4. Генераторы ультразвуковых колебаний
Для питания ультразвуковых преобразователей колебательных систем используются источники электрической энергии - генераторы, обеспечивающие преобразование энергии промышленной частоты (50 Гц) в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты.
Поскольку резонансная частота колебательной системы может изменяться не только при использовании различных рабочих инструментов, но и при осуществлении различных технологических операций, генераторы для многофункциональных ультразвуковых аппаратов должны выполняться универсальными, т.е. иметь необходимый диапазон изменения параметров выходного сигнала и обеспечивать согласование с различными, и изменяющимися во времени, нагрузками.
Изменение резонансной частоты колебательных систем происходит из-за нагревания пьезокерамических материалов, отражающей и излучающей металлических накладок (нагрев до 100 о С снижает резонансную частоту на 0,5....1 кГц). Изменение акустических свойств обрабатываемых сред может изменять резонансную частоту колебательной системы на 0,5 кГц.
Кроме того, рабочая частота генератора может изменяться из-за температурной нестабильности частотно - задающих элементов электронных схем.
Для компенсации внешних воздействий на параметры колебательных систем и обеспечения возможности использования различных по функциональным назначениям рабочих инструментов, в генератора используются механические регулирующие устройства и системы электронной автоподстройки частоты и стабилизации амплитуды колебаний.
Современные УЗ генераторы выполняются полностью на полупроводниковых электронных компонентах. Это стало возможным в последние годы, в связи с созданием транзисторов, работающих при высоких рабочих межэлектродных напряжениях (более 500 В), рассеивающих большие мощности (более 100 Вт) и имеющих малые времена переключения.
Применение таких транзисторов позволило создать генераторы необходимого мощностного диапазона. Высокие рабочие напряжения современных транзисторов позволили реализовать электрические схемы генераторов с безтрансформаторными источниками питания, что обеспечило многократное снижение габаритных размеров и массы технологических аппаратов.
Использование высокоскоростных мощных транзисторов позволило применить схемы двухтактных выходных каскадов, в которых транзисторы работают в режиме переключения. В этом режиме рабочие точки транзисторов во время основной части периода находятся в областях насыщения и отсечки, обеспечивая минимальную мощность рассеивания в цепи коллекторов и высокий КПД (более 85%).
При использовании режима переключения напряжение на выходе генератора имеет прямоугольную форму. Нечетные гармоники имеют значительный вес и приводят к дополнительным потерям в транзисторах и колебательной системе.
Для исключения влияния высших гармоник, согласование генератора с колебательной системой осуществляется с помощью корректирующих фильтров, которые на основной частоте приводят входное сопротивление нагрузки к активной величине, а на высших гармониках значительно повышают комплексное сопротивление нагрузки.
В качестве корректирующих элементов используются цепи из реактивных элементов. На рис. 4.1. показана схема включения УЗ колебательной системы с пьезоэлектрическими активными элементами.
Рис. 4.1. Эквивалентная схема включения колебательной системы
В такой схеме корректирующий фильтр образуется собственной электрической емкостью пьезоэлементов С п и индуктивностью дросселя L. На основной частоте параллельное соединение собственной емкости пьезоэлементов С п и активного сопротивления потерь R совместно с индуктивностью L дросселя обеспечивает резонанс на основной частоте.
Введение корректирующих фильтров обеспечивает косинусоидальную форму токов через транзисторы усилителя мощности, что создает наиболее благоприятные условия для переключения транзисторов и обеспечивает расширение частотного диапазона генераторов.
Все ультразвуковые генераторы выполняются многокаскадными. Каждый каскад усиления генераторов работает в режиме переключения. Для обеспечения наилучших условий работы транзисторы включаются с общим эмиттером. Выходные каскады генераторов выполняются по двухтактным полумостовым схемам, обеспечивающим минимальные искажения усиливаемых сигналов и выходные мощности до 500 Вт.
