專利名稱：一種共用一個(gè)振蕩源的超大功率超聲波發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率超聲技術(shù)，主要用于超大功率的超聲波清洗、超聲波乳化、超聲波藥物萃取、超聲波污水處理等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的超聲波發(fā)生器以應(yīng)用最為廣泛的超聲波清洗機(jī)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(xiàn)有的超聲波發(fā)生器就其中的信號(hào)發(fā)生器而言，分為自激式振蕩和它激式振蕩兩種方式產(chǎn)生信號(hào)源。
現(xiàn)有的超聲波發(fā)生器就其輸出功率調(diào)節(jié)而言，主要是采用變壓器調(diào)整功率放大器的工作電壓和匹配網(wǎng)絡(luò)的電感量來(lái)完成的。
現(xiàn)有超聲波發(fā)生所存在技術(shù)上的不足之處，在于信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率不能任意選定，而且頻率范圍最多只在16KHz-120KHz的區(qū)域內(nèi)。一路信號(hào)發(fā)生器最大只可以驅(qū)動(dòng)5KW的同源功率放大器，如需生產(chǎn)40KW以上的超聲波發(fā)生器則需采用多個(gè)信號(hào)發(fā)生器來(lái)完成，而這多個(gè)信號(hào)發(fā)生器的同頻點(diǎn)、同步的問(wèn)題很難解決，超聲波發(fā)生器就不能達(dá)到最佳工作狀態(tài)。
超聲波發(fā)生器的功率調(diào)節(jié)，如果采用變壓器調(diào)整輸出電壓的方式，對(duì)于小功率(＜1KW)的超聲波發(fā)生器還可以應(yīng)付，但對(duì)于大功率或超大功率的超聲波發(fā)生器就行不通了，因?yàn)椴捎玫淖儔浩鞑粌H體積龐大，而且成本高操作很不方便。如果功率調(diào)節(jié)采用匹配網(wǎng)絡(luò)的電感量的方式同樣也不適用于大功率和超大功率的超聲波發(fā)生器，因?yàn)椴捎眠@種方式的結(jié)果會(huì)增大發(fā)生器的內(nèi)耗、降低功率輸出的轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有超聲波發(fā)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(fā)生器共用一個(gè)振蕩源，在寬頻帶范圍內(nèi)的頻率點(diǎn)任意可調(diào)問(wèn)題。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案是，超大功率超聲波發(fā)生器由電源電路、時(shí)鐘電路、信號(hào)發(fā)生器電路、前置驅(qū)動(dòng)電路、微處理功率調(diào)節(jié)電路、功率放大及匹配電路和負(fù)載電路所組成。
所述的時(shí)鐘電路產(chǎn)生高精度的時(shí)鐘信號(hào)作為信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源，信號(hào)發(fā)生器將時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行多級(jí)分頻，根據(jù)選擇的頻點(diǎn)產(chǎn)生從16KHz到2MHz頻率范圍的控制信號(hào)。前置驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成1-100路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，前置驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大和匹配電路獲得高電壓的輸出推動(dòng)信號(hào)提供給負(fù)載電路(超聲波換能器)，從而實(shí)現(xiàn)了從電能到聲能的轉(zhuǎn)變。通過(guò)對(duì)微處理功率控制電路的操作，完成對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)、控制。
本發(fā)明所述的時(shí)鐘電路和信號(hào)發(fā)生器電路它以一個(gè)高精度的石英晶體振蕩器PXO為核心產(chǎn)生40MHz時(shí)鐘頻率信號(hào)，信號(hào)通過(guò)U1f、U1e整形后作為由U2-U5可預(yù)置計(jì)數(shù)器組成的分頻鎖存電路的時(shí)鐘信號(hào)，每一級(jí)的進(jìn)位信號(hào)都作為下一級(jí)計(jì)數(shù)器的片選信號(hào)。U2-U4的預(yù)置端口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(jù)預(yù)置的數(shù)值產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)由U5的數(shù)據(jù)口Q0輸出，信號(hào)經(jīng)由U1c整形、反向后送到U7a的①腳，U7a的②腳是外接控制信號(hào)，當(dāng)外接控制信號(hào)為高電平時(shí)選通U7a此時(shí)U7a的輸出為選定的頻率輸出信號(hào)，反之為低電平時(shí)U7a被禁止輸出為高電平。