基于電容三點式振蕩的超聲波加濕器

張曉軍，王春芳

（青島大學 自動化工程學院，山東青島266071）

隨著超聲波技術的發展，超聲設備得到了極大的普及，如超聲波清洗機、超聲波加濕器、超聲波治療儀及超聲波霧化儀等得到了廣泛的應用。超聲波加濕器可將水霧化并產生許多負氧離子，這樣既可以維持室內空氣濕度、降低感冒病毒的成活率，又可以治療和緩解流感、高血壓、氣管炎等疾病。本文主要介紹了一款超聲波加濕器的原理及其工作過程。

1 加濕器的電路原理

圖1為超聲波加濕器的應用電路。該電路由電源電路、控制電路、振蕩電路、風扇及超聲波換能器等組成。電源電路的輸入為220 V交流電，經變壓器變壓后輸出38 V和12 V交流電，再通過整流橋D4-D7、D8～D11和電容C2、C8濾波為控制電路和風扇提供直流電輸入。

控制電路主要由水量檢測開關K1、霧量控制電位器W1、三極管N5401、發光二極管D3等構成。水量檢測開關是利用干簧管配合漂浮磁環來檢測水位，當水位正常時發光二極管D3呈現綠色，表示加濕器正常工作；當水位過低時，發光二極管D3變紅，表示加濕器缺水；霧量電位器W1用來調節功率振蕩管Q1的基極電流，來控制功率開關管Q1的功率，從而控制加濕器的出霧量。

圖1所示風扇電路由電源提供12 V的直流輸入，當水量檢測電路開關閉合時，電壓就會加在三極管N5551的基極，使得N5551導通，風機便開始工作，將振蕩電路產生的水霧吹散出去達到潤濕空氣的目的。

由Q1、C4、C7構成的三點式振蕩電路如圖2所示。圖2中D1為保護二極管，作用是保護Q1不被燒毀；L1為高頻扼流線圈，作用是阻止超聲波信號進入控制電路；C1為濾波電容；L2為補償電感，作用是穩定電路的振蕩幅度。T1為換能器，其工作頻率阻抗曲線如圖3所示。

當T1發生串聯諧振，它的諧振頻率為W0；當T1發生并聯諧振時，它的諧振頻率為W1。當工作頻率＜W0時，換能器呈容性；當工作頻率在W0與W1之間時，晶體呈感性；當工作頻率＞W1時，換能器又呈容性。T1工作在串聯諧振狀態下其頻率為fs

當T1工作在并聯諧振狀態下其頻率為fp

式中，Lq為換能器內部動態電感；Cq為換能器內部動態電容；C0為換能器靜態電容。

換能器T1從開始振蕩到振蕩穩定的過程包括起振、增幅振蕩和振蕩穩定三個工作過程。在起振過程時，換能器在電場的作用下形成機械振動使得它的兩個表面產生交變電荷，然后電路出現交流電，當換能器的固有諧振頻率和電路中加在T1兩端交流電的頻率相同時，換能器就發生諧振。由于電路起振時流經三極管Q1基極的電流很小，經過三極管Q1放大輸出電流逐漸增大，此后放大倍數逐漸減小達到平衡。換能器諧振之后發生振蕩，可將水霧化成直徑≤5μm的超微粒，同時產生大量的負離子，然后通過風機將水霧吹出去達到潤濕空氣的效果。

圖1 加濕器的電路圖

圖2 電容三點式振蕩電路

圖3 換能器的頻率阻抗曲線

2 加濕器的實驗波形

圖4為超聲波換能器的工作波形，圖4（a）為換能器穩定工作的波形，圖4（b）為截取換能器一小段時間內的波形。從圖中可看出換能器達到穩態時，振幅隨時間呈周期性變化，其振蕩頻率為1.71 MHz，其振幅變換周期約為40μs。

圖4 超聲波換能器的工作波形

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