Генераторы ультразвуковых многофункциональных аппаратов выполняются по схемам с независимым возбуждением, по схемам с самовозбуждением и по схемам с автоподстройкой частоты.
4.1. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
В генераторах с независимым возбуждением электрические колебания УЗ частоты вырабатываются отдельным генератором малой мощности - задающим генератором. Малая мощность задающего генератора позволяет легко выполнять условия получения необходимого электрического сигнала и обеспечивать его изменения при перестройках.
Сигнал с задающего генератора усиливается каскадом предварительного усиления, обеспечивающим необходимые условия работы выходного каскада и устраняющим влияние усилителя мощности на режим работы задающего генератора.
Выходной каскад - усилитель мощности доводит мощность на выходе генератора до требуемой величины. Согласование выходного каскада генератора с ультразвуковой колебательной системой осуществляется колебательным контуром, компенсирующим реактивные составляющие токов и напряжений преобразователя.
Генератор с независимым возбуждением позволяет обеспечить плавную регулировку его рабочей частоты в широких пределах, очень прост в реализации и использовании.
По этой причине, для создания УЗ многофункционального аппарата мощностью 25 Вт для индивидуального потребителя использована принципиальная схема генератора с независимым возбуждением, показанная на рис. 4.2.
Схема включает в себя перестраиваемый задающий генератор, выполненный на элементах DD1.1, DD1.2, буферный каскад на элементе DD1.3, формирователь прямоугольных импульсов на элементе DD2, предварительный усилитель на транзисторах VT1, VT2, усилитель мощности на транзисторах VT3, VT4, высоковольтный источник питания (300В), выполненный на элементах VD1 - VD4, С2, С3, низковольтный стабилизированный источник питания ( 9 В ) задающего генератора на элементах VS1, R8, VD5, C4, C5, источник питания предварительного усилителя, выполненный на элементах VD8, VD9.
Рабочая частота генератора определяется элементами положительной обратной связи задающего генератора и регулируется потенциометром R2.
Трансформатор TR1 обеспечивает задержку включения одного из транзисторов выходного каскада на время, необходимое для рассасывания заряда на базе второго транзистора перед его включением. Это исключает появление сквозных токов через транзисторы VT3, VT4.
Кроме того, транзисторы выходного каскада защищены диодами VD6, VD7 от инверсного режима работы, возникающего при рассогласовании генератора с нагрузкой.
Несомненное достоинство генераторов с независимым возбуждением - возможность их перестройки в широких пределах.
Недостатки таких генераторов заключаются в трудности точной настройки на частоту механического резонанса колебательной системы и невозможности отслеживания быстроизменяющихся параметров обрабатываемых сред.
Большую часть времени генератор с независимым возбуждением работает не в оптимальном режиме (т.е. вблизи, а не на резонансной частоте колебательной системы), что приводит к дополнительным потерям энергии и снижению КПД.
Рис.4.2.Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением.
Поэтому, при очевидной простоте схемного решения , генераторы с независимым возбуждением не пригодны для использования в многофункциональных аппаратах большой мощности.
4.2. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
На практике, наиболее широко используемыми являются ультразвуковые генераторы, выполненные по схемам самовозбуждения, в которых весь тракт усилителя и колебательной системы охвачен положительной обратной связью так, что в нем возникают автоколебания на частоте максимальных механических колебаний рабочей колебательной системы.
Примером генераторов с самовозбуждением могут служить генераторы технологических аппаратов фирмы "KLN Ultraschal GVBH" (ФРГ) для ультразвуковой сварки, генераторы аппаратов фирмы " Вranson " (Великобритания) для УЗ ванн очистки и отечественные аппараты типа УЗ01-01 [2 ].
Для формирования сигнала обратной связи в генераторах с самовозбуждением применяются мостовые схемы, схемы с дифференциальным трансформатором, а также различные индуктивные и емкостные схемы положительной обратной связи.