由U7a的3腳輸出的頻率控制信號(hào)加到U6的6路輸入端則產(chǎn)生6路的頻率控制輸出信號(hào)至OUT端口，如果增加U6同型號(hào)的集成電路則可產(chǎn)生多達(dá)100路的頻率控制信號(hào)，達(dá)到多路控制同源、同步的目的。頻率選擇方式(見(jiàn)附頻率表)所述的前置驅(qū)動(dòng)電路，它由電源變壓器產(chǎn)生的15V交流電壓經(jīng)過(guò)ZL1橋式整流器變成直流電壓通過(guò)1C1、1C2濾波加到U9(7809三端穩(wěn)壓器)的輸入端，U9的輸出端則輸出+9V的直流電壓經(jīng)1C3、1C4濾波后作為電路的供電電壓，信號(hào)發(fā)生器OUT端口將小電流的頻率信號(hào)送至U8(TS2811雙路驅(qū)動(dòng)器)的輸入端，U8的輸出端輸出的信號(hào)觸發(fā)IQ1變換成大電流驅(qū)動(dòng)源，并經(jīng)過(guò)T1隔離驅(qū)動(dòng)變壓器對(duì)功率放大電路提供驅(qū)動(dòng)源。變壓器T1不僅產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且還可以將前級(jí)電源與后級(jí)功放電源進(jìn)行隔離，從而消除了因功率放大電路的高電壓、大電流所產(chǎn)生的輻射對(duì)信號(hào)源的干擾，保證了整個(gè)發(fā)生器的工作穩(wěn)定性。
所述的功率放大及匹配電路，功率調(diào)節(jié)電路的控制電壓輸出端口AC1、AC2，經(jīng)2ZL1大功率橋式整流器和2C1、2C2濾波后作為功放電路的電源。由前置驅(qū)動(dòng)電路的L端口輸出的兩路互為反向的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2輸入端口，通過(guò)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(jí)管作用是防止瞬間反向電流對(duì)大功率場(chǎng)效應(yīng)管的擊穿破壞。放大后的頻率信號(hào)經(jīng)由2L5(扼流圈)加到高頻輸出變壓器2T1上產(chǎn)生最終的高頻、高壓驅(qū)動(dòng)源。2L5(扼流圈)、電容2C3-2C5以及變壓器2T1所組成的匹配網(wǎng)絡(luò)保證了電路處于最佳工作狀態(tài)。
所述的負(fù)載電路，它由2T1產(chǎn)生的高頻高壓型號(hào)與容性負(fù)載的超聲波換能器形成高頻諧振，從而完成了將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷艿倪^(guò)程。
所述的微處理功率調(diào)節(jié)電路，其中，微處理器采用單片可編程芯片97C1051，芯片的XTAL1、XTAL2端口外接6M晶體振蕩器，RXD、TXD端口作為功率調(diào)節(jié)口，P1.0-P1.7端口作顯示口，P3.7端口作為控制口。通過(guò)SW1、SW2向微處理器發(fā)出增大或減小功率的指令，微處理器則從P3.7端口輸出功率控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路U6的輸入端，U6的輸出端輸出的功率控制信號(hào)通過(guò)限流電阻R22到大功率雙向可控硅VR1的控制端，可控硅根據(jù)控制信號(hào)的作用工作于設(shè)定的導(dǎo)通角，通過(guò)控制負(fù)載的電流大小來(lái)達(dá)到控制功率的目的。與此同時(shí)微處理器的P1.0-P1.7端口輸出的顯示信號(hào)通過(guò)U2、U3七段譯碼驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)顯示器，將目前輸出功率的百分比進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)電路的功率調(diào)節(jié)和功率顯示的范圍為0-99％。
本發(fā)明與現(xiàn)有的超聲波發(fā)生器相比較，具有以下優(yōu)越性這種振蕩源能夠滿足15KHz-1MHz范圍內(nèi)的任意一種頻率要求，這種振蕩源為實(shí)現(xiàn)多路驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了多路輸出的基礎(chǔ)條件，這種振蕩源的輸入變壓器可以耐受1000V/5s的抗壓強(qiáng)度，這種振蕩源輸出方波波形；這種大功率超聲波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路，其特定意義是將一個(gè)超聲波振蕩源輸出的振蕩信號(hào)用N個(gè)專用驅(qū)動(dòng)IC轉(zhuǎn)換成N個(gè)驅(qū)動(dòng)電路以實(shí)現(xiàn)多路功率放大驅(qū)動(dòng)；這種大功率超聲波發(fā)生器的功放電路，其特定意義是在若干個(gè)專用驅(qū)動(dòng)IC的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)若干路功率放大的實(shí)現(xiàn)；這種多路網(wǎng)絡(luò)匹配其特定意義在于使用每一路功率放大輸出與負(fù)載相一致，從而實(shí)現(xiàn)多路功率放大的合成，由于不同用途的超聲波換能器以及多個(gè)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(duì)一致，這種網(wǎng)絡(luò)匹配可以有效地解決其電感量、電容量的平衡匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳負(fù)載的偶合與諧振。


