УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к радиоэлектронным устройствам, а именно, к устройствам возбуждения акустических сигналов импульсной формы на основе пьезоэлектрических преобразователей и может быть использована в различных технологических установках (например, установках для сварки пластмасс, мойки деталей и т.д.).
Известно импульсное приемно-передающее устройство, содержащее дифференциальный трансформатор, соединенный с акустическим преобразователем через эмиттерный повторитель с резистором. Параллельно эмиттерному резистору через конденсатор включен транзистор, база которого подключена к трансформатору (Авторское свидетельство СССР №371977, кл. В 06 В 1/06. Опубл. 01.03.1973 г. Бюл. №13).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД) и надежность, т.к. на электроакустический преобразователь подается напряжение только одной (положительной) полярности.
Известен также импульсный ультразвуковой генератор, содержащий магнитострикционный излучатель, обмотка которого последовательно соединена с конденсатором, управляемый электронный ключ, в качестве которого используется квазирезонансный преобразователь частоты с сумматором на входе, состоящий из двух силовых транзисторов, формирователя импульсов, задающего генератора импульсов. Причем силовые транзисторы соединены последовательно между собой и через конденсатор и обмотку магнитострикционного излучателя с датчиком тока, который через сумматор соединен с входом задающего генератора импульсов, а выходы последнего соединены с базами силовых транзисторов
(Патент РФ №2145467, кл. Н 04 R 15/00, В 06 В 1/08, Н 01 L 41/12. Опубл. 10.02.2000 г. Бюл.№4).
И данное устройство имеет низкий КПД. Это обусловлено, прежде всего, тем, что магнитострикционный излучатель требует двойного энергетического преобразования: из электрического в магнитное и затем из магнитного в механическое. А это уменьшает КПД импульсного ультразвукового генератора.
Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является устройство возбуждения пьезоэлектрических преобразователей, содержащее последовательно соединенные источник постоянного напряжения, первый однонаправленный ключ, индуктивность и пьезоэлектрический преобразователь, подключенный к общей шине источника постоянного напряжения, а также генератор импульсов запуска, выход которого соединен с управляющим входом первого однонаправленного ключа. При этом в устройство введен второй однонаправленный ключ, источник постоянного напряжения выполнен со средней точкой, соединенной с выходом второго однонаправленного ключа, вход которого соединен с выходом первого однонаправленного ключа, а управляющий вход второго однонаправленного ключа соединен со вторым выходом генератора импульсов запуска (Авторское свидетельство СССР №1569035, кл. В 06 В 1/06. Опубл. 07.06.90 г. Бюл. №21).
К недостаткам этого устройства относится невысокий КПД и надежность, т.к. на зажимы пьезоэлектрического преобразователя поступает напряжение только одной (положительной) полярности относительно общей шины.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение КПД и надежности устройства.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройство возбуждения пьезоэлектрических преобразователей, содержащее последовательно соединенные источник постоянного напряжения,
выполненный со средней точкой, первый ключ, индуктивность и пьезоэлектрический преобразователь, подключенный к общей шине источника постоянного напряжения, а также последовательно соединенный с первым второй ключ и генератор импульсов запуска, выходы которого соединены соответственно с управляющим входом первого и второго ключа, дополнительно введены индикатор резонанса, конденсатор и блок защиты от короткого замыкания и перегрузок.
При этом в качестве ключей выбраны силовые транзисторы, переходы коллектор-эмиттер которых подключены к соответствующему входу блока защиты, вход индикатора резонанса соединен с "+" источника постоянного напряжения, а выход - с коллектором первого ключа, конденсатор подсоединен параллельно пьезоэлектрическому преобразователю, эмиттер второго ключа присоединен к "-" источника постоянного напряжения, блок защиты электрически связан с генератором импульсов запуска, а средняя точка источника постоянного напряжения подключена к его общей шине.
