ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ РЕЗОНАНСНЫХ НАГРУЗОК
TRANSISTOR GENERATOR FOR RESONANT LOADS

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в различных технологических процессах, идущих с использованием ультразвуковых колебаний.
Известны транзисторные генераторы, выполненные на базе полумостовых или мостовых инверторов [Моин B.C. - «Стабилизированные транзисторные преобразователи». - М.: Энергия, 1986, - 136 с.; Патент РФ №2086070, «Ультразвуковой транзисторный генератор» МКИ 5, Н02М 7/537, БИ №21, 1997 г.]. Они достаточно просты по схемному решению, но имеют ряд существенных недостатков, препятствующих их широкому применению в ультразвуковых технологических процессах, а именно:
- сильную зависимость частоты от питающего напряжения;
- трудности в реализации широкодиапазонной системы автоподстройки частоты.
Также известен транзисторный генератор [Патент РФ №2458454, «Транзисторный генератор для резонансных нагрузок», МПК Н03В 5/12 (2006.01), Н02М 7/537 (2006.01), 2012 г.], взятый в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому. Он содержит полумостовой инвертор на IGBT транзисторах, управляемых включенным по типовой схеме драйвером полумоста, выполненным по NOSFET технологии, с выходным трансформатором, высокочастотным дросселем с конденсатором, включенным параллельно резонансной нагрузке, оптронным транзистором и трансформатором тока с двумя первичными обмотками, информационный выход которого подсоединен к конденсатору, одна первичная обмотка включена в цепь вторичной обмотки выходного трансформатора последовательно с высокочастотным дросселем и резонансной нагрузкой, а вторая первичная обмотка включена последовательно с конденсатором, параллельным нагрузке.
Использование транзисторного генератора такого типа позволило обеспечить высокую эффективность работы акустической системы при работе на широкодиапазонные технологические нагрузки за счет дополнительной обмотки трансформатора тока, дополнительного конденсатора и высокочастотного дросселя.
Основным недостатком при использовании подобных генераторов для работы на резонансные нагрузки типа пьезокерамических излучателей является снижение эффективности работы фазовой АПЧ при значительных нагрузках. Это связано со спецификой влияния собственной емкости пьезоматериала излучателя и дополнительного высокочастотного дросселя. [Новиков А.А. Способ увеличения нагрузочной способности ультразвукового пьезокерамического излучателя. Омский научный вестник. - 2008. Сер.: Приборы, машины и технологии. - №2. (68) - С. 106-112.]
Задачей изобретения является повышение эффективности работы транзисторного генератора при работе на резонансную нагрузку типа пьезокерамического излучателя.
Поставленная задача достигается тем, что транзисторный генератор для резонансных нагрузок, содержащий полумостовой инвертор на IGBT транзисторах, управляемых включенным по типовой схеме драйвером полумоста, выполненным по NOSFET технологии, с выходным трансформатором, высокочастотным дросселем с конденсатором, включенным параллельно резонансной нагрузке, оптронным транзистором и трансформатором тока с двумя первичными обмотками, информационный выход которого подсоединен к конденсатору, одна первичная обмотка включена в цепь вторичной обмотки выходного трансформатора последовательно с высокочастотным дросселем и резонансной нагрузкой, а вторая первичная обмотка включена последовательно с конденсатором, параллельным нагрузке, дополнительно снабжен дополнительным конденсатором, перемножителем напряжений, фильтром и управляемым генератором импульсов, причем один вход перемножителя напряжений подключен к информационному выходу трансформатора тока, а второй ко второму дополнительному конденсатору, последовательно соединенному с конденсатором, включенным параллельно резонансной нагрузке, а выход перемножителя напряжений через фильтр подсоединен к первому входу управляемого генератора импульсов, второй вход которого связан с выходом командного устройства, а выход подключен ко входу драйвера полумоста.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства.
Схема состоит из полумостового транзисторного инвертора 1 с управляющим драйвером, включенным по типовой схеме, с выходным трансформатором 2 в диагонали полумоста и командного устройства 3. К первому входу управляемого генератора импульсов 4 подключен выход командного устройства 3, а ко второму входу управляемого генератора импульсов 4 через фильтр 5 подсоединен выход перемножителя напряжений 6 к первому входу которого подключена информационная обмотка токового трансформатора 7 с параллельно включенным конденсатором 8, а ко второму входу подключен дополнительный конденсатор 9, который последовательно соединен с конденсатором 10. Последовательная цепь из конденсаторов 9, 10 и одной первичной обмотки 7-1 трансформатора 7 подключена параллельно резонансной нагрузке 11 (акустическому излучателю). Другая первичная обмотка 7-2 трансформатора 7 через дополнительный высокочастотный дроссель 12 и резонансную нагрузку 11 соединена со вторичной обмоткой выходного трансформатора 2.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии силовое напряжение на клеммы питания инвертора подано, но инвертор не работает, поскольку оптронное командное устройство 3 не включено. При подаче управляющего сигнала на оптронное командное устройство, последнее срабатывает, обеспечивая разрешение работы задающего генератора, обеспечивающего нормальную работу драйвера. Таким образом, оптронное командное устройство управляет работой драйвера.
