Приведем несколько наиболее занимательных и
познавательных на мой взгляд статей из книги: Ультразвуковые процессы и
аппараты в биологии и медицине". Учебное пособие для студентов
специальности 190500, под редакцией профессора В.Н. Лясникова (СГТУ,
Саратов 2005 г. тираж 100 экземпляров), данную книгу можно взять в
городской библиотеке г. Саратова на ул. академика Зарубина и ознакомится
с ней более подробно.
Особенности расчета и принципы конструирования,
Принципы конструирования ультразвуковых генераторов
Для питания ультразвукового преобразователя или их группы используется
электрический генератор, преобразующий электрическую энергию сети с
частотой 50 Гц в высокочастотные сигналы в диапазоне 10 кГц-1МГц. Раньше
для этой цели использовали ламповые, реже машинные генераторы. В
настоящее время они заменяются полупроводниковыми генераторами,
совершенствование которых тесно связано с развитием элементной базы -
мощных полупроводниковых приборов. Генератор является основным
устройством ультразвуковой установки и определяет ее функциональные и
эксплуатационные параметры.
Ультразвуковые генераторы с точки зрения назначения можно разбить на три
группы [23]:
- генераторы для излучения ультразвука в твердой среде (для сварки,
обработки, изменения формы);
- генераторы для излучения ультразвука в жидкие среды (воздействие на
расплавы, очистка, интенсификация физико-химических процессов);
- генераторы специального назначения (маломощное очистное оборудование,
дефектоскопия, диагностика, воздействие на биологические объекты,
медицинская техника, приготовление суспензий, эмульсий, аэрозолей и
т.д.)
Однако все группы генераторов должны выполнять аналогичные операции, и
их функциональная схема может быть представлена в следующем виде (рис.
4.1).
Силовой контур используется в генераторах для питания
мощных преобразователей ультразвука высокой интенсивности, используемых
преимущественно в технологических целях и в медицинской хирургической
аппаратуре. Для дефектоскопии и диагностики используются генераторы без
силового контура, т.к. мощность задающего генератора достаточна для этих
целей. Для терапевтических целей могут использоваться генераторы первого
и второго типа. В целом следует считать перспективными генераторами
системы с силовым контуром, но с регуляторами выходной мощности в
достаточно широких пределах.
Ламповые генераторы отличаются простыми электрическими цепями, широким
диапазоном частот, надежностью и универсальностью, поскольку рабочие
режимы электронных ламп не достигают, как правило, допустимого предела.
Большим преимуществом ламповых генераторов является возможность их
кратковременной перегрузки, что позволяет генерировать значительные
импульсные мощности, до 100 раз превышающие максимальную расчетную
мощность, при условии, что интервалы времени между импульсами так
велики, что в среднем мощность не превышает максимальную. Недостатками
ламповых генераторов являются малый срок службы ламп, большие габаритные
размеры, необходимость интенсивного водяного или воздушного охлаждения,
низкий КПД (30-40%), необходимость эксплуатации в чистых средах из-за
высокого анодного напряжения (до 5000 В). Поэтому такие генераторы
применяют и проектируют только для систем, где требуется особо высокая
мощность ультразвука. В медицинской технике их использовать
нецелесообразно.
Машинные генераторы способны питать преобразователи мощностью 10 кВт,
просты в обслуживании, нечувствительны к перегрузкам. Однако они
способны генерировать только одну частоту импульсов низкого
ультразвукового диапазона (не выше 20 кГц) и невысокой стабильности. Их
используют только в крупногабаритных установках с большим числом
магнитострикционных преобразователей или для обработки расплавов.
В зависимости от типа активного полупроводникового элемента в цепи,
полупроводниковые генераторы делятся на две группы: тиристорные и
транзисторные. Поскольку свойства и назначение транзисторов и тиристоров
значительно различаются, отличаются и электрические схемы генераторов. В
сравнении с ламповыми генераторами полупроводниковые имеют меньшие
размеры и массу, отличаются высоким КПД (около 70%). Они работают с
меньшими напряжениями и большей силой тока. Недостатком их является
большая чувствительность к перегрузке.
Транзисторные генераторы имеют схемы по типу осцилляторов с
электрическими датчиками для автоматического регулирования частоты и
компенсации изменений нагрузки. Применяют схемы одно- и многокаскадных
усилителей с самовозбуждением. Мощность для возбуждения мощного каскада
отбирают с выхода генератора с помощью систем обратной связи. Для
получения больших мощностей питания одного преобразователя применяют
несколько согласованных по частоте генераторов. Недостатком
транзисторных генераторов является их слабая устойчивость к перегрузкам,
особенно в аварийном режиме короткого замыкания, когда возможен пробой
всех транзисторов силового каскада.
Тиристорные генераторы обеспечивают большие выходные мощности, сравнимые
с ламповыми системами, и устойчивы к значительным перегрузкам. Однако
они не позволяют применять простое автоматическое регулирование частоты
и мощности на принципе осциллятора, как в транзисторных генераторах.
Т.к. тиристоры - это управляемые выпрямители, они требуют сложных
электронных вспомогательных приборов, усложняющих генератор в целом.
Фактически в тиристорный генератор оказывается встроенным в качестве
задающего контура маломощный транзисторный генератор. В связи с
появлением в последнее время мощных транзисторов вопрос о том, какой
генератор целесообразнее использовать, остается открытым.
Важнейшим принципом создания современных ультразвуковых генераторов
любых типов является автоматическое регулирование, под которым понимают
согласование генератора как источника электрической энергии с
изменяющимися режимами ультразвукового преобразователя. Преобразователь
под влиянием нагрузки изменяет резонансную частоту и внутреннее
сопротивление. Для обеспечения равномерного во времени дозирования
акустической энергии необходимо постоянное согласование генератора с
преобразователем путем автоматического регулирования частоты или
мощности. Первый способ обеспечивает непрерывное отслеживание
ультразвуковым генератором изменения резонансной частоты
преобразователя, оказывающих влияние на амплитуду колебаний. При втором
способе мощность автоматически увеличивается или уменьшается в
соответствии с изменением нагрузки преобразователя.
Принимая тот или иной метод регулирования, следует учитывать
экономические соображения. Регулирование по частоте применяют в ламповых
генераторах только для тех установок, которые характеризуются переменной
нагрузкой и используют магнитострикционные преобразователи высокого
качества. В полупроводниковых генераторах применяют регулирование обоими
способами, чтобы обеспечить наиболее полное использование положительных
свойств пьезокерамических преобразователей. Известные способы
автоматического регулирования частоты генераторов приведены на рис. 4.2.
К группе генераторов с самовозбуждением относятся
схемы, в которых преобразователь является частью электромеханической
обработки связи. Частота колебаний генератора зависит от свойств его
эквивалентной схемы. При отключении преобразователя электрические
колебания в генераторе не создаются.
Группа генераторов с независимым возбуждением - наиболее широкая.
Частота такого генератора зависит от изменения того параметра системы,
который непосредственно связан с ее резонансной частотой. При
отсоединении преобразователя колебания продолжают генерироваться.
Другие устройства "раскачивают" частоту относительно резонансной частоты
ультразвукового преобразователя.
Дальнейшее развитие способов автоматического регулирования связано с
принципом синхронизации генератора возбуждения конечной мощной ступени
электрического генератора с помощью напряжения, создаваемого датчиком
ультразвукового преобразователя.
Таблица 4.1 Характеристика современных ультразвуковых генераторов разработки
ВНИИ ТВЧ