Выбор в качестве ключей силовых транзисторов повышает быстродействие срабатывания устройства, что приводит к увеличению КПД. Кроме того КПД устройства повышается и за счет малых потерь электрической энергии между коллектором и эмиттером силовых транзисторов.
Подключение переходов коллектор-эмиттер силовых транзисторов к соответствующему входу блока защиты позволяет регистрировать короткое замыкание или перегрузки в цепи: индуктивность, конденсатор, пьезоэлектрический преобразователь.
Введение индикатора резонанса, вход которого соединен с "+" источника постоянного напряжения, а выход - с коллектором первого ключа, дает возможность более точной настройки генератора импульсов запуска на резонансную частоту, что повышает КПД устройства.
Подсоединение параллельно пьезоэлектрическому преобразователю конденсатора позволяет совместно с индуктивностью получить на зажимах
преобразователя напряжение, форма которого максимально приближена к синусоидальной, что также повышает КПД устройства. При этом емкость и индуктивность, образуя корректирующую цепь, отфильтровывают все гармоники импульсов запуска, начиная со второй. Отфильтровывание гармоник повышает надежность устройства, т.к. исключаются процессы разрушения пьезоэлектрического преобразователя.
Емкость конденсатора подбирается таким образом, чтобы в момент переключения ключей (силовых транзисторов) через них не протекал ток. Таким образом создается щадящий режим для ключей (силовых транзисторов), что повышает надежность устройства.
Присоединение эмиттера второго ключа к "-" источника постоянного напряжения (при имеющемся присоединении коллектора первого ключа к "+" источника постоянного напряжения) позволяет получить на зажимах пьезоэлектрического преобразователя, при подключенной к общей шине средней точке, напряжение отрицательной полярности (при уже имеющемся напряжении положительной полярности) относительно средней точки (общей шины).
Введенный блок защиты, электрически связанный с генератором импульсов запуска, защищает ключи в случае короткого замыкания или перегрузок в цепи: индуктивность, конденсатор, пьезоэлектрический преобразователь путем отключения генератора, повышая тем самым надежность устройства.
1
2
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 (а, δ, в, г) - временные диаграммы соответственно напряжений на управляющих входах первого (Uy) и второго (Uy) ключей, зажимах пьезоэлектрического преобразователя (Uп), тока через статическую емкость преобразователя (i).
Устройство возбуждения пьезоэлектрических преобразователей содержит (фиг.1) последовательно соединенные источник постоянного напряжения 1, выполненный со средней точкой 2, первый ключ 3, индуктивность 4 и пьезоэлектрический преобразователь 5, подключенный к
общей шине 6 источника постоянного напряжения 1, а также последовательно соединенный с первым 3 второй ключ 7, эмиттер 8 которого присоединен к "-" источника постоянного напряжения 1, и генератор импульсов запуска 9, выходы 10, 11 которого соединены соответственно с управляющими входами 12, 13 первого 3 и второго 7 ключа, индикатор резонанса 14, вход 15 которого соединен с "+" источника постоянного напряжения 1, а выход 16 - с коллектором 17 первого ключа 3, конденсатор 18, подсоединенный параллельно пьезоэлектрическому преобразователю 5, и блок защиты от короткого замыкания и перегрузок 19, электрически связанный с генератором импульсов запуска 9.
Переходы 20, 21 коллектор-эмиттер соответственно ключей 3, 7 подключены к соответствующему входу 22, 23 блока защиты 19.
т
т
В качестве ключей 3 и 7 выбраны биполярные транзисторы с изолированным затвором (типа HGTP20N60B3). В качестве пьезоэлектрического преобразователя 5 могут быть применены пьезокерамические элементы из материала: ЦТС-19, ЦТС-24, ЦТС-35, ЦТСС-3, ЦТСБС-1, ЦТСНВ-1, ЦТС-83Г и др.
Устройство работает следующим образом.