Основным недостатком генераторов с самовозбуждением является необходимость его перенастройки при смене колебательной системы или рабочих инструментов для выполнения различных технологических операций Кроме того, в генераторах с самовозбуждением невозможно осуществлять регулирование выходных параметров аппарата (например, интенсивности УЗ колебаний на рабочем инструменте колебательной системы), поскольку необходимыми условиями оптимальной работы аппарата с самовозбуждением являются баланс фаз и баланс амплитуд, нарушение которых ведет к срыву автоколебаний.
Происходит это потому, что нарушение режимов работы ультразвуковой колебательной системы (изменение нагрузки, нагрев и т.п., а также изменение электрических и геометрических параметров самой колебательной системы) приводит к расстройке одновременно двух взаимосвязанных систем: системы выделения сигнала обратной связи и системы согласования колебательной системы с генератором. Поэтому перестройка аппарата требует изменения и взаимной увязки всех элементов, что представляет собой сложную техническую задачу, решение которой практически трудно осуществимо в процессе эксплуатации аппарата.
На практике, при выполнении различных технологических операций, требуется быстрая настройка аппарата при изменении параметров колебательной системы путем изменения характеристик (регулирования) одного электронного элемента, а также осуществление регулирования выходных параметров аппарата в процессе выполнения технологических операций.
По этой причине, для многофункционального УЗ аппарата необходимо использовать генераторы с самовозбуждением, позволяющие осуществлять широкий спектр операций с различными по конструкции рабочими инструментами колебательных систем и позволяющего легко осуществлять перестройку электронным способом характеристик аппарата в процессе его эксплуатации при обработке различных материалов, сред и объектов при различных уровнях нагрузки и т.п.
Принципиальные схемы ультразвуковых генераторов для использования в составе многофункциональных УЗ аппаратов показаны на рис. 4.3. и рис. 4.4. Принципиальные схемы отличаются способами формирования сигнала обратной связи и перестройки характеристик аппарата, а также мощностными характеристиками. Генератор, показанный на рис. 4.3. более прост в реализации, имеет мощность 40 Вт и предназначен для комплектации многофункционального аппарата 2 типа. В нем обратная связь формируется с помощью перестраиваемого емкостного элемента. Генератор, принципиальная схема которого приведена на рис.4.4, более сложен, имеет электронные регулировки частоты и мощности. Такой генератор может использоваться для комплектации аппаратов второго и третьего типов [22].
Ввиду большей универсальности этого генератора рассмотрим подробно его устройство и принцип работы.
Схема ультразвукового генератора, показанная не рис. 4.4 содержит усилитель УЗ частоты, выполненный на транзисторах VT2, VT3, рабочую колебательную систему ZQ1, схему согласования усилителя с колебательной системой, содержащую дроссель L, трансформатор TR3, а также схему положительной обратной связи, выполненную на элементах С1, С2, С3, R1, TR1, схема обратной связи своим входом электрически соединена с выходом усилителя через комплексное сопротивление, включающее выходное сопротивление усилителя и разделительный конденсатор С4, и выполнена в виде последовательно включенных конденсатора и первичной обмотки дополнительного трансформатора TR1, вторичная обмотка которого соединена с механически или электрически перестраиваемым резистивным элементом R1, при этом схема согласования подключена параллельно схеме выделения сигнала обратной связи и выполнена в виде последовательно включенных компенсирующего дросселя L и выходного трансформатора TR3.
Рис.4.3. Принципиальная схема генератора мощностью 40вт
Рис.4.4.Принципиальная схема генератора с самовозбуждением мощностью 160 вт.
УЗ аппарат содержит усилитель на транзисторах VT2 и VT3 , работающих в режиме переключения, что позволяет обеспечить максимальный коэффициент преобразования биполярного напряжения питания в электрические колебания УЗ частоты. Нагрузкой усилителя являются последовательно включенные через разделительный
конденсатор С4, компенсирующий дроссель L и первичная обмотка выходного трансформатора TR3. Ко вторичной обмотке трансформатора TR3 подключена рабочая колебательная система ZQ1, содержащая пьезоэлектрический преобразователь, согласующий концентратор и рабочий орган, для ввода УЗ колебаний в обрабатываемые материалы, объекты и среды.
