一種小功率低成本超聲波電源的設計

肖 舫 丁慎平 張 娜 燕姍姍

(蘇州工業園區職業技術學院機電工程系，江蘇 蘇州 215123)

一種小功率低成本超聲波電源的設計

肖 舫 丁慎平 張 娜 燕姍姍

(蘇州工業園區職業技術學院機電工程系，江蘇 蘇州 215123)

在對超聲波清洗機進行分析的基礎上，針對以前超聲波電源的缺點，提出以AT89C51單片機控制的低成本小功率超聲波電源設計方案，并對系統的硬件設計進行介紹。實驗結果表明，本電源具有工作穩定、諧振良好和可靠性高的特點，在清洗過程中取得了預期的效果，對小功率超聲波清洗機的成本降低及進一步深入研究具有重要的參考價值。

超聲波電源；單片機；設計

0 引言

超聲技術按其應用大體可分為兩類：功率超聲和檢測超聲。功率超聲作為超聲學的一個重要分支，已經廣泛應用于超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲馬達等領域。在除油、防銹、磷化等清洗過程中，超聲清洗只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統清洗方法提高了幾十倍，且清潔度很高[1-2]。

超聲清洗主要利用在聲場作用下存在于液體中的微氣泡會產生高頻振動的超聲空化作用。凡是液體能浸到且聲場存在的地方都可應用超聲清洗，其尤其適用于表面形狀復雜的零件。采用這一技術后，可減少化學溶劑的用量，從而大大減少環境污染。超聲波清洗機是目前在清洗領域性價比最高的設備[3]。超聲波電源作為超聲波清洗機的核心單元，是一種用于產生并向超聲波換能器提供超聲能量，使之工作于諧振頻率的裝置。

超聲波發生器產生高頻高壓，通過電纜傳輸給換能器，換能器與振動板產生高頻共振，從而使超聲波清洗機清洗槽中的介質受超聲波作用對污垢進行洗凈。采用單片機控制開發超聲波電源，能夠實現超聲波清洗機的通用化、低成本，并加快開發速度。

1 超聲波電源設計方案

超聲波電源包括超聲波主電路(超聲波發生電路)、超聲波輔助電路、單片機控制的超聲波控制電路。超聲波電源的作用是將電網工頻50 Hz的交流電轉變成上萬赫茲超聲頻率的振蕩電流，并通過匹配網絡傳遞給換能器。超聲振動系統將它的交流電能轉變成同頻的超聲振動機械能，經過換能器放大傳遞給清洗槽負載做功?，F有的超聲波電源大多采用逆變型功率放大電路，它一般由交流電輸入、AC/DC整流電路、DC/AC逆變電路、匹配電路、高頻變壓器、控制保護電路及換能器等組成。

采用AT89C51單片機的超聲波電源組成如圖1所示。由圖1可知，超聲波電源工作時，工頻交流電經AC/DC變成平滑的直流電，再經DC/AC逆變成交流電，并通過高頻功率變壓器對電壓進行升壓和電氣隔離，經過匹配電路將高頻交流電壓信號輸出至換能器，激勵換能器諧振，產生超聲波振動。

圖1 超聲波電源的組成

為了保證超聲波電源工作的可靠性，需對主電路的功率器件做一些硬件保護。同時，MCU(主控制器)還可以實時檢測故障信號，對主電路進行軟件保護，以實現系統免維護的性能。

2 超聲波電源硬件設計

超聲波電源主電路圖如圖2所示。

圖2 超聲波電源主電路圖

從圖2可以看出，220 V、50 Hz的交流電經過整流橋，通過電容C1、C2的濾波，得到較為平滑的直流電，該電壓加在VT1和VT2組成的逆變電路上，高頻脈沖電壓為半橋電路的輸出。調諧匹配電感L1和高頻變壓器T1組成匹配網絡，經過匹配網絡的調諧以及阻抗變換之后，輸出給換能器。本系統MOSFET管VT1和VT2型號為J13009-2，UN=500 V，IN=20 A；整流橋由4個IN4007二極管組成。

