超声波发生器与换能器的匹配设计天堂的乌鸦的日志- 网易博客
选自《近代超声原理与应用》 袁易全主编 作者:陈思忠 一、匹配概述
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
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
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
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:
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。
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。
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
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
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<L并,
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。
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。
四、关于匹配电感的设计
设计电感有以下几个步骤;
一般选MXO一2000E型磁芯较多,匝数计算如下;
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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