УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР С АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

Область техники
Полезная модель относится к области ультразвуковой техники и предназначена для использования в технологических установках различных отраслей промышленности и сферы обслуживания в качестве источника акустических колебаний рабочих инструментов и акустических излучений в рабочих средах.
Уровень техники
Известен ультразвуковой генератор с автоподстройкой частоты, содержащий усилительный каскад на двух транзисторах, соединенный трансформаторной связью с колебательным контуром пьезоизлучателя, с которым связан блок автоподстройки частоты, выполненный из дифференциальной трансформаторной схемы, выход которой через фазосдвигающий конденсатор связан со входами транзисторов (а.с. №557825 МПК В 06 В 1/00).
Генератор имеет недостаток, обусловленный его простотой, - низкая надежность из-за отсутствия мер по защите от перегрузки на пьезоизлучателе и из-за выполнения усилительного каскада по двухтактной схеме со средней точкой трансформатора, подверженной отказам из-за необходимости применения транзисторов с граничным напряжением, более чем в два раза превышающим напряжение питания усилительного каскада, в особенности при питании его от сети.
Наиболее близким по технической сущности к предложенной полезной модели является ультразвуковой генератор с автоподстройкой частоты, описанный
в статье В.Н.Хмелева, О.В.Поповой «Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве», стр.37-39. http:/lapa-us.boom.ru/mon,html. Ультразвуковой генератор содержит широтно-импульсный модулятор, задающий генератор, соединенный выходом через делитель частоты его прямым и инверсным выходами с первыми входами соответственно первого и второго устройств совпадения, соединенных выходами соответственно через первый и второй предварительные усилители согласующей трансформаторной связью со входами соответственно первого и второго транзисторов усилителя мощности, соединенных однонаправленно и последовательно между полюсами источника питания и связанных общей точкой соединения через первичную обмотку трансформатора тока усилителя мощности с первым выводом первичной обмотки выходного трансформатора усилителя мощности, вторичная обмотка которого подключена параллельно к колебательному контуру, состоящему из последовательно соединенных компенсатора, пьезоэлектрического излучателя и блока обратной связи, сигнальный выход которою через фазосдвигающий узел и компаратор напряжения его выходом подключен к сигнальному входу задающего генератора, опорный вход которого соединен с прямым выходом делителя частоты, и блок защиты от перегрузки, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора тока усилителя мощности, а выходом ко вторым входам устройств совпадения, третьи входы которых соединены с выходом широтно-импульсного модулятора. В усилителе мощности второй вывод первичной обмотки выходного трансформатора подключен к одному из полюсов источника питания. Согласующая трансформаторная связь выполнена в виде двух согласующих трансформаторов, первичные обмотки которых подключены к выходам соответственно первого и второго предварительных усилителей, а вторичные обмотки к входам соответственно первого и второго биполярных транзисторов усилителя мощности. Вход широтно-импульсного модулятора подключен к выходу задающего генератора. Ультразвуковой генератор имеет блок защиты от сквозного тока,
отключающий задающий генератор и блокирующий работу устройств совпадения при возникновении сквозного тока через транзисторы усилителя мощности, и блок автоподстройки широтно-импульсного модулятора.
Данный ультразвуковой генератор обладает определенными недостатками. Подключение широтно-импульсного модулятора к выходу задающего генератора, т.е. когда широтно-импульсный модулятор и делитель частоты работают от одного сигнала, приводит к тому, что в случае отказа широтно-импульсного модулятора с вариантом высокого уровня напряжения на его выходе, ультразвуковой генератор будет работать, но при непредусмотренной максимальной мощности на пьезоэлектрическом излучателе и большой вероятности частого возникновения сквозного тока через транзисторы усилителя мощности. Наличие двух отдельных согласующих трансформаторов, работающих независимо друг от друга, не препятствует возникновению сквозного тока через транзисторы усилителя мощности. В обоих случаях даже наличие блока защиты от сквозного тока при его частом возникновении ведет к нестабильной работе ультразвукового генератора. Примененное включение первичной обмотки выходного трансформатора усилителя мощности делает последний выполненным по двухтактной схеме, работающей в режиме переключения и представляющей из себя несимметричный полумост, что из-за несимметрии токов через первый и второй транзисторы усилителя мощности приводит к несимметрии напряжения на пьезоэлектрическом излучателе и, как следствие, к нестабильности амплитуды его колебаний. Применение в усилителе мощности биполярных транзисторов, во-первых, требует значительной мощности, затрачиваемой на управление ими, что ведет к снижению КПД ультразвукового генератора и значительным габаритам управляющих элементов, а во-вторых, приводит к значительной задержке выключения транзисторов за счет высокого времени рассасывания неосновных носителей тока в структуре транзистора, что повышает вероятность возникновения сквозного тока. Выполнение компаратора напряжения на типовом интегральном элементе без корректирующих цепей выходного сигнала отличается
его нестабильностью при резких изменениях нагрузки на колебательный контур, что приводит к значительному уходу рабочей частоты пьезоэлектрического излучателя от частоты его механического резонанса и, как следствие, к выходу ее за пределы допустимых частот. Использование сложных по схемотехнике и требующих высокой точности изготовления и настройки блоков защиты от сквозного тока и автоподстройки широтно-импульсного модулятора оправдано при использовании генератора в системах управления рабочими инструментами, требующими высокой стабильности амплитуды колебаний, но экономически невыгодно при использовании ультразвукового генератора в системах создания акустического излучения в рабочих средах, например при использовании в жидкостной ультразвуковой очистке изделий от загрязнений, когда количество пьезоэлектрических излучателей достигает от нескольких десятков до нескольких сотен.
