專利名稱：用于驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波電源，具體涉及一種驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波發(fā)生器。
背景技術(shù)：
目前功率超聲波在清洗、焊接、植物有效成分提取、聲化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上應(yīng)用的超聲波通常是由一定頻率的電磁波經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換而來。超聲波換能器包括電源部分和換能器部分，其中換能器包括壓電換能器和磁致伸縮換能器。壓電換能器能量轉(zhuǎn)換效率高，成本低，在市場(chǎng)上占有主導(dǎo)地位。不過，即使其能量轉(zhuǎn)換效率高，但仍不可避免換能器工作過程中由于換能材料的介電損耗和機(jī)械損耗產(chǎn)生的熱量，這部分熱量難以通過輔助手段帶走，從而引起換能材料的溫度升高，會(huì)給壓電換能器工作帶來不利影響，特別是在大功率驅(qū)動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下，這會(huì)成為限制壓電換能器使用的主要因素。此外，壓電換能器工作的頻帶窄，面對(duì)不斷變化的負(fù)載，其需要適時(shí)地跟蹤換能器的頻率，以使換能器工作在最佳狀態(tài)，因此壓電換能器的電源通常都設(shè)有頻率自動(dòng)跟蹤部分，這在無形中推聞超聲波換能器的成本。磁致伸縮換能器的特點(diǎn)是產(chǎn)生超聲波的頻率較低，通常在數(shù)十千赫茲范圍，雖然其能量轉(zhuǎn)換效率不及壓電換能器，但是由于可使用外加輔助手段帶走換能材料工作過程中產(chǎn)生的熱量，因而能產(chǎn)生很大的輻射功率，可達(dá)數(shù)千瓦；而且其機(jī)械強(qiáng)度很大，工作頻帶寬，因此在強(qiáng)功率超聲波領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。由于該類換能器中磁致伸縮材料通常在偏磁狀態(tài)下工作，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)磁致伸縮材料施加偏置磁場(chǎng)。一種方法是在設(shè)計(jì)換能器時(shí)添加永磁材料來提供這種直流偏置磁場(chǎng)。該法一方面使換能器的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜；而且當(dāng)大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于換能器工作過程中永磁體常處于很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)中，永磁體的性能會(huì)不斷變壞，從而導(dǎo)致?lián)Q能器的性能變壞甚至無法工作。另一種方法是在超聲電源中提供合適的直流電流，該直流電施加于纏繞在磁致伸縮材料的線圈上，從而使磁致伸縮材料處于偏磁狀態(tài)。該方法更適合用于大功率驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器領(lǐng)域。因此，就驅(qū)動(dòng)壓電換能器和磁致伸縮換能器的電源而言，其最大的不同在于驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的電源還需向換能器提供一路直流電流。超聲波電源的主要作用是向換能器提供功率和頻率可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的電信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)換能器工作。當(dāng)前主流的壓電換能器超聲波電源，其基本組成部分包括整流濾波電路、功率逆變電路、匹配電路以及向逆變電路中的功率開關(guān)管輸出控制信號(hào)的振蕩及驅(qū)動(dòng)電路。目前，超聲波驅(qū)動(dòng)電源正朝著寬頻率范圍、大功率范圍、頻率自動(dòng)跟蹤及數(shù)字化方向發(fā)展，使得超聲波電源的功能更加完整，自動(dòng)化程度更高。不過，對(duì)于驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源其交流和直流施加的方式卻仍然比較傳統(tǒng)。如圖1所示，傳統(tǒng)的磁致伸縮換能器超聲波電源主要由整流濾波電路、功率逆變電路、匹配與隔離電路、向逆變電路中的功率開關(guān)管輸出控制信號(hào)的低壓控制觸發(fā)電路組成。通常的做法是，分別為換能器的兩端提供交流部分和直流部分，高頻電源輸出變壓器輸出端連接隔直電容再連接超聲波換能器，直流電源連接扼流圈再連接換能器，從而達(dá)到交流通路和直流通路彼此隔離的目的。