1
При подаче питающего напряжения "+" "-" от источника постоянного напряжения 1 с выхода 10 генератора импульсов запуска 9 в момент времени t=0 (фиг.2а) подается на управляющий вход 12 импульс открывания ключа 3, который, открывшись, подключает "+" источника постоянного напряжения 1 к колебательному контуру, состоящему из индуктивности 4, конденсатора 18 и пьезоэлектрического преобразователя 5. Напряжение на зажимах последнего (фиг.2в) за счет заряда его статической емкости и емкости конденсатора 18 начинает возрастать, достигая в момент времени t максимального значения Um, большего, вследствие колебательного характера заряда, величины выходного напряжения +Uu источника постоянного напряжения 1.
1
2
3
В момент времени t ток в цепи преобразователя 5 (фиг.2 г) спадает до нуля и, начиная с этого момента, напряжение на зажимах преобразователя 5 перестает изменяться (поскольку ключ 3 однонаправленный). После снятия, в момент времени t, сигнала отпирания первого ключа 3, с выхода 11 генератора импульсов запуска 9 с задержкой Δt (фиг.2б) поступает на управляющий вход 13, в момент t импульс открывания второго ключа 7, эмиттер 8 которого присоединен к "-" источника постоянного напряжения 1. Величина задержки выбирается из условия:
восст
Δt>t.,
вoccт
где: t. - время восстановления запирающих свойств ключа 3.
После открывания ключа 7 к индуктивности 4 подключается "-" источника постоянного напряжения 1.
4
3
1
4
5
6
Величина напряжения на входе индуктивности 4 относительно общей шины 6 будет -Uи.п., поэтому за интервал времени t-t=t происходит перезарядка статической емкости преобразователя 5 от +Um до -Um и в момент времени t напряжение на его зажимах перестает изменяться, так как ключ 7 однонаправленный. После снятия в момент времени t импульса, отпирающего ключ 7, с задержкой на Δt на восстановление его запирающих свойств в момент t вновь может быть подан импульс отпирания ключа 3, что приведет к повторной перезарядке статической емкости пьезоэлектрического преобразователя 5 от -Um до +Um.
Таким образом, возбуждение преобразователя 5 и, следовательно, излучение импульсов давления происходит при перезарядке +Um до -Um и от -Um до +Um его статической емкости.
Достижение резонансной частоты путем изменения частоты генератора импульсов запуска 9 фиксируется индикатором резонанса 14, вход 15 которого соединен с "+" источника постоянного напряжения 1, а выход 16 - с коллектором 17 первого ключа 3. Если в качестве индикатора резонанса 14 выбран, например, амперметр, то настройка на резонансную частоту
производится по возрастанию тока, в цепи постоянного тока, до максимальной величины.
Если же в качестве индикатора резонанса 14 выбран другой элемент, например, световой индикатор, то настройка на резонансную частоту производится по изменению интенсивности его свечения.
В случае короткого замыкания или перегрузок в цепи: индуктивность 4, конденсатор 18, пьезоэлектрический преобразователь 5 на переходах 20, 21 коллектор-эмиттер соответственно ключей 3, 7 увеличивается падение напряжения, поступающее на входы 22, 23 блока защиты 19. В случае превышения допустимого значения падения напряжения блок защиты 19 оперативно отключает генератор импульсов запуска 9, ключи 3, 7 закрываются и не успевают выйти из строя. После устранения неисправности в цепи нагрузки блокировка снимается, запускается генератор 9, и устройство восстанавливает свою работу.
Технический результат выражается в получении на зажимах пьезоэлектрического преобразователя двухполярного (двойной, по сравнению с прототипом, амплитуды), знакопеременного, напряжения и улучшении его формы.
На предприятии-заявителе разработана техническая документация и изготовлен опытно-промышленный образец устройства возбуждения пьезоэлектрических преобразователей.
Как показали испытания, при двухполярном (а не однополярном, как в прототипе) воздействии на пьезоэлектрический преобразователь напряжения улучшенной формы повышаются коэффициент полезного действия (до 75%) и надежность устройства.