2.1 逆變單元

逆變單元是超聲波電源功率主電路的核心單元，擔負著輸出高頻脈沖電壓的任務。高頻交流電的產生和頻率輸出調整都是通過逆變器來完成的。常用的逆變器主電路有單相半橋逆變電路、單相全橋逆變電路。

本文設計的超聲波電源輸出功率為300 W、40 kHz，屬于小功率。由于全橋逆變電路使用的開關元器件較多，驅動電路較為復雜，相對半橋電路而言，其系統的可靠性較低。半橋式逆變電路具有開關器件少、抗電壓不平衡力強等優點，綜合比較后選用單相半橋逆變電路，如圖3所示。

圖3 單相半橋逆變電路圖

圖中，電容C1和C2上的電壓相等，而且等于輸入電源電壓Ud的1/2。當VT1導通時，電容C1兩端電壓便通過VT1加載到T1原邊繞組的兩端。此時，電容C1兩端電壓和變壓器T1原邊繞組兩端電壓相等，都等于Ud/2，變壓器輸出為正。當VT1截止、VT2導通時，電容C2兩端電壓通過VT2加載到T1原邊繞組的兩端，使原邊繞組兩端電壓值等于-Ud/2，且極性反向。因此，VT1、VT2輪流截止和導通時，在高頻變壓器原邊繞組兩端產生的交流電壓幅值為Ud/2。半橋逆變電路中高頻變壓器原邊繞組上的電壓與電容C1、C2兩端的電壓相等，當C1或C2向變壓器原邊放電時，如果VT1和VT2的開關頻率不高，C1或C2放電時間較長的情況下，電容兩端電壓會逐漸降低，從而使電壓的輸出端曲線頂部呈傾斜狀脈沖。同時，該電路輸出的交流電壓幅值為Ud/2，對電能的利用率高。因此，此種逆變電路適用于功率需求不大且輸出電壓頻率較高的場合。

2.2 功率控制電路

不同的清洗負載需要不同的超聲功率，因此要對超聲波電源的輸出功率進行調節。調節可分為無級調功和有級調功兩種。當超聲波電源的輸出功率不需要連續可調時，為了簡化設計，可以采用有級調節功率的方式對電源的輸出功率進行調節。

實驗中所使用的為1 000 V耐壓換能器。壓電陶瓷諧振時，只要改變其兩端的電壓幅值即可調節電源輸出功率。在主電路逆變單元的輸出環節中，串聯一個較高變比的高頻變壓器，用來升壓和隔離換能器兩端電壓。為了減小主電路設計難度、提高系統可靠性，超聲波電源的功率輸出采用有級調節的方式，為200 V、300 V兩檔可調。為了得到這兩檔的電壓信號，可以通過整流變壓器或高頻變壓器來實現調壓。直接通過開關器件選擇高頻變壓器二次邊不同匝數線圈抽頭，得到不同的提供給負載的電壓幅值，來達到調節功率的目的。

2.3 整流濾波穩壓電路

本文采用Multisim10.0軟件設計電路，并對設計的電路進行仿真。整流濾波穩壓電路如圖4所示。

圖4 整流濾波穩壓電路圖

圖4中，T1為互感器，作用是過濾掉超聲波回路中的雜波，同時防止電網被污染。T2為變壓器，作用是變壓，將220 V轉化成較低的交流電壓。電壓通過整流橋整成帶有脈動的直流電，通過C5的濾波、7805芯片的穩壓，變成平穩的5 V直流電，為超聲波控制電路供電。

2.4 驅動電路

驅動電路的形式有直接驅動、脈沖變壓器隔離驅動、光偶隔離驅動3種。本文采用光偶驅動，如圖5所示。

圖5 光偶驅動電路圖

驅動電路向MOSFET柵極提供所需要的柵荷，以保證器件的開關性能、主電路與控制電路的隔離。光偶隔離最典型的應用是對光偶芯片進行隔離，具有體積小、結構簡單的優點。本文選用MOC223型光偶芯片實現控制電路與功率主電路的隔離。MOC223是輸入阻抗高線性光偶芯片，驅動功率小，開關速度大，適合做一些連續變化的數據的隔離與傳輸，適合應用于小功率超聲波電源。