Сущность полезной модели
Задачами, на решение которых направлена заявляемая полезная модель, являются повышение КПД, стабильности и надежности работы ультразвукового генератора. Техническими результатами, полученными при осуществлении полезной модели, являются снижение мощности управления усилителем мощности, повышение стабильности рабочей частоты и амплитуды колебаний пьезоэлектрического излучателя, снижение вероятности возникновения сквозного тока через транзисторы усилителя мощности, упрощение схемы и конструкции ультразвукового генератора.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в ультразвуковом генераторе с автоподстройкой частоты, содержащем широтно-импульсный модулятор, задающий генератор, соединенный выходом через делитель частоты его прямым и инверсным выходами с первыми входами соответственно первого и второго устройств совпадения, соединенных выходами соответственно через первый и второй предварительные усилители соглсасующей
трансформаторной связью со входами соответственно первого и второго транзисторов усилителя мощности, соединенных однонаправленно и последовательно между полюсами источника питания и связанных общей точкой соединения через первичную обмотку трансформатора тока усилителя мощности с первым выводом первичной обмотки выходного трансформатора усилителя мощности, вторичная обмотка которого подключена параллельно к колебательному контуру, состоящему из последовательно соединенных компенсатора, пьезоэлектрического излучателя и блока обратной связи, сигнальный выход которого через фазосдвигающий узел и компаратор напряжения его выходом подключен к сигнальному входу задающего генератора, опорный вход которого соединен с прямым выходом делителя частоты, и блок защиты от перегрузки, подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора тока усилителя мощности, а выходом - ко вторым входам устройств совпадения, третьи входы которых соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, введен генератор стабильного тока, подключенный к выходу компаратора напряжения, в усилитель мощности введены два последовательно включенных между полюсами источника питания конденсатора, общая точка соединения которых подключена ко второму выводу первичной обмотки выходного трансформатора, согласующая трансформаторная связь выполнена в виде согласующего трансформатора, первичная обмотка которого подключена между выходами первого и второго предварительных усилителей, а две вторичных обмотки - к входам соответственно первого и второго транзисторов усилителя мощности, взятых со структурой полевого типа, а широтно-импульсный модулятор входом и выходом включен в разрыв соединения между задающим генератором и делителем частоты.
Перечень чертежей
На фиг.1 приведена структурно-функциональная схема построения ультразвукового генератора с автоподстройкой частоты.
