УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК H02M7/539 

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в различных технологических процессах, идущих с использованием ультразвука. Известны ультразвуковые транзисторные генераторы выполненные на базе автономных полумостовых инверторов, обеспечивающие работу на сложную технологическую нагрузку типа ультразвукового излучателя но для обеспечения надежной работы они требуют либо очень сложной системы управления и защиты, либо не обеспечивают условий согласования генераторы с нагрузкой [1;2]
Также известны транзисторные генераторы на базе полумостовых или мостовых инверторов, выполненных по схеме с самовозбуждением [3] Они достаточно просты по схемному решению, но имеют ряд существенных недостатков, препятствующих их применению в ультразвуковых технологических процессах, а именно:
сильную зависимость частоты от питающего напряжения
трудность в реализации широкодиапазонной системы автоподстройки частоты.

Известен транзисторный генератор на базе автогенераторного транзисторного инвертора [4] взятый в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому. Он содержит делитель входного напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных транзистора, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена между средней точкой делителя входного напряжения и общей точкой транзисторов, и переключающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены между базами и эмиттерами транзисторов, а первичная обмотка подключена к одной из обмоток силового трансформатора, выводы вторичной обмотки которого являются выходными выводами. Основными недостатками данного генератора являются сильная зависимость режимов работы от питающего напряжения и нагрузки, что не позволяет использовать данную схему для острорезонансных нагрузок.

Целью изобретения является повышение надежности генератора и расширение его функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что транзисторный ультразвуковой генератор, содержащий делитель входного напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных транзистора, силовой трансформатор, первичная обмотка которого включена между средней точкой делителя входного напряжения и общей точкой транзисторов, и переключающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены между базами и эмиттерами транзисторов, а первичная обмотка подключена к одной из обмоток силового трансформатора, выводы вторичной обмотки которого являются выходными выводами, дополнительно снабжен датчиками выходного тока и напряжения, ключевым фазовым детектором, управляемым ключом, последовательным LC контуром и конденсатором, причем выходы датчиков подсоединены к первому и второму входам ключевого фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа, выходная цепь которого образует последовательную цепь с дополнительным конденсатором, подключенную параллельно конденсатору LC контура, включенного последовательно в цепь первичной обмотки переключающего трансформатора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Схема состоит из конденсаторного делителя 1 и 2 входного напряжения, двух последовательно включенных транзисторов 3 и 4, силового трансформатора 5, переключающего трансформатора 6, датчиков выходного тока 7 и напряжения 8, ключевого фазового детектора 9, управляемого ключа 10, дополнительного конденсатора 11, подключаемого параллельно конденсатору 12, последовательно LC контура, состоящего из конденсатора 12 и индуктивности 13. Кроме этого, для обеспечения начала работы генератор снабжен пусковым устройством 14.

Устройство работает следующим образом. При подаче питающего напряжения на конденсаторный делитель С1-С2, начинает работать пусковое устройство 14, формирующее пусковой импульс в базу транзистора 4. транзистор включается, открывая путь протекания тока по контуру: 2 7 5 4 2. При этом за счет протекания тока по первичной обмотке трансформатора 5 во вторичных обмотках формируются импульсы напряжения, один из которых поступает на вход датчика напряжения 8, а с другой через LC контур 12-13 на первичную обмотку переключающего трансформатора 6, причем обмотки трансформаторов 5 и 6 сфазированы так, что при включении транзистора 4 на его базовой обмотке, являющейся одной из вторичных обмоток переключающего трансформатора 6, формируется импульс, удерживающий транзистор 4 в открытом состоянии, а на базовой обмотке транзистора 3 формируется импульс, удерживающий транзистор в закрытом состоянии.

Длительность формируемого при этом импульса, в основном определяется параметрами LC контура 12-13 (при разомкнутом ключе 10). По окончании импульса за счет перемагничивания сердечников трансформаторов 5 и 6 и колебательного процесса в цепи 5 12 13 6 5, формируется импульс, включающий транзистор 3. При этом ток протекает по контуру 1 3 5 7 1, формируя вторую полуволну напряжения и, соответствующий импульс управления для транзисторов 3 и 4.

