一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器的製作方法
2023-05-23 13:19:11 1
專利名稱：一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器的製作方法
技術領域：
本發明屬於功率超聲技術，主要用於超大功率的超聲波清洗、超聲波乳化、超聲波藥物萃取、超聲波汙水處理等領域。
背景技術：
現有的超聲波發生器以應用最為廣泛的超聲波清洗機為例，最小功率為50W，最大功率為40KW；最低頻率為16KHz，最高頻率為120KHz。
現有的超聲波發生器就其中的信號發生器而言，分為自激式振蕩和它激式振蕩兩種方式產生信號源。
現有的超聲波發生器就其輸出功率調節而言，主要是採用變壓器調整功率放大器的工作電壓和匹配網絡的電感量來完成的。
現有超聲波發生所存在技術上的不足之處，在於信號發生器的輸出頻率不能任意選定，而且頻率範圍最多只在16KHz-120KHz的區域內。一路信號發生器最大只可以驅動5KW的同源功率放大器，如需生產40KW以上的超聲波發生器則需採用多個信號發生器來完成，而這多個信號發生器的同頻點、同步的問題很難解決，超聲波發生器就不能達到最佳工作狀態。
超聲波發生器的功率調節，如果採用變壓器調整輸出電壓的方式，對於小功率(＜1KW)的超聲波發生器還可以應付，但對於大功率或超大功率的超聲波發生器就行不通了，因為採用的變壓器不僅體積龐大，而且成本高操作很不方便。如果功率調節採用匹配網絡的電感量的方式同樣也不適用於大功率和超大功率的超聲波發生器，因為採用這種方式的結果會增大發生器的內耗、降低功率輸出的轉換效率。
發明內容
本發明的目的就是針對現有超聲波發生器所存在的不足而提出的，其主要解決超大功率超聲波發生器共用一個振蕩源，在寬頻帶範圍內的頻率點任意可調問題。
本發明的具體技術方案是，超大功率超聲波發生器由電源電路、時鐘電路、信號發生器電路、前置驅動電路、微處理功率調節電路、功率放大及匹配電路和負載電路所組成。
所述的時鐘電路產生高精度的時鐘信號作為信號發生器的信號源，信號發生器將時鐘信號進行多級分頻，根據選擇的頻點產生從16KHz到2MHz頻率範圍的控制信號。前置驅動電路將控制信號根據需要轉換成1-100路的驅動信號，前置驅動信號經過功率放大和匹配電路獲得高電壓的輸出推動信號提供給負載電路(超聲波換能器)，從而實現了從電能到聲能的轉變。通過對微處理功率控制電路的操作，完成對輸出功率的調節、控制。
本發明所述的時鐘電路和信號發生器電路它以一個高精度的石英晶體振蕩器PXO為核心產生40MHz時鐘頻率信號，信號通過U1f、U1e整形後作為由U2-U5可預置計數器組成的分頻鎖存電路的時鐘信號，每一級的進位信號都作為下一級計數器的片選信號。U2-U4的預置埠P分別與SW1、SW2和SW3相連接，改變SW1-SW3的選擇組合即可選擇從16KHz-2MHz的工作頻率。分頻鎖存電路根據預置的數值產生相應的頻率信號由U5的數據口Q0輸出，信號經由U1c整形、反向後送到U7a的①腳，U7a的②腳是外接控制信號，當外接控制信號為高電平時選通U7a此時U7a的輸出為選定的頻率輸出信號，反之為低電平時U7a被禁止輸出為高電平。由U7a的3腳輸出的頻率控制信號加到U6的6路輸入端則產生6路的頻率控制輸出信號至OUT埠，如果增加U6同型號的集成電路則可產生多達100路的頻率控制信號，達到多路控制同源、同步的目的。頻率選擇方式(見附頻率表)所述的前置驅動電路，它由電源變壓器產生的15V交流電壓經過ZL1橋式整流器變成直流電壓通過1C1、1C2濾波加到U9(7809三端穩壓器)的輸入端，U9的輸出端則輸出+9V的直流電壓經1C3、1C4濾波後作為電路的供電電壓，信號發生器OUT埠將小電流的頻率信號送至U8(TS2811雙路驅動器)的輸入端，U8的輸出端輸出的信號觸發IQ1變換成大電流驅動源，並經過T1隔離驅動變壓器對功率放大電路提供驅動源。變壓器T1不僅產生足夠的驅動信號，而且還可以將前級電源與後級功放電源進行隔離，從而消除了因功率放大電路的高電壓、大電流所產生的輻射對信號源的幹擾，保證了整個發生器的工作穩定性。