Возможность осуществления полезной модели
Ультразвуковой генератор, как показано на фиг.1, содержит задающий генератор 1, выполненный, например, в виде управляемого генератора на основе интегральной схемы с фазовой автоподстройкой частоты и соединенный выходом через широтно-импульсный модулятор 2 в виде формирователя импульсов и делитель частоты 3 на основе триггера или счетчика его прямым и инверсным выходами с первыми входами соответственно первого 4 и второго 5 устройств совпадения, соединенных выходами соответственно с первым 6 и вторым 7 предварительными усилителями, выполненными, например, но схеме двухтактного транзисторного повторителя и между выходами которых подключена первичная обмотка согласующего трансформатора 8, две вторичных обмотки которого подключены к входам соответственно первого 9 и второго 10 полевых транзисторов усилителя мощности 11, соединенных однонаправлено и последовательно между полюсами источника питания 12 и связанных общей точкой соединения через первичную обмотку трансформатора тока 13 усилителя мощности 11 с первым выводом первичной обмотки выходного трансформатора 14 усилителя мощности 11, второй вывод которой подключен к общей точке соединения двух последовательно включенных между полюсами источника питания 12 конденсаторов 15 и 16 усилителя мощности 11. Вторичная обмотка выходного трансформатора 14 усилителя мощности 11 подключена параллельно к колебательному контуру 17, состоящему из последовательно соединенных компенсатора 18 на основе, например, резистивных элементов, пьезоэлектрического излучателя 19, построенного с использованием пьезокерамических элементов, и блока обратной связи 20, построенного, например, на основе токового трансформатора и сигнальный выход которого через фазосдвигающий узел 21 на основе резистивно-емкостного фазовращателя и компаратор напряжения 22 его выходом подключен к генератору стабильного тока 23 на основе диодного источника тока и сигнальному входу задающего генератора 1, опорный вход которого
соединен с прямым выходом делителя частоты 3. Ультразвуковой генератор содержит также блок защиты от перегрузки 24, выполненный, например, на основе пороговой схемы и подключенный входом к вторичной обмотке трансформатора тока 13 усилителя мощности 11, а выходом ко вторым входам устройств совпадения 4 и 5, третьи входы которых соединены с выходом широтно-импульсного модулятора 2. Питание ультразвукового генератора осуществляется от сетевого напряжения переменного тока, из которого низковольтным источником питания постоянного тока (на фиг.1 не показан) формируется стабилизированное напряжение питания всех узлов и блоков, кроме усилителя мощности 11, а источником питания 12 на основе двухполупериодного полупроводникового выпрямителя с цепями фильтрации и защиты сети от радиопомех (на фиг.1 не показаны) формируется напряжение постоянного тока для питания усилителя мощности 11. При использовании в устройствах применения нескольких пьезоэлектрических излучателей низковольтный источник питания постоянного тока применяется, как правило, один на все ультразвуковые генераторы.
Ультразвуковой генератор работает следующим образом. При подаче на него сетевого напряжения питания задающий генератор 1 формирует на своем выходе однополярные импульсы прямоугольной формы с частотой, в два раза превышающей возможную рабочую частоту, создаваемую на пьезоэлектрическом излучателе 19. Выходная частота задающего генератора 1 определяется его частотозадающими элементами и ограничена возможностью девиации относительно частоты, в два раза превышающей частоту электрического резонанса пьезоэлектрического излучателя 19, например, на ±20%. Необходимость увеличения выходной частоты задающего генератора 1 в два раза связана с тем, что точность ее поддержания выше с ее увеличением и позволяет получить наиболее оптимальное построение широтно-импульсного модулятора 2. Выходные импульсы задающего генератора 1 поступают на вход широтно-импульсного модулятора 2, который формирует па своем выходе импульсы, которые поступают на вход делителя частоты 3 и на
третьи входы устройств совпадения 4 и 5 и длительность которых обеспечивает исключение возникновения сквозного тока через полевые транзисторы 9 и 10 усилителя мощности 11 и установку необходимой мощности на пьезоэлектрическом излучателе 19. Импульсы с частотой в два раза ниже поступают с прямого выхода делителя частоты 3 на опорный вход задающего генератора 1 и на первый вход устройства совпадения 4, а с инверсного выхода делителя частоты 3 на первый вход устройства совпадения 5. Устройства совпадения 4 и 5 формируют на выходе однополярные импульсы, не только не перекрывающего друг друга, но и имеющие паузу между ними. Эти импульсы поступают на вход предварительных усилителей 6 и 7 и благодаря тому, что они построены по схеме двухтактного транзисторного повторителя, позволившей включить первичную обмотку согласующего трансформатора 8 между их выходами, импульсы, наведенные на вторичных обмотках согласующего трансформатора 8, не только обеспечивают поочередное включение полевых транзисторов 9 и 10, но и исключают появление сквозного тока через них даже в случае необходимости максимальной мощности на пьезоэлектрическом излучателе 19, когда широтно-импульсный модулятор 2 формирует очень короткие импульсы паузы, так как за счет магнитных свойств сердечника согласующего трансформатора 8 импульсы на его вторичных обмотках не могут перекрываться. Включение первичной обмотки выходного трансформатора 14 между общей точкой соединения полевых транзисторов 9 и 10 и общей точкой соединения конденсаторов 15 и 16 привело усилитель мощности 11 к симметричной полумостовой схеме, отличающейся полной симметрией токов через полевые транзисторы 9 и 10, благодаря чему на первичной обмотке выходного трансформатора 14 формируется двухполярная импульсная последовательность, полностью симметричная относительно нуля, которая трансформируется во вторичную обмотку и подключается к колебательному контуру 17. Частота напряжения, выделяемого на пьезоэлектрическом излучателе 19, автоматически устанавливается в середине диапазона ее девиации и в абсолютном большинстве случаев не совпадает с частотой
электрического резонанса пьезоэлектрического излучателя 19, а фаза тока не совпадает с фазой напряжения, так как механический контур пьезоэлектрического излучателя 19 имеет в этом случае индуктивный или емкостной характер.