Компенсирующий дроссель L и трансформатор TR3 обеспечивают согласование усилителя с рабочей колебательной системой. Схема выделения сигнала обратной связи, являющаяся одновременно схемой настройки и регулирования параметров аппарата, содержит последовательно включенные конденсаторы С1, С2, С3 и первичную обмотку трансформатора TR1. Выделенный сигнал подается на последовательно включенную со схемой выделения сигнала обратной связи первичную обмотку трансформатора TR2.
Параллельно вторичной обмотке трансформатора TR1 подключен резистивный элемент R1, сопротивление которого может изменяться механическим или электронным способом (например, переменный резистор для ручной регулировки аппарата или электронная схема с перестраиваемым выходным сопротивлением для автоматизированной перестройки аппарата).
Схема выделения сигнала обратной связи с последовательно подключенной к нему первичной обмоткой трансформатора TR2 соединена с выходом усилителя на транзисторах VT2 и VT3 через комплексное сопротивление, представляющее собой выходное сопротивление усилителя и разделительный конденсатор C4, т.е. подключена параллельно схеме согласования усилителя с рабочей колебательной системой. Обмотки трансформатора TR1 выполнены на общем магнитопроводе. Применение вторичной обмотки трансформатора TR1, расположенной на одном магнитопроводе с первичной обмоткой, позволяет за счет изменения величины нагрузочного сопротивления R1 (или выходного сопротивления перестраиваемых электронных схем) изменять индуктивность первичной обмотки трансформатора TR1 Изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 обеспечивает перестройку схемы обратной связи.
Для пояснения работы аппарата предположим, что при подключении рабочей колебательной системы, используемой для осуществления определенного технологического процесса, не обеспечивается режим самовозбуждения УЗ аппарата из-за отсутствия баланса фаз и амплитуд. В предложенном УЗ аппарате фазовые соотношения между напряжением в точке между конденсатором C4, и дросселем L и выходным током усилителя приводят к изменению формы напряжения обратной связи на входе усилителя за счет наличия конечного выходного сопротивления усилителя. В этом случае небаланс фаз и амплитуд приводит к тому, что нагрузка усилителя может носить индуктивный характер и тогда сигнал обратной связи на входе усилителя начинает опережать по фазе выходной сигнал, или может носить емкостной характер и тогда, выходной сигнал опережает сигнал обратной связи.
В обоих случаях изменение сопротивления R1 обеспечивает изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 и перестройку параметров схемы обратной связи. Перестройка обратной связи приводит к изменению фазовых соотношений на входе и выходе усилителя и при определенной величине сопротивления R1 обеспечивается условие самовозбуждения. При этом происходит изменение частоты генерации до величины, равной частоте механического резонанса рабочей колебательной системы, и УЗ генератор работает в режиме самовозбуждения.
Таким образом, за счет изменения сопротивления R1 частотно зависимая обратная связь обеспечивает перестройку частоты генерации до частоты механического резонанса и в начальный момент обеспечивает работу с любой из необходимых рабочих колебательных систем.
При этом на выходе усилителя можно установить определенный сдвиг фаз, обеспечив режим самовозбуждения на частоте, близкой к частоте механического резонанса. Поэтому, обеспечив работу аппарата на частоте, близкой к резонансной, можно снизить интенсивность УЗ колебаний, возбуждаемых в обрабатываемой среде или объекте, т.е. установить оптимальный режим ведения процесса. Такое же изменение, можно осуществлять в процессе эксплуатации аппарата, оперативно изменяя режимы УЗ воздействия.