這樣做的缺點(diǎn)也是顯而易見的，由于添加了直流通路使得電源成本高、體積大，這是阻礙磁致伸縮換能器應(yīng)用的主要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源的不足，提供一種無需額外的直流通路對(duì)磁致伸縮材料進(jìn)行偏磁的超聲波電源。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種用于驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源，包括整流濾波電路、功率逆變電路、向功率逆變電路中的功率開關(guān)管輸出控制信號(hào)的低壓控制觸發(fā)電路、匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路；整流濾波電路的輸入端連接電源，輸出端連接功率逆變電路；低壓控制觸發(fā)電路分別連接電源和功率逆變電路；功率逆變電路連接匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路，匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路連接磁致伸縮換能器L ；
所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路包括一高頻輸出變壓器T，高頻輸出變壓器T的原邊連接功率逆變電路，本發(fā)明的改進(jìn)之處在于:
所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路還包括二極管D和電阻R5，二極管D和電阻R5并聯(lián)后再與磁致伸縮換能器L串聯(lián)在高頻輸出變壓器T的副邊回路中。其中，所述功率逆變電路采用半橋功率逆變放大電路。本發(fā)明的原理是這樣的，所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路的副邊負(fù)載呈感性，匹配的目的是在換能器上獲得適合的有效功率，負(fù)載調(diào)節(jié)的目的是通過調(diào)節(jié)高頻輸出變壓器T副邊回路的負(fù)載而獲得不對(duì)稱的交流電流。高頻輸出變壓器T受到上一級(jí)功率逆變電路的驅(qū)動(dòng)，在高頻輸出變壓器T的副邊產(chǎn)生感應(yīng)的交流電；在匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路中添加二極管D和電阻R5，利用二極管的單向?qū)щ娦?，使得高頻輸出變壓器T副邊輸出的交流電的正負(fù)半周各自對(duì)應(yīng)的負(fù)載不等，從而使得交流電的正負(fù)半周通過磁致伸縮換能器L時(shí)，磁致伸縮換能器L獲得不對(duì)稱的交流電流，于是從效果上看相當(dāng)于對(duì)換能器施加了簡(jiǎn)諧交流和直流，從而達(dá)到使換能器處于偏磁狀態(tài)的目的。本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)在于不需要額外增加直流通路就使換能器在偏磁狀態(tài)下正常工作，從而在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了磁致伸縮換能器的驅(qū)動(dòng)電路，不僅利于電源的小型化，而且極大地降低了電源的制造成本。


圖1為傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器超聲波電源的電路框圖。圖2為本發(fā)明的超聲波電源的電路框圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的功率逆變電路和匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的電路框圖如圖2所示，包括整流濾波電路2、功率逆變電路3、向功率逆變電路3中的功率開關(guān)管輸出控制信號(hào)的低壓控制觸發(fā)電路4、匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路5 ;整流濾波電路2的輸入端連接電源I，輸出端連接功率逆變電路3 ;低壓控制觸發(fā)電路4分別連接電源I和功率逆變電路3 ;功率逆變電路3連接匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路5，匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路5連接磁致伸縮換能器L。與圖1所示的傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源的原理框圖相比，本發(fā)明的超聲波電源取消了額外的直流通路，從而也不必采用隔離電路；±曾加了負(fù)載調(diào)節(jié)電路，從而達(dá)到使換能器工作在偏磁狀態(tài)下的目的。通常，隔離電路中需要使用電感和電容等電子元件，其體積大、成本高，而負(fù)載調(diào)節(jié)電路使用二極管和電阻等電子元件，其成本低、體積小。本發(fā)明的功率逆變電路3和匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路5如圖3所示。