При работе генератора на резонансную нагрузку (которой и являются ультразвуковые пьезокерамические и магнитострикционные излучатели) одним из основных требований к надежной работе является поддержание частоты работы, равной резонансной частоте излучателя. Для обеспечения этого условия сигналы с датчиков тока 7 и напряжения 8 подаются на входы ключевого фазового детектора 9, который формирует импульсный сигнал, среднее значение которого, в зависимости от фазового сдвига между током и напряжением в нагрузке, становится либо положительным, либо отрицательным (см. эпюры). Этот импульсный сигнал управляет транзисторным ключом 10, подключая конденсатор 11 к времязадающей цепи 12-13 на какой-то интервал времени, длительность которого зависит от величины фазового рассогласования между током и напряжением (см. эпюры). При этом меняется длительность формируемого LC контуром импульса, что вызывает соответствующее изменение частоты выходного ультразвукового генератора. При правильно сфазированных сигналах тока и напряжения описанная система обеспечивает автоматическую подстройку частоты работы генератора под резонансную частоту излучателя, компенсируя при этом все возмущения, связанные с изменением питающего напряжения, температуры и нагрузки.

Таким образом, использование предложенной схемы ультразвукового транзисторного генератора позволяет:
повысить надежность его работы за счет существенного упрощения схемного решения (отсутствие системы служебного питания и специальной системы управления);
обеспечить устойчивую работу генератора на резонансную резкопеременную нагрузку за счет повышенного быстродействия системы автоподстройки частоты;
повысить эксплуатационную надежность работы генератора за счет режимного исключения опасных условий работы генератора (при короткозамкнутой нагрузке
генератор просто не выключается).

Литература:
1. Драбович Ю. И. Комаров Н. С. Марченко Н.Б. Транзисторные источник электропитания с бестрансформаторным выходом, Киев: Наукова думка, 1984, 160 с.

2. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания, М. Энергоатомиздат, 1990 г. 240 с.

3. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи, М. Энергия, 1986, 136 с.

4. Авторское свидетельство России N 2007830, Автогенераторный полумостовой инвертор 5 НО2М 7/573, Б.Н. N 3, 1994 (прототип).

Использование: изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в различных технологических процессах, идущих с использованием ультразвука. Сущность изобретения: отличительной особенностью устройства является устойчивая работа на острорезонансную резкопеременную нагрузку. Для повышения надежности, расширения функциональных возможностей в генератор, содержащий делитель входного напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных транзистора, силовой трансформатор первичная обмотка которого включена между средней точкой делителя входного напряжения и общей точкой транзисторов и переключающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены между базами и эмиттерами транзисторов, а первичная обмотка подключена к одной из обмоток силового трансформатора, выводы вторичной обмотки которого являются выходными выводами введены датчики выходного тока и напряжения, ключевой фазовый детектор, управляемый ключ, последовательный LC-контур и дополнительный конденсатор, так что выходы датчиков тока и напряжения подсоединены к первому и второму входам ключевого фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу ключа, выход которого подсоединяет дополнительный конденсатор параллельно конденсатору LC-контура, включенного в первичную обмотку переключающего трансформатора. 2 ил.

Ультразвуковой транзисторный генератор, содержащий делитель входного напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных транзистора, силовой трансформатор, первичная обмотка, которого включена между средней точкой делителя входного напряжения и общей точкой транзисторов, и переключающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены между базами и эмиттерами транзисторов, а первичная обмотка подключена к одной из обмоток силового трансформатора, выводы вторичной обмотки которого являются выходными выводами, отличающийся тем, что введены датчик выходного тока, датчик выходного напряжения, ключевой фазовый детектор, управляемый ключ, последовательный LC-контур и дополнительный конденсатор, причем выходы датчиков тока и напряжения подсоединены к первому и второму входам ключевого фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа, выходная цепь которого образует последовательную цепь с дополнительным конденсатором, подключенную параллельно конденсатору LC-контура, включенного последовательно в цепь первичной обмотки переключающего трансформатора.