При настройке аппарата для работы в режиме самовозбуждения с выбранной рабочей колебательной системой или необходимыми рабочими инструментами обеспечивается проведение определенного технологического процесса. В ходе проведения этого процесса может происходить изменение параметров колебательной системы (за счет нагревания пьезоэлементов и материала накладок, изменений условий ввода колебаний и т.п.). В этом случае, изменение частоты механического резонанса рабочей колебательной системы, происходящее в небольших пределах, приводит также к изменению характера нагрузки ( т.е. нагрузка, приведенная ко входу генератора, начинает носить индуктивный или емкостной характер) и в небольших пределах к изменению фазовых соотношений между током и напряжением на выходе усилителя. В обоих случаях для сохранения условий самовозбуждения, т.е. сохранения на выходе усилителя первоначально установленного сдвига фаз, автоматически осуществляется изменение частоты генерации в небольших пределах до величины, равной резонансной частоте колебательной системы, и условие самовозбуждения постоянно выполняется.
Таким образом, рассмотренный УЗ генератор позволяет осуществлять технологические процессы с помощью различных рабочих колебательных систем или одной колебательной системы с различными рабочими инструментами, регулировать выходные параметры аппарата, в частности интенсивность УЗ колебаний, в ходе настройки и эксплуатации аппарата, а также обеспечивает сохранение условий первоначально установленного режима самовозбуждения в процессе эксплуатации при изменении параметров колебательной системы и условий воздействия УЗ колебаний на объекты, среды и материалы. Принципиальная схема генератора содержит также реле времени, выполненное на элементе DD1 и обеспечивающее включение технологического аппарата на время проведения технологического процесса. На транзисторе VT1 выполнена схема стабилизации амплитуды колебаний генератора.
Перечисленные достоинства делают рассмотренные генераторы пригодными для комплектации многофункциональных УЗ аппаратов мощностью от 40 до 160 Вт..
Основное достоинство генераторов с самовозбуждением - простота конструкции и удобство эксплуатации. Однако, изготовление таких генераторов требует очень точной предварительной балансировки схемы согласования генератора с колебательной системой и схемы выделения сигнала обратной связи. Кроме того, генераторы с самовозбуждением, не обеспечивают автоматическое изменение параметров генератора (рабочей частоты) в очень широких пределах, например, при изменении параметров акустической нагрузки от газовой среды до твердого тела. Для решения подобных задач используются генераторы с независимым возбуждением , выполненные по схемам с автоподстройкой частоты.
4.3.ГЕНЕРАТОРЫ С АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ
По своему схемному решению генераторы с независимым возбуждением, выполненные с автоматической подстройкой частоты (рис. 4.5.) близки к генераторам с самовозбуждением.
Предварительный усилитель, выходные каскады усилителя мощности и схема согласования генератора с колебательной системой выполнены без изменений.
Отличие таких генераторов заключается в наличии задающего генератора, выполненного на элементах D.D.1 по схеме перестраиваемого мультивибратора. Рабочая частота задающего генератора изменяется за счет внешнего управляющего напряжения.
Управляющее напряжение вырабатывается устройством обратной связи, выполненном на трансформаторе Т3 и элементах VD13, VD14, R11, R12, C6.
Схема автоматической подстройки частоты обеспечивает контроль параметров акустической мощности, отдаваемой в нагрузку и выработку электрического сигнала, пропорционального изменению этой акустической мощности. Выработанный обратной связью электрический сигнал обеспечивает быстрое изменение параметров задающего генератора .
Выполненная таким образом обратная связь обеспечивает постоянство акустической мощности излучаемой энергии.
Для контроля параметров акустической мощности, отдаваемой в нагрузку используются три вида устройств, формирующих сигнал обратной связи.
1. Устройства, позволяющие получать сигнал обратной связи путем контроля параметров электрической цепи, соединяющей генератор с колебательной системой.
2. Устройства, регистрирующие механические колебания ультразвуковой колебательной системы.
3. Устройства, регистрирующие ультразвуковые колебания в обрабатываемых средах.