所述的功率放大及匹配電路，功率調節電路的控制電壓輸出埠AC1、AC2，經2ZL1大功率橋式整流器和2C1、2C2濾波後作為功放電路的電源。由前置驅動電路的L埠輸出的兩路互為反向的驅動信號加到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2輸入埠，通過2R1、2R3、2R4、2R6的偏值作用加到由TR1-TR4、2R7-2R10組成的放大電路，2D3-2D6為阻尼二級管作用是防止瞬間反向電流對大功率場效應管的擊穿破壞。放大後的頻率信號經由2L5(扼流圈)加到高頻輸出變壓器2T1上產生最終的高頻、高壓驅動源。2L5(扼流圈)、電容2C3-2C5以及變壓器2T1所組成的匹配網絡保證了電路處於最佳工作狀態。
所述的負載電路，它由2T1產生的高頻高壓型號與容性負載的超聲波換能器形成高頻諧振，從而完成了將電能轉變為聲能的過程。
所述的微處理功率調節電路，其中，微處理器採用單片可編程晶片97C1051，晶片的XTAL1、XTAL2埠外接6M晶體振蕩器，RXD、TXD埠作為功率調節口，P1.0-P1.7埠作顯示口，P3.7埠作為控制口。通過SW1、SW2向微處理器發出增大或減小功率的指令，微處理器則從P3.7埠輸出功率控制信號到驅動電路U6的輸入端，U6的輸出端輸出的功率控制信號通過限流電阻R22到大功率雙向可控矽VR1的控制端，可控矽根據控制信號的作用工作於設定的導通角，通過控制負載的電流大小來達到控制功率的目的。與此同時微處理器的P1.0-P1.7埠輸出的顯示信號通過U2、U3七段解碼驅動電路驅動顯示器，將目前輸出功率的百分比進行實時顯示。整個電路的功率調節和功率顯示的範圍為0-99％。
本發明與現有的超聲波發生器相比較，具有以下優越性這種振蕩源能夠滿足15KHz-1MHz範圍內的任意一種頻率要求，這種振蕩源為實現多路驅動技術提供了多路輸出的基礎條件，這種振蕩源的輸入變壓器可以耐受1000V/5s的抗壓強度，這種振蕩源輸出方波波形；這種大功率超聲波發生器驅動電路，其特定意義是將一個超聲波振蕩源輸出的振蕩信號用N個專用驅動IC轉換成N個驅動電路以實現多路功率放大驅動；這種大功率超聲波發生器的功放電路，其特定意義是在若干個專用驅動IC的驅動下實現若干路功率放大的實現；這種多路網絡匹配其特定意義在於使用每一路功率放大輸出與負載相一致，從而實現多路功率放大的合成，由於不同用途的超聲波換能器以及多個同一種用途的超聲波換能器不可能保證其耐受的功率絕對一致，這種網絡匹配可以有效地解決其電感量、電容量的平衡匹配，以實現最佳負載的偶合與諧振。
圖1、超大功率超聲波發生器電原理框圖；圖2、時鐘及信號發生器電路圖；圖3、前置驅動電路圖；
圖4、功率放大及網絡匹配電路圖；圖5、微處理控制功率調節電路圖。
具體實施例方式
選用超聲頻率28KHz超聲功率1.2KW機型結構，為金屬熔融槽分體式結構。其中，各電路圖中的主要器件參數選擇如下74F14—六反向斯密特觸發器74FCT00—四2輸入與非門7407—六緩衝/驅動器74F163—4位二進位計數器CPS2811—兩輸入兩輸出驅動器FR107—快恢復二極體美國仙童公司產SSH7N90A—場效應管美國仙童公司產石英晶體振蕩器選用40MHzKBPC2506矽整流橋堆25A600V臺灣產在15KHz-2MHz寬範圍頻率源中，選取任意一個頻率點的方法，是以短路環對零位點進行短路，1為開路，例如20.346KHz頻點，選110000101001。其它頻點選擇見選頻表。
表4 藥物提取物與混合基質的組合實驗(藥物提取物∶混合基質＝1∶1)
表5 藥物提取物與混合基質的組合實驗(藥物提取物∶混合基質＝1∶3)
表6 藥物提取物與混合基質的組合實驗(藥物提取物∶混合基質＝1∶9)
權利要求
1.一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器，是由電源電路、時鐘電路、信號發生器電路、前置驅動電路、微處理功率調節電路、功率放大及匹配電路和負載電路所組成，其特徵在於所述的時鐘電路產生高精度的時鐘信號作為信號發生器的信號源，信號發生器將時鐘信號進行多級分頻，根據選擇的頻點產生從16KHz到2MHz頻率範圍的控制信號，前置驅動電路將控制信號轉換成1-100路的驅動信號，前置驅動信號經過功率放大和匹配電路獲得高電壓的輸出推動信號提供給負載電路，並通過微處理功率控制電路，完成對輸出功率的調節、控制。
