸收电路元件，其组成形式与传统超声波电源的半桥功率逆变放大电路相同。
所述匹配及负载调节电路5由高频输出变压器T、二极管D、电阻R5组成；高频输出变压器T的原边连接上一级功率逆变电路3。高频输出变压器T的副边的第一端连接磁致伸缩换能器L的一端，磁致伸缩换能器L的另一端连接二极管D的阴极和电阻R5的一端；二极管D的阳极和电阻R5的另一端连接高频输出变压器T的副边的第二端。
匹配及负载调节电路5的作用是使磁致伸缩换能器L处于偏磁状态，且获得合适的功率，保证换能器的正常工作。高频输出变压器T副边输出交流电流，当电流i按图中所示箭头方向流通，二极管D处于截止状态，高频输出变压器T副边电路的负载为磁致伸缩换能器L的等效负载与电阻R5之和；当电流i按图中所示箭头方向的相反方向流通，二极管D处于导通状态，由于二极管D动态电阻很小，相当于对电阻R5起到短路作用，此时高频输出变压器T副边电路的负载为磁致伸缩换能器L的等效负载。从而高频输出变压器T副边输出交流电正半周和负半周时高频输出变压器T副边电路的负载不同，实现了流过磁致伸缩换能器L的电流为正负半周不对称交流电流的目的。
Claims (2)
1.一种用于驱动磁致伸缩换能器的超声波电源，包括整流滤波电路(2)、功率逆变电路(3)、向功率逆变电路(3)中的功率开关管输出控制信号的低压控制触发电路(4)、匹配及负载调节电路(5)；整流滤波电路(2)的输入端连接电源(1)，输出端连接功率逆变电路(3)；低压控制触发电路(4)分别连接电源(1)和功率逆变电路(3)；功率逆变电路(3)连接匹配及负载调节电路(5)，匹配及负载调节电路(5)连接磁致伸缩换能器L；
所述匹配及负载调节电路(5)包括一高频输出变压器T，高频输出变压器T的原边连接功率逆变电路(3)，其特征在于：
所述匹配及负载调节电路(5)还包括二极管D和电阻R5,二极管D和电阻R5并联后再与磁致伸缩换能器L串联在高频输出变压器T的副边回路中。
2.如权利要求1所述的用于驱动磁致伸缩换能器的超声波电源，其特征在于：所述高频输出变压器T的副边的第一端连接磁致伸缩换能器L的一端，磁致伸缩换能器L的另一端连接二极管D的阴极和电阻R5的一端；二极管D的阳极和电阻R5的另一端连接高频输出变压器T的副边的第二端。
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