Этот ток, протекая через трансформатор тока блока обратной связи 20, формирует на его выходе напряжение обратной связи, которое имеет фазовый сдвиг относительно напряжения на пьезоэлектрическом излучателе 19. равный фазовому сдвигу на нем между током и напряжением, и поступает на фазосдвигающий узел 21, обеспечивающий сдвиг фазы этого сигнала на 90° и подающий его на вход компаратора напряжения 22, который на своем выходе формирует импульсную последовательность с частотой работы пьезоэлектрического излучателя 19 и фазой, опережающей фазу сигнала на опорном входе задающего генератора 1 на величину, отличающуюся от 90°. Эта импульсная последовательность поступает на сигнальный вход задающего генератора 1, режим работы которого установлен так, что он стремится изменить частоту сигнала на своем выходе так, чтобы фаза сигнала на сигнальном входе опережала фазу сигнала на опорном входе на 90°, т.е. когда сдвиг фаз между током и напряжением на пьезоэлектрическом излучателе 19 равен нулю (электрический резонанс). Начнется изменение частоты выходного сигнала задающего генератора 1 и это будет происходить до тех пор, пока частота напряжения на пьезоэлектрическом излучателе 19 не достигнет частоты его электрического резонанса. В дальнейшем при любом изменении параметров пьезоэлектрического излучателя 19 из-за изменения нагрузки и условий окружающей среды система обратной связи будет производить автоподстройку рабочей частоты задающего генератора 1, обеспечивающей работу пьезоэлектрического излучателя 19 на частоте его электрического резонанса. Генератор стабильного тока 23 обеспечивает строго прямоугольную форму сигнала на выходе компаратора напряжения 22, что приводит к высокой скорости автоподстройки частоты. Компенсатор 18 обеспечивает снижение амплитуды переколебаний вершины импульсов на пьезоэлектрическом излучателе
19. В действительности режим задающего генератора 1 устанавливается на отслеживание сдвига фаз сигналов на его сигнальном и опорном входах несколько более 90°, при этом рабочая частота пьезоэлектрического излучателя 19 смещается в сторону частоты его механического резонанса (несколько выше частоты электрического резонанса), при этом эффективность работы пьезоэлектрического излучателя 19 повышается. Применение в усилителе мощности 11 полевых транзисторов 9 и 10 позволяет значительно снизить мощность сигналов их включения и, как следствие, уменьшить габариты предварительных усилителей 6 и 7, согласующего трансформатора 8, затворных резисторов транзисторов 9 и 10 и повысить КПД генератора, который дополнительно повышается за счет снижения потерь на сток-истоковых переходах транзисторов 9 и 10 как следствие их низкого сопротивления во включенном состоянии, это еще и снижает габариты радиаторов. Из-за отсутствия в полевых транзисторах 9 и 10 неосновных носителей тока время их переключения значительно меньше, чем у биполярных транзисторов, что также способствует снижению вероятности возникновения сквозного тока. Включение транзисторов 9 и 10 по симметричной полумостовой схеме позволяет применять их с граничным напряжением, незначительно превышающим напряжение источника питания 12, что повышает надежность генератора. При возникновении перегрузки или короткого замыкания в колебательном контуре 17 возрастает ток через первичную обмотку выходного трансформатора 14, а соответственно и через первичную обмотку трансформатора тока 13, при этом срабатывает блок защиты от перегрузки 24 и своим выходом блокирует прохождение через устройства совпадения 4 и 5 сигналов включения усилителя мощности 11. Защита ультразвукового генератора от сквозного тока через транзисторы 9 и 10 не требуется, так как вероятность его возникновения снижена до минимума за счет соответствующего включения широтно-импульсного модулятора 2, применения единого согласующего трансформатора 8 и полевых транзисторов 9 и 10. Высокая стабильность
поддержания рабочей частоты пьезоэлектрического излучателя 19 не требует наличия автоподстройки широтно-импульсного модулятора 2.
Таким образом предлагаемое построение ультразвукового генератора с автоподстройкой частоты позволяет повысить его КПД путем снижения мощности управления усилителем мощности за счет применения полевых транзисторов, повысить стабильность рабочей частоты пьезоэлектрического излучателя путем повышения быстродействия компаратора напряжения за счет применения генератора стабильного тока и амплитуды его колебаний путем симметрии напряжения на нем за счет использования симметричной полумостовой схемы усилителя мощности, повысить надежность путем снижения вероятности возникновения сквозного тока через транзисторы за счет примененного способа включения широтно-импульсного модулятора, применения единого согласующего трансформатора и транзисторов полевой структуры, упростить схему и конструкцию за счет исключения необходимости в защите от сквозного тока через транзисторы и в автоподстройке широтно-импульсного модулятора и за счет уменьшения габаритов отдельных узлов.