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超聲波電源，超聲波驅(qū)動器
閱讀：2124 發(fā)布時間：2021-11-8 超聲波電源通常稱為超聲波發(fā)生器，是將標準的50Hz或60Hz輸入電壓轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號。從放大電路形式，可以采用線性放大電路和開關電源電路，大功率超聲波電源從轉換效率方面考慮一般采用開關電源的電路形式。從超聲業(yè)界的情況看，超聲波主要分為自激式（模擬電源常用于焊接）和它激式電源（數(shù)控電源常用于聲化學）。
超聲波電源復雜性
應用設備電源的瞬時功率特性可分為四類（通常取決于負載類型），這四類特性在一定程度上決定了所需電源的要求。
電源恒功率：在負載循環(huán)期間，功率是恒定的。當負荷相對恒定時，如在霧化或空化作用時，就會發(fā)生這種情況。
可預測功率：功率在整個負載周期中都會變化，但以可預測的方式變化（即，從一個負載周期到下一個負載周期，功率變化是相同的），超聲波檢測就是一個例子。
部分可預測功率：功率在整個負載周期中都會變化，但會以半可預測的方式變化（即，總功率趨勢是相同的，但各部分之間可能會有一些變化）例如，某些金屬焊接部件可能具有較厚的氧化物層或鍍層，這需要更多的時間進行擦洗。同樣，某些塑料焊接零件可能會有更多的脫?，F(xiàn)象。
不可預測的功率：可以在較大范圍內(nèi)預測功率，但無法預測瞬時功率。一個例子是超聲塑料切割，其中塑料的組成隨切割深度而變化。
共振類型
必須規(guī)定超聲波電源以串聯(lián)或并聯(lián)諧振方式工作，每種共振方式都有自身的優(yōu)勢，兩者都被廣泛使用。無論選擇哪個，換能器都必須兼容（即，設計用于串聯(lián)諧振的超聲波換能器在并聯(lián)諧振時將無法正常運行，反之亦然）。
自動調(diào)節(jié)
鎖定主共振
所有的超聲設備都有一個主共振(理想的工作共振)，此外，還會有二次共振，當超聲波電源啟動時，它必須鎖定主共振而忽略次共振。
跟蹤主共振
在超聲設備使用過程中，主共振的頻率可能會發(fā)生偏移。隨著電池堆溫度的升高，該頻率可能會降低（由于內(nèi)部損耗或負載傳遞的熱量）。由于陶瓷的非線性，在大功率下頻率可能會下降。由于對負載的反應，頻率可能會發(fā)生變化，該變化可以是正的或負的。下圖顯示了在超聲金屬焊接過程中大約下降了200 Hz頻率。
超聲波金屬焊接時的堆疊頻率
不管什么原因，電源必須能夠自動地跟隨這個頻移。否則，頻率的微小變化將導致電源組輸出振幅明顯下降。這是因為超聲堆棧通常具有非常窄的帶寬，例如，對于圖1中所示的20kHz工業(yè)傳感器，當驅(qū)動源突然斷開時，通過振幅衰減測量確定開路帶寬為~40Hz（即，Q為~500）。在這種情況下，從共振頻率偏移僅20Hz將減少30%的換能器振幅和50%的可用功率輸出（假設恒定的電輸入）。
當添加額外的堆棧組件（超聲波變幅桿+工具頭）時，情況變得更糟（Q增大而帶寬減?。?。然后頻率跟蹤變得更加關鍵。但是請注意，在負載下，隨著能量傳遞到負載，品質(zhì)因數(shù)Q值可能會顯著下降（即帶寬增加）。
頻率跟蹤通常由鎖相環(huán)（PLL）處理，其中電流和電壓之間的相位角保持在恒定值。理想地，電流和電壓將同相，從而使負載看起來是電阻性的（即，無電抗性分量）。但是，實際上，這在高Q（窄帶寬）系統(tǒng)中是不可能的，在該系統(tǒng)中，較小的頻率變化會導致較大的相位變化。在這樣的系統(tǒng)中，PLL可能難以保持相位。在這種情況下，稍微異相的操作可以使PLL具有更好的性能。
自動調(diào)整幅度
大多數(shù)應用可以通過控制輸出振幅而不是功率來實現(xiàn)好控制。原因是功率是力和速度的乘積（其中速度與輸出振幅有關）。因此，可以通過低速的較大的力或高速的較小的力或介于兩者之間的力來實現(xiàn)。盡管所有這些條件都可以產(chǎn)生相同的功率，但應用程序可能只對其中一個條件做出好響應。因此，振幅應視為獨立（輸入控制）變量，功率一般應視為相關(輸出合成)變量。
當堆棧在空氣中運行（即空載）時，它將具有給定的輸出振幅。
調(diào)諧電感
超聲系統(tǒng)的一個特點是即使負載是純電阻性的，頻率也會在負載下移動。隨著負載的增加，串聯(lián)和并聯(lián)諧振會相互靠近。在臨界負載下，這兩個共振會聚。在臨界負載以上，系統(tǒng)不再共振。
為了克服這種情況，必須添加一個調(diào)諧電感器。為了在串聯(lián)諧振下工作，調(diào)諧電感與陶瓷并聯(lián)添加。為了在并聯(lián)諧振下工作，將調(diào)諧電感器與陶瓷串聯(lián)，該電感的阻抗應等于所有陶瓷的組合電容阻抗。
次要要求
許多用的超聲波電源具有可保護系統(tǒng)的電路、軟件。這可以包括針對接地故障，電源過載，過電壓，過電流，陶瓷溫度過高和頻率跳變（從一次諧振到附近的二次諧振的跳變）的保護。該電路、軟件還可以用于監(jiān)視或控制超聲過程。