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超声波发生器发展的几个阶段

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超声波发生器发展的几个阶段

2018-07-27 10:27

发生器发展可以分为三个大的阶段:第一阶段是采用电子管放大器;第二个阶段是采用晶体管模拟放大器;第三个阶段是采用晶体管数字(开关)放大器。

第一:电子管放大器

在早期上世纪80年代前,信号的功率放大还采用电子管。采用电子管的唯一好处是它的动态范围较宽,这个好处对于音频放大器致关重要,但对超声波发生器没有什么用处,因此一旦功率晶体管出现后即遭淘汰。电子管的缺点很多,例如:功耗大、体积大、寿命短、效率低。

第二:晶体管模拟放大器

上世纪80年代到90年代中旬,功率晶体管发展已经非常成熟,各种OCL及OTL电路均使用于发生器,原理图如下:

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信号发生器产生一个特定频率的正弦波,经前置放大器进行信号放大,推动功率放大器进行功率放大,再经阻抗变换,提供给换能器,其中VCC、VEE是通过变压、整流、滤波后的直流电源。

同时,模拟功率放大器有一下几个缺点:

(1)功耗较大。由于OTL、OCL电路理论效率只有78%左右,实际效率更低,功耗大,导致功率管发热严重。需要较大的散热功率,功率管的发热导致工作不太稳定。

(2)体积大、重量重。由于功率管输出的功率受到限制,要输出较大的功率需要更多的功率管,况且发生器所需要的直流电源是通过变压器降压、整流,滤波后得到的,大功率的变压器比较重,效率也比较底。

(3)不易使用现代的微处理器来处理,由于该电路呈现一个比较典型的模拟线路特征,用数字处理比较复杂,涉及到A/D(模拟转数字)和D/A(数字转模拟),成本比较高,可靠性底。

第三:晶体管开关性放大器

随着电力电子器件的发展,特别是VDMOS管(垂直沟道MOS管,也可称功率场效应管)和IGBT(隔离栅双极晶体管)的发展和成熟,使得采用开关式发生器成为可能,实际上开关型发生器的发展是开关电源的成果之一,接下来着重讨论晶体管开关型发生器。

开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比(或导道与截止时间)来控制输出的功率。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小,因此这种开关型发生器的特点是:

(1)功耗底、效率高:开关管在开关瞬时的功耗较大,但时间很短,在截止或导道时的功耗很小,时间较长,因此总的功耗较小,而且基本恒定,最高效率可以达到90%以上。

(2)体积小,重量轻:由于效率高,功耗底,使得散热要求较低,而且各个开关管可以推动的功率较大,加上直流电源直接变换使用,不需电源变压器降压,因此它的体积较小,重量轻,单位功率所占的体积和重量值较小。

(3)可靠性好,与微处理器等配合较容易:电子器件在工作时的温升较低,工作就可靠,加上全数字(开关)输出,可用微处理器直接控制。

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