2.5 控制電路

單片機控制電路的主要功能是控制溫度、超聲波電源工作時間，啟動與停止加熱驅動電路，復位控制以及其他保護電路控制。主控制器采用AT89C51單片機。按鍵電路由4個按鍵組成，分別完成對溫度、超聲波電源啟動時間和復位的設置。

3 實驗

根據本超聲波電源的參數要求，設計清洗機控制界面?？刂平缑嬗?組LED高清數碼管組成，分別顯示設置溫度、實際溫度、超聲波清洗時間(s)、超聲波清洗時間(s)。其中，兩組上下箭頭表示溫度的增減(每次增減1 ℃)和超聲工作時間的增減(每次增減5 min)。

溫度最高設置為80 ℃，由溫度傳感器控制。當溫度傳感器測得實際溫度小于設定溫度時，加熱膜不工作；反之，加熱膜開始加熱，直到達到設定溫度為止。超聲控制時間設置：按鍵每按一次時間加5 min，最大時間設定為30 min。可以在工作的過程中實現時間的調節，即時間的增加或減少。

在超聲波電源的焊接以及調試實驗中，需要用到的設備有LCR數字電橋、數字示波器、功率計、恒溫電烙鐵。實驗平臺包括清洗槽、振子、加熱膜、超聲波電源、超聲波電源控制器。焊接后的電路板用示波器、功率計、電橋等設備進行測試。研制的超聲波電源用示波器測試波形輸出情況，如圖6、圖7所示。示波器表筆選擇100×1檔，采樣電阻采用0.1 Ω，將采樣電阻串聯，示波器探頭夾在其兩端，測量出來的超聲波波形頻率為38.7 kHz，基本滿足40 kHz的設計要求。

圖6 實驗波形1

圖7 實驗波形2

圖6結果顯示仍有雜波，瞬時頻率很高，達150 kHz，電路中的電感元件、電容元件仍有干擾存在，有待在今后的工作中繼續改進。以超聲波電源為主體的超聲波清洗機作為實驗裝置，以眼鏡為實驗對象進行清洗，清洗前后眼鏡外觀有了明顯的改觀。超聲波清洗機清洗眼鏡溫度設定在40 ℃，實驗水槽5 L，添加2 mL醫用多酶強效清洗液。清洗實驗前，可以清晰地看到眼鏡有較多的油污、汗漬、灰塵，如圖8所示。將眼鏡放入超聲波清洗機清洗槽中，設置條件為：清洗時間5 min，清洗溫度36.3 ℃，清洗槽容量5 L，清洗液(水)3 L，加熱膜功率200 W。清洗過程中不對清洗物體——眼鏡進行任何操作。

圖9為眼鏡清洗完畢后未經擦拭圖。清洗5 min后，用鑷子將眼鏡取出。鏡片有部分水珠附著在上面。鏡片及鏡架上原有的油污、汗漬、灰塵已經被洗掉，鏡架螺絲連接處的油污去除干凈。用鏡片擦拭紙對眼鏡進行擦拭后進行眼鏡清洗前后對比，結果為：眼鏡的清晰度大大增加，鏡片及鏡架的油污等雜質明顯去除，效果分明。超聲波電源發熱測量最高溫度為51 ℃，屬于可控范圍。

圖8 清洗實驗前的眼鏡

圖9 清洗實驗后的眼鏡

4 結語

本文提出了基于單片機控制的超聲波電源設計方案，成本低，市場競爭力強。實驗表明，本電源低諧波，清洗效果好，發熱量在可控范圍內，延長了電源的整體壽命。此設計方法可以為超聲波技術的后續研究與產品化提供借鑒。

[1]孟令東.裝甲裝備器材自動化保養設備集成設計與工藝性能試驗研究[D].北京：裝甲兵工程學院，2006

[2]黃凱.基于神經網絡的動態匹配超聲波鑄造電源的研究[D].長沙：中南大學，2011

[3]齊延興，楊雪銀.基于SPACE061A單片機的超聲波清洗機設計[J].中國測試，2009(4)

2014-05-26

肖舫(1965—)，男，江蘇蘇州人，高級工程師，研究方向：電子技術應用。