超声波发生器与换能器的匹配设计

一、匹配概述
   超声波发生器与换能器匹配包括两个方面,一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率,这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致,把换能器的阻抗变换成最佳负载,也即阻抗变换作用;

二是通过匹配使发生器输出效率最高,这是由于换能器有静电抗的原因,造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差,从而使输出功率得不到期望的最大输出,使发生器输出效率降低,因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗,使发生器负载为纯电阻,也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
 
二、阻抗匹配
为了使功率放大器输出额定功率最大;在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为:
式中,VAm为等效负载上的基波幅度;
vcc为电源电压;vces为功放管饱和压降,故
    为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器,末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗,po' 需要乘上一个约等于1.4—1.5的系数。即输出功率po为1.5Po';
从上式可知,在电源电压给定之后,输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器,其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间,为了要达到要求的额定功率,因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法,通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n/m,则输出功率PO时的初级电阻
举例:要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W,设直流电VCC为220V,VCES=10V,功率应留有一定余量,则PO=1.5PO'=1500W。则变压器初级的
6.5Ω
若换能器谐振时等效电阻RL=200Ω,则输出变压器次级/初级圈数比
    以上称谓阻抗变换,是通过输出变压器实行的。
    输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件,它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作,其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此,在设计时,应选取具有高磁通密度B,高导磁率μ,高电阻率ρc和 低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时,在设计时要注意如下几点:
    1.工作磁通密度B的选取
    铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大,所需线圈匝数愈少,直流电阻R也愈小,从而线圈的铜损 Pm也愈小。ΔB取得高时,传输的脉冲前沿就愈陡。因此,在设计变压器时,选取高磁通密度的材料作铁芯,这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和,一般选取工作磁通密度B≤Bs/3为宜,这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。
    2.要保证初级电感量足够大
    一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系:WLl≥15RL',其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值,WLl为初级电感感抗,若初级电感量太小,励磁电流将比较大,励磁电流过大,变压器的损耗将增加,温升随之增高,从而降低Bs,使变压器进入饱和的可能性增大。
    3.要考虑“集肤效应”的影响   
 在高频工作时,流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积,增加了导线的电阻,从而引起导线的压降增大,导致变压器温度升高,结果增大了变压器进入饱和的危险性,建议采用小直径的多股导线并绕的方法。
 
    三、调谐匹配
    由于压电换能器有静电容Co,磁致伸缩换能器有静电感LO,在换能器谐振状态时,换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角φ,其输出功率PO=VRLIRLcosφ。由于φ的存在,输出功率 达不到最大值。只有当φ=0时,输出功率达最大值。因此为了使换能器上电压VRL与电流IRL同相  (φ=0),则必须在换能器上,并上或串上一个相抵消的抗。对于压电换能器而言,即并上或串上一 个电感L0即可,而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容C0。
    压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图1.52所示。
    在等效电路图中
 式中R'(f),X'(f)为串联电阻和电抗;R(f),G(f),B(f)为并联电阻、电导和电纳。它们都是频率 的函数。并联调谐和串联调谐电感量由下式确定:
下面我们比较一下两种调谐的差异
图1-53,1-54是一种换能器两种调谐计算曲线,由计算表明,
 
1由于换能器的串联电抗比并联电抗小,故有L串
 
2并联调谐不改变换能器并联电导响应,而串联调谐后电导响应呈双峰,导纳圆图为二个重叠的圆。
3串联调谐的有功阻比并联调谐后有功阻小,即串联调谐可获得相对低的输入电阻。
 
4从串、并联调谐的输入相角过零点情况看,作为宽带特性并联调谐优于串联调谐。
5目前在功率超声中用串联调谐较多,除上述串联的特性外,还有当换能器负载有短路现象时,因串联调谐有电感串在发生器输出回路中,不会使功放负载造成完全短路。在实际匹配电路调节中,有时要稍调获感性负载为好,对功放电路有利,有的末极功放发射极上串上一小电感可能也有好处。前面也曾提到,作为电压开关的D类功放,容性负载造成对高次谐波的短路作用,会给开关带来危险。但也要注意感性负载会使管子反峰电压增加。
 
四、关于匹配电感的设计
匹配电感通常就是铁蕊线圈的电感,其电感量可按下式计算。
 
式中ω为线圈匝数,Sc为铁芯有效截面积(cm2);lc铁芯平均磁路长度(cm);μe铁芯有效磁导率,
式中,μ~铁芯磁导率,lg铁芯中非磁致间隙长度(cm);因为lg/lc〉〉1/μ~,故
所以
由此可见电感L与间隙lg近似成反比,调节lg间隙即可调节LO。
设计电感有以下几个步骤;
(1)    按ωsc选铁芯
 
式中V为输出电压有效值(V);f为工作频率(Hz);B为铁芯磁感应强度。
一般选MXO一2000E型磁芯较多,匝数计算如下;
(2)计算磁芯间隙lg
  
 (3)确定导线
    考虑到高次谐波和超声频率较高,顺计及高频电流的邻近效应和集肤效应的因素。当f>10kHz时由邻近效应引起的交流电阻R~约为其直流电阻Rd的2—10倍,铜耗pr也要比直流铜耗Pro增大同样倍数。令增大倍数为k,则:
Pr=kPro
因此,为维持电感线圈的正常升温,电流密度必须按照常规允许值的1/k-1来选择。
关于集肤效应,常用高频电流的穿透深度B来表示:
 
式中,μ为导线磁导率,r为导线电导率。
为减少集肤效应的影响,所选导线直径D必须小于两倍穿透深度B,否则采用扁平线或者高频线。
在功率超声中其频率为15-40千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线,一般问题不大。
匹配电感连续工作8小时如果温升正常,则表明设计是成功的。

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2007-8-20

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