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超声波换能器与驱动电源的匹配

2022-12-07 10:37:29

声波换能器与驱动电源的匹配主要有 4 个方面,即阻抗匹配、频率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中主要的是容抗和频率。如前所述因为陶瓷片是绝缘体,几乎可以理解为换能器是不通电的,它只是相当于一个电容器。要使换能器工作,实际上是通过驱动电路对它施加交流高电压,让换能器的电容充放电。


压电陶瓷片在交变电场的作用下做同步伸缩变形,形成了整个换能器的纵向振动,从而带动变幅杆和模具振动。所以若电容匹配不好,轻者是换能器无力,焊不牢;重者换能器发热严重,烧电极片、烧电源的大功率管。我们的换能器产品附有产品性能参数表,给出了每个换能器的电容和频率。


驱动电源应该根据换能器的电容量,调整高压变压器,匹配电容板,峰化线圈,调频线圈等的参数。由于电感和电容量的敏感性,功放板,扼流线圈及其他外围电路对匹配也有影响。而且随着工作进行,换能器的温度会升高,导致电容也会升高且变化量可能会超过 50%。


超声波换能器


若不能将电容有效地匹配掉,就会造成回路中电流电压相位差很大,功率因素很低,虚功高。看看电流很大,但换能器没力,易发热,且电源的功率器件也容易发热损坏。一般换能器电极片(耳朵)振裂或烧掉很可能就是由此引起的。频率匹配同样也非常重要。这首先是因为超声换能器只能工作在他的谐振频率点。


所以驱动电源、变幅杆、焊接模具(工具头)都应该在这个频率下工作。一般而言,这个差别不超过 ± 0.1kHz ,能小一点就更好。建议配套焊接模具(焊头)的频率低于振动子频率 0.1kHz 左右(小信号频率)。也就是说,若原振动子小信号测量的频率是 14.85 kHZ ,则连上模具后再测频率为 14.75 kHZ 比较理想。 


同时就应考虑到,超声波换能器接上变幅杆和模具头后,系统的谐振频率峰会变得很尖锐,也即带宽很窄,机械品质因数很大,频率偏移一点都会造成阻抗很大的增加。表现在驱动电源上就是电源(振幅表电功率)很大或过载保护。若刚好这时是空载调机,则很可能会造成晶片错位,晶片裂或中心螺杆断。


功率匹配和阻抗匹配主要是考虑到超声波焊接系统是间隙式工作,负载变化极大,焊接时要有足够的功率输出,空载时要控制在较小振幅。否则,就像前面提到的,空载时输入很大,则损坏换能器。满载时功率上不去,焊不牢还是没用的。


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