2.根據權利要求1所述的一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器，其特徵在於所述的時鐘電路和信號發生器電路它以一個高精度的石英晶體振蕩器PXO為核心產生40MHz時鐘頻率信號，信號通過U1f、U1e整形後作為由U2-U5可預置計數器組成的分頻鎖存電路的時鐘信號，每一級的進位信號都作為下一級計數器的片選信號，U2-U4的預置埠P分別與SW1、SW2和SW3相連接，改變SW1-SW3的選擇組合即可選擇從16KHz-2MHz的工作頻率，分頻鎖存電路根據預置的數值產生相應的頻率信號由U5的數據口Q0輸出，信號經由U1c整形、反向後送到U7a的1腳，U7a的2腳是外接控制信號，當外接控制信號為高電平時選通U7a此時U7a的輸出為選定的頻率輸出信號，反之為低電平時U7a被禁止輸出為高電平，由U7a的3腳輸出的頻率控制信號加到U6的6路輸入端則產生6路的頻率控制輸出信號至OUT埠。
3.根據權利要求1所述的一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器，其特徵在於所述的前置驅動電路，它由電源變壓器產生的15V交流電壓經過ZL1橋式整流器變成直流電壓通過1C1、1C2濾波加到U9(7809三端穩壓器)的輸入端，U9的輸出端則輸出+9V的直流電壓經1C3、1C4濾波後作為電路的供電電壓，信號發生器OUT埠將小電流的頻率信號送至U8(TS2811雙路驅動器)的輸入端，U8的輸出端輸出的信號觸發IQ1變換成大電流驅動源，並經過T1隔離驅動變壓器對功率放大電路提供驅動源。變壓器T1不僅產生足夠的驅動信號，而且還可以將前級電源與後級功放電源進行隔離，從而消除了因功率放大電路的高電壓、大電流所產生的輻射對信號源的幹擾，保證了整個發生器的工作穩定性。
4.根據權利要求1所述的一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器，其特徵在於所述的功率放大及匹配電路，其功率調節電路的控制電壓輸出埠AC1、AC2，經2ZL1大功率橋式整流器和2C1、2C2濾波後作為功放電路的電源，由前置驅動電路的L埠輸出的兩路互為反向的驅動信號加到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2輸入埠，通過2R1、2R3、2R4、2R6的偏值作用加到由TR1-TR4、2R7-2R10組成的放大電路，放大後的頻率信號經由2L5(扼流圈)加到高頻輸出變壓器2T1上產生最終的高頻、高壓驅動源。
5.根據權利要求1所述的一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器，其特徵在於所述的微處理功率調節電路，其中，微處理器採用單片可編程晶片97C1051，晶片的XTAL1、XTAL2埠外接6M晶體振蕩器，RXD、TXD埠作為功率調節口，P1.0-P1.7埠作顯示口，P3.7埠作為控制口，通過SW1、SW2向微處理器發出增大或減小功率的指令，微處理器則從P3.7埠輸出功率控制信號到驅動電路U6的輸入端，U6的輸出端輸出的功率控制信號通過限流電阻R22到大功率雙向可控矽VR1的控制端，同時微處理器的P1.0-P1.7埠輸出的顯示信號通過U2、U3七段解碼驅動電路驅動顯示器口。
全文摘要
一種共用一個振蕩源的超大功率超聲波發生器，本發明屬於功率超聲技術，其主要解決超大功率超聲波發生器共用一個振蕩源，在寬頻帶範圍內的頻率點任意可調問題，本發明的具體技術方案是超大功率超聲波發生器由電源電路、時鐘電路、信號發生器電路、前置驅動電路、微處理功率調節電路、功率放大及匹配電路和負載電路所組成，信號發生器將時鐘信號進行多級分頻，根據選擇的頻點產生從16KHz－2MHz頻率範圍的控制信號，前置驅動電路將控制信號根據需要轉換成1－100路的驅動信號，前置驅動信號經過功率放大和匹配電路獲得高電壓的輸出推動信號提供負載電路並通過對微處理功率控制電路的操作，完成對輸出功率的調節、控制。
文檔編號B06B1/02GK1634669SQ200310111690
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月31日 優先權日2003年12月31日
發明者杜鵬, 胡藝 申請人:杜鵬, 胡藝