Устройство третьего типа не пригодно для использования в многофункциональных УЗ аппаратах из-за многообразия используемых рабочих объемов и необходимости выполнения различных технологических операций.
Устройство второго типа требует применения специальных преобразователей, соединения их с рабочей колебательной системой. Это усложняет конструкции колебательных систем и на практике используется крайне редко.
Поэтому, наиболее широкое распространения получили устройства третьего типа, в которых в качестве сигнала обратной связи используется составляющая тока скомпенсированного преобразователя, соответствующая, при определенных условиях, значению тока в механической ветви преобразователя.
Для получения сигнала обратной связи цепь согласования генератора и колебательной системы дополнена трансформатором Т3. Индуктивность компенсирующего L1, при оптимальной компенсации собственной емкости колебательной системы, обеспечивает равенство тока в первичной обмотке трансформатора Т3, току в механической ветви преобразователя.
Рис.4.5.Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением и автоподстройкой частоты.
Сигнал обратной связи подается на задающий генератор и обеспечивает его перестройку в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических свойств обрабатываемой среды.
Кроме перестройки рабочей частоты задающего генератора сигнал обратной связи используется для стабилизации амплитуды колебательной системы. Для этого сигнал обратной связи подается на предварительный усилитель и изменяет параметры усиления.
Для включения генератора не заданный промежуток времени используется таймер на элементах D.D1.3. и D.D.3 .
Рассмотренный генератор с независимым возбуждением, выполненный по схеме с автоматической подстройкой частоты обеспечивает отслеживание всех возможных изменений собственной резонансной частоты колебательной системы и параметров обрабатываемых сред, стабилизацию амплитуды колебаний рабочего инструмента.
Достоинства такого генератора позволили использовать их в многофункциональных УЗ аппаратах мощностью 160 и 400.
Однако, при изготовлении ультразвуковых аппаратов, предназначенных для длительной эксплуатации а производственных условиях используют более сложные схемы генераторов с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты. Одна из таких схем представлена на рис. 4. 6. (задающий генератор, схемы управления и предварительный усилитель) и рис.4.7. (источники питания, усилитель мощности и схемы формирования сигнала обратной связи и защиты генератора ).
Отличительной особенностью показанного на рис. 4.6. и рис.4.7. генератора является выполнение задающего генератора на специализированной микросхеме D.D.1 управляемого генератора (типа 561ГГ1). Предусмотренная в генераторе регулировка выходной мощности осуществляется с использованием схемы широтно - импульсной модуляции, обеспечивающей формирование изменяющихся по длительности прямоугольных импульсов и подачу их на предварительный усилитель, выполненный на транзисторах VT8 - VT11. В выходном каскаде - усилителе мощности предусмотрено измерение токов, протекающих через выходные транзисторы. При превышении тока, протекающего через транзисторы, определенной величины, установленной резистором R9, вырабатывается сигнал защиты, выключающий генерацию в задающем генераторе и исключающий протекание через транзисторы выходного каскада недопустимых по величине токов. Передача сигнала защиты от выходного каскада к задающему генератору осуществляется через оптрон VU1.
Рис.4.6.Принципиальная схема предварительных каскадов генератора повышенной мощности.
Рис.4.7. Принципиальная схема выходных каскадов генератора повышенной мощности.
Сигнал обратной связи формируется с помощью дифференциального трансформатора TR4. Получаемый на выходной обмотке этого трансформатора сигнал пропорционален току механической ветви ультразвуковой колебательной системы и обеспечивает перестройку задающего генератора в соответствии с изменениями параметров колебательной системы и акустических параметров обрабатываемых сред.
Для обеспечения согласования генератора с различными колебательными системами используются перестраиваемые выходной трансформатор TR3 и компенсирующий дроссель L4.
Примечание редактора: В связи с тем, что монография была написана в 1997 году, приведенные в этой главе описания не совсем полно отражают устройство современного ультразвукового генератора.