其中功率逆變電路3采用半橋功率逆變放大電路，Ql和Q2為功率開關(guān)管，RU R2為橋平衡電阻，Cl、C2為橋臂電容，R3、R4、C3、C4為功率開關(guān)管吸收電路元件，其組成形式與傳統(tǒng)超聲波電源的半橋功率逆變放大電路相同。所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路5由高頻輸出變壓器T、二極管D、電阻R5組成；高頻輸出變壓器T的原邊連接上一級(jí)功率逆變電路3。高頻輸出變壓器T的副邊的第一端連接磁致伸縮換能器L的一端，磁致伸縮換能器L的另一端連接二極管D的陰極和電阻R5的一端；二極管D的陽極和電阻R5的另一端連接高頻輸出變壓器T的副邊的第二端。匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路5的作用是使磁致伸縮換能器L處于偏磁狀態(tài)，且獲得合適的功率，保證換能器的正常工作。高頻輸出變壓器T副邊輸出交流電流，當(dāng)電流i按圖中所示箭頭方向流通，二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)，高頻輸出變壓器T副邊電路的負(fù)載為磁致伸縮換能器L的等效負(fù)載與電阻R5之和；當(dāng)電流i按圖中所示箭頭方向的相反方向流通，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于二極管D動(dòng)態(tài)電阻很小，相當(dāng)于對(duì)電阻R5起到短路作用，此時(shí)高頻輸出變壓器T副邊電路的負(fù)載為磁致伸縮換能器L的等效負(fù)載。從而高頻輸出變壓器T副邊輸出交流電正半周和負(fù)半周時(shí)高頻輸出變壓器T副邊電路的負(fù)載不同，實(shí)現(xiàn)了流過磁致伸縮換能器L的電流為正負(fù)半周不對(duì)稱交流電流的目的。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源，包括整流濾波電路(2)、功率逆變電路(3)、向功率逆變電路(3)中的功率開關(guān)管輸出控制信號(hào)的低壓控制觸發(fā)電路(4)、匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路(5);整流濾波電路(2)的輸入端連接電源(I)，輸出端連接功率逆變電路(3);低壓控制觸發(fā)電路⑷分別連接電源⑴和功率逆變電路(3);功率逆變電路(3)連接匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路(5)，匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路(5)連接磁致伸縮換能器L ; 所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路(5)包括一高頻輸出變壓器T，高頻輸出變壓器T的原邊連接功率逆變電路(3)，其特征在于: 所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路(5)還包括二極管D和電阻R5，二極管D和電阻R5并聯(lián)后再與磁致伸縮換能器L串聯(lián)在高頻輸出變壓器T的副邊回路中。
2.如權(quán)利要求1所述的用于驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源，其特征在于:所述高頻輸出變壓器T的副邊的第一端連接磁致伸縮換能器L的一端，磁致伸縮換能器L的另一端連接二極管D的陰極和電阻R5的一端；二極管D的陽極和電阻R5的另一端連接高頻輸出變壓器T的副邊的第二端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于驅(qū)動(dòng)磁致伸縮換能器的超聲波電源，包括整流濾波電路、功率逆變電路、向功率逆變電路中的功率開關(guān)管輸出控制信號(hào)的低壓控制觸發(fā)電路、匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路；所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路包括一高頻輸出變壓器T，高頻輸出變壓器T的原邊連接功率逆變電路，本發(fā)明的改進(jìn)之處在于所述匹配及負(fù)載調(diào)節(jié)電路還包括二極管D和電阻R5,二極管D和電阻R5并聯(lián)后再與磁致伸縮換能器串聯(lián)在高頻輸出變壓器T的副邊回路中。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了流過磁致伸縮換能器的電流為正負(fù)半周不對(duì)稱交流電流的目的，不需要額外增加直流通路就使換能器在偏磁狀態(tài)下正常工作，簡(jiǎn)化了磁致伸縮換能器的驅(qū)動(dòng)電路。
文檔編號(hào)H02M5/44GK103187880SQ20131011046
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者孫赟碩 申請(qǐng)人:無錫正一生源科技有限公司