圖1、超大功率超聲波發(fā)生器電原理框圖；圖2、時(shí)鐘及信號(hào)發(fā)生器電路圖；圖3、前置驅(qū)動(dòng)電路圖；
圖4、功率放大及網(wǎng)絡(luò)匹配電路圖；圖5、微處理控制功率調(diào)節(jié)電路圖。
具體實(shí)施例方式
選用超聲頻率28KHz超聲功率1.2KW機(jī)型結(jié)構(gòu)，為金屬熔融槽分體式結(jié)構(gòu)。其中，各電路圖中的主要器件參數(shù)選擇如下74F14—六反向斯密特觸發(fā)器74FCT00—四2輸入與非門7407—六緩沖/驅(qū)動(dòng)器74F163—4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CPS2811—兩輸入兩輸出驅(qū)動(dòng)器FR107—快恢復(fù)二極管美國(guó)仙童公司產(chǎn)SSH7N90A—場(chǎng)效應(yīng)管美國(guó)仙童公司產(chǎn)石英晶體振蕩器選用40MHzKBPC2506硅整流橋堆25A600V臺(tái)灣產(chǎn)在15KHz-2MHz寬范圍頻率源中，選取任意一個(gè)頻率點(diǎn)的方法，是以短路環(huán)對(duì)零位點(diǎn)進(jìn)行短路，1為開路，例如20.346KHz頻點(diǎn)，選110000101001。其它頻點(diǎn)選擇見(jiàn)選頻表。
表4 藥物提取物與混合基質(zhì)的組合實(shí)驗(yàn)(藥物提取物∶混合基質(zhì)＝1∶1)

表5 藥物提取物與混合基質(zhì)的組合實(shí)驗(yàn)(藥物提取物∶混合基質(zhì)＝1∶3)

表6 藥物提取物與混合基質(zhì)的組合實(shí)驗(yàn)(藥物提取物∶混合基質(zhì)＝1∶9)

權(quán)利要求
1.一種共用一個(gè)振蕩源的超大功率超聲波發(fā)生器，是由電源電路、時(shí)鐘電路、信號(hào)發(fā)生器電路、前置驅(qū)動(dòng)電路、微處理功率調(diào)節(jié)電路、功率放大及匹配電路和負(fù)載電路所組成，其特征在于所述的時(shí)鐘電路產(chǎn)生高精度的時(shí)鐘信號(hào)作為信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)源，信號(hào)發(fā)生器將時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行多級(jí)分頻，根據(jù)選擇的頻點(diǎn)產(chǎn)生從16KHz到2MHz頻率范圍的控制信號(hào)，前置驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成1-100路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，前置驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大和匹配電路獲得高電壓的輸出推動(dòng)信號(hào)提供給負(fù)載電路，并通過(guò)微處理功率控制電路，完成對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)、控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共用一個(gè)振蕩源的超大功率超聲波發(fā)生器，其特征在于所述的時(shí)鐘電路和信號(hào)發(fā)生器電路它以一個(gè)高精度的石英晶體振蕩器PXO為核心產(chǎn)生40MHz時(shí)鐘頻率信號(hào)，信號(hào)通過(guò)U1f、U1e整形后作為由U2-U5可預(yù)置計(jì)數(shù)器組成的分頻鎖存電路的時(shí)鐘信號(hào)，每一級(jí)的進(jìn)位信號(hào)都作為下一級(jí)計(jì)數(shù)器的片選信號(hào)，U2-U4的預(yù)置端口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(jù)預(yù)置的數(shù)值產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號(hào)由U5的數(shù)據(jù)口Q0輸出，信號(hào)經(jīng)由U1c整形、反向后送到U7a的1腳，U7a的2腳是外接控制信號(hào)，當(dāng)外接控制信號(hào)為高電平時(shí)選通U7a此時(shí)U7a的輸出為選定的頻率輸出信號(hào)，反之為低電平時(shí)U7a被禁止輸出為高電平，由U7a的3