При работе на резонансную нагрузку, в качестве которой рассматривается ультразвуковой пьезокерамический излучатель 11, ток, протекающий по вторичной обмотке выходного трансформатора 2, в зависимости от добротности нагрузки будет более или менее приближаться к синусоидальному. Основная задача генератора, работающего на пьезокерамический излучатель - обеспечивать поддержание максимальной амплитуды акустических колебаний излучателя (что соответствует режиму работы, называемому механическим резонансом) при различных условиях протекания технологического процесса (при различных технологических нагрузках). При относительно простых эквивалентных схемах резонансной нагрузки, приближающихся в резонансных режимах к простейшим резонансным контурам, наиболее предпочтительной системой регулирования частоты является фазовая.
При поступлении полного токового сигнала на основную первичную обмотку 7-2 токового трансформатора 7, через встречно включенную дополнительную первичную обмотку 7-1 проходит ток, соответствующий электрической составляющей полного тока за счет включения дополнительных конденсаторов 10 и 9, емкость последовательного соединения которых соответствует собственной емкости используемой пьезокерамики. В результате с информационной обмотки трансформатора тока 7 на конденсаторе 8 происходит выделение информационного сигнала, соответствующего первой гармонике тока механической ветви акустической системы, поскольку в токовом трансформаторе 7 происходит вычитание электрической составляющей тока излучателя из полного тока, представляющего собой сумму электрической и механической составляющих резонанса. Этот информационный сигнал поступает на первый вход перемножителя напряжений 6, на второй вход которого подается напряжение с конденсатора 9. Поскольку величина емкости конденсатора 9, как минимум, на порядок превышает емкость конденсатора  10, уровень сигнала, поступающего  на  второй вход перемножителя  напряжений
6, близок к величине информационного сигнала, поступающего на первый вход перемножителя напряжений 6, в котором одновременно происходит сравнение фаз и преобразование фазового рассогласования информационных сигналов, соответствующих первой гармонике тока механической ветви акустической системы (резонансной нагрузки) и выходному напряжению (или напряжению на излучателе). Выходной сигнал перемножителя в виде переменного напряжения с постоянной составляющей поступает на вход фильтра 5, который выделяет эту постоянную составляющую и подает на второй вход управляемого генератора импульсов 4. Этот сигнал определяет частоту работы управляемого генератора 4 таким образом, чтобы скомпенсировать возникающее в излучателе фазовое рассогласование резонансного режима под действием различных возмущающих факторов (нагрузка, питающее напряжение, температура).
Поскольку пьезокерамический излучатель 11, являющийся нагрузкой предлагаемого генератора, характеризуется эквивалентной схемой последовательного колебательного контура [Ультразвуковые преобразователи / Под. ред. Е. Кикучи. - М: МИР, 1972. - 424 с.], у которого в качестве активного сопротивления выступают последовательно включенные сопротивление потерь и сопротивление технологической нагрузки, очевидно, что в согласованном режиме при работе на частотах, близких к резонансной, эквивалентное сопротивление излучателя как нагрузки выходного трансформатора генератора будет изменяться в очень широких пределах в зависимости от величины технологической нагрузки. То есть при отсутствии технологической нагрузки (режим холостого хода) эквивалентное сопротивление излучателя мало и добротность велика, а при значительной технологической нагрузке (так, например, при работе ультразвукового скальпеля по костной ткани, либо при чистке в жидкой среде большой активной поверхностью ультразвукового инструмента) эквивалентное сопротивление излучателя может вырасти более чем на порядок, а добротность соответственно сильно уменьшиться. Это приводит к существенному уменьшению тока, протекающего через пьезокерамический излучатель и соответственно снижению основного технологического параметра - амплитуды колебаний рабочего торца ультразвукового излучателя. Для компенсации этого явления в прототипе использован высокочастотный дроссель 12, который придает источнику возбуждения излучателя свойства генератора тока. Проблема прототипа в том, что наличие дросселя 12 при использовании внутреннего сигнала генератора в драйвере меняет фазовую картину пьезокерамического излучателя, вызывая сдвиг реального напряжения на резонансной нагрузке по отношению к напряжению на выходном трансформаторе 2, и тем самым препятствует точному выбору частоты механического резонанса излучателя. Для исключения этого недостатка предложено использовать перемножитель 6, на входы которого подаются информационные сигналы с трансформатора тока 7 и конденсатора 9 (как часть напряжения на излучателе, фазово не связанная с работой высокочастотного дросселя 12).
Таким образом, предлагаемый транзисторный генератор для резонансных нагрузок оказывается прост по исполнению, позволяет использовать самую современную элементную базу, что в сочетании обеспечивает высокую надежность его работы. Кроме того, использование предложенной системы фазовой автоподстройки частоты за счет прямого преобразования фазового сдвига в частотное изменение позволяет минимизировать длительность переходных процессов с одной стороны и обеспечить повышение акустической эффективности работы транзисторного генератора при работе на резонансную нагрузку типа пьезокерамического излучателя.
Предлагаемое решение имеет следующие преимущества перед известными:
- использование стандартной схемы транзисторного инвертора на современной элементной базе и управляющего драйвера, включаемого по типовой схеме, обеспечивает схемную простоту и высокую надежность генератора в целом, а применение предлагаемой простой системы фазовой автоподстройки частоты позволяет сохранить высокую надежность устройства даже при придании ему новых важных функций;
- использование части выходного напряжения на излучателе в качестве одного из сравниваемых по фазе, обеспечивает возможность широкого использования дополнительного высокочастотного дросселя для компенсации влияния нагрузки на резонансные режимы работы излучателя;
- наконец, применение предлагаемой системы позволяет адаптировать работу генератора к условиям изменяющейся добротности резонансной нагрузки и постоянно поддерживать режим механического резонанса используемых в качестве нагрузки акустических систем.