腳輸出的頻率控制信號(hào)加到U6的6路輸入端則產(chǎn)生6路的頻率控制輸出信號(hào)至OUT端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共用一個(gè)振蕩源的超大功率超聲波發(fā)生器，其特征在于所述的前置驅(qū)動(dòng)電路，它由電源變壓器產(chǎn)生的15V交流電壓經(jīng)過(guò)ZL1橋式整流器變成直流電壓通過(guò)1C1、1C2濾波加到U9(7809三端穩(wěn)壓器)的輸入端，U9的輸出端則輸出+9V的直流電壓經(jīng)1C3、1C4濾波后作為電路的供電電壓，信號(hào)發(fā)生器OUT端口將小電流的頻率信號(hào)送至U8(TS2811雙路驅(qū)動(dòng)器)的輸入端，U8的輸出端輸出的信號(hào)觸發(fā)IQ1變換成大電流驅(qū)動(dòng)源，并經(jīng)過(guò)T1隔離驅(qū)動(dòng)變壓器對(duì)功率放大電路提供驅(qū)動(dòng)源。變壓器T1不僅產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而且還可以將前級(jí)電源與后級(jí)功放電源進(jìn)行隔離，從而消除了因功率放大電路的高電壓、大電流所產(chǎn)生的輻射對(duì)信號(hào)源的干擾，保證了整個(gè)發(fā)生器的工作穩(wěn)定性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共用一個(gè)振蕩源的超大功率超聲波發(fā)生器，其特征在于所述的功率放大及匹配電路，其功率調(diào)節(jié)電路的控制電壓輸出端口AC1、AC2，經(jīng)2ZL1大功率橋式整流器和2C1、2C2濾波后作為功放電路的電源，由前置驅(qū)動(dòng)電路的L端口輸出的兩路互為反向的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到L1-1、L1-2、L2-1、L2-2輸入端口，通過(guò)2R1、2R3、2R4、2R6的偏值作用加到由TR1-TR4、2R7-2R10組成的放大電路，放大后的頻率信號(hào)經(jīng)由2L5(扼流圈)加到高頻輸出變壓器2T1上產(chǎn)生最終的高頻、高壓驅(qū)動(dòng)源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共用一個(gè)振蕩源的超大功率超聲波發(fā)生器，其特征在于所述的微處理功率調(diào)節(jié)電路，其中，微處理器采用單片可編程芯片97C1051，芯片的XTAL1、XTAL2端口外接6M晶體振蕩器，RXD、TXD端口作為功率調(diào)節(jié)口，P1.0-P1.7端口作顯示口，P3.7端口作為控制口，通過(guò)SW1、SW2向微處理器發(fā)出增大或減小功率的指令，微處理器則從P3.7端口輸出功率控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路U6的輸入端，U6的輸出端輸出的功率控制信號(hào)通過(guò)限流電阻R22到大功率雙向可控硅VR1的控制端，同時(shí)微處理器的P1.0-P1.7端口輸出的顯示信號(hào)通過(guò)U2、U3七段譯碼驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)顯示器口。
全文摘要
一種共用一個(gè)振蕩源的超大功率超聲波發(fā)生器，本發(fā)明屬于功率超聲技術(shù)，其主要解決超大功率超聲波發(fā)生器共用一個(gè)振蕩源，在寬頻帶范圍內(nèi)的頻率點(diǎn)任意可調(diào)問(wèn)題，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是超大功率超聲波發(fā)生器由電源電路、時(shí)鐘電路、信號(hào)發(fā)生器電路、前置驅(qū)動(dòng)電路、微處理功率調(diào)節(jié)電路、功率放大及匹配電路和負(fù)載電路所組成，信號(hào)發(fā)生器將時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行多級(jí)分頻，根據(jù)選擇的頻點(diǎn)產(chǎn)生從16KHz－2MHz頻率范圍的控制信號(hào)，前置驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成1－100路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，前置驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大和匹配電路獲得高電壓的輸出推動(dòng)信號(hào)提供負(fù)載電路并通過(guò)對(duì)微處理功率控制電路的操作，完成對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)、控制。
文檔編號(hào)B06B1/02GK1634669SQ200310111690
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者杜鵬, 胡藝 申請(qǐng)人:杜鵬, 胡藝