ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ

На практике, наиболее широко используемыми являются ультразвуковые генераторы, выполненные по схемам самовозбуждения, в которых весь тракт усилителя и колебательной системы охвачен положительной обратной связью так, что в нем возникают автоколебания на частоте максимальных механических колебаний рабочей колебательной системы.

Примером генераторов с самовозбуждением могут служить генераторы технологических аппаратов фирмы "KLN Ultraschal GVBH" (ФРГ) для ультразвуковой сварки, генераторы аппаратов фирмы " Вranson " (Великобритания) для УЗ ванн очистки и отечественные аппараты типа УЗ01-01.

Для формирования сигнала обратной связи в генераторах с самовозбуждением применяются мостовые схемы, схемы с дифференциальным трансформатором, а также различные индуктивные и емкостные схемы положительной обратной связи. Основным недостатком генераторов с самовозбуждением является необходимость его перенастройки при смене колебательной системы или рабочих инструментов для выполнения различных технологических операций. Кроме того, в генераторах с самовозбуждением невозможно осуществлять регулирование выходных параметров аппарата (например, интенсивности УЗ колебаний на рабочем инструменте колебательной системы), поскольку необходимыми условиями оптимальной работы аппарата с самовозбуждением являются баланс фаз и баланс амплитуд, нарушение которых ведет к срыву автоколебаний. Происходит это потому, что нарушение режимов работы ультразвуковой колебательной системы (изменение нагрузки, нагрев и т.п., а также изменение электрических и геометрических параметров самой колебательной системы) приводит к расстройке одновременно двух взаимосвязанных систем: системы выделения сигнала обратной связи и системы согласования колебательной системы с генератором. Поэтому перестройка аппарата требует изменения и взаимной увязки всех элементов, что представляет собой сложную техническую задачу, решение которой практически трудно осуществимо в процессе эксплуатации аппарата.

На практике, при выполнении различных технологических операций, требуется быстрая настройка аппарата при изменении параметров колебательной системы путем изменения характеристик (регулирования) одного электронного элемента, а также осуществление регулирования выходных параметров аппарата в процессе выполнения технологических операций.

По этой причине, для многофункционального УЗ аппарата необходимо использовать генераторы с самовозбуждением, позволяющие осуществлять широкий спектр операций с различными по конструкции рабочими инструментами колебательных систем и позволяющего легко осуществлять перестройку электронным способом характеристик аппарата в процессе его эксплуатации при обработке различных материалов, сред и объектов при различных уровнях нагрузки и т.п. Принципиальные схемы ультразвуковых генераторов для использования в составе многофункциональных УЗ аппаратов показаны на рис. 4.3. и рис. 4.4. Принципиальные схемы отличаются способами формирования сигнала обратной связи и перестройки характеристик аппарата, а также мощностными характеристиками. Генератор, показанный на рис. 4.3. более прост в реализации, имеет мощность 40 Вт и предназначен для комплектации многофункционального аппарата 2 типа. В нем обратная связь формируется с помощью перестраиваемого емкостного элемента. Генератор, принципиальная схема которого приведена на рис.4.4, более сложен, имеет электронные регулировки частоты и мощности. Такой генератор может использоваться для комплектации аппаратов второго и третьего типов.

Ввиду большей универсальности этого генератора рассмотрим подробно его устройство и принцип работы.

Схема ультразвукового генератора, показанная не рис. 4.4 содержит усилитель УЗ частоты, выполненный на транзисторах VT2, VT3, рабочую колебательную систему ZQ1, схему согласования усилителя с колебательной системой, содержащую дроссель L, трансформатор TR3, а также схему положительной обратной связи, выполненную на элементах С1, С2, С3, R1, TR1, схема обратной связи своим входом электрически соединена с выходом усилителя через комплексное сопротивление, включающее выходное сопротивление усилителя и разделительный конденсатор С4, и выполнена в виде последовательно включенных конденсатора и первичной обмотки дополнительного трансформатора TR1, вторичная обмотка которого соединена с механически или электрически перестраиваемым резистивным элементом R1, при этом схема согласования подключена параллельно схеме выделения сигнала обратной связи и выполнена в виде последовательно включенных компенсирующего дросселя L и выходного трансформатора TR3.

Рис.4.3. Принципиальная схема генератора мощностью 40вт

Рис.4.4.Принципиальная схема генератора с самовозбуждением мощностью 160 вт.

УЗ аппарат содержит усилитель на транзисторах VT2 и VT3 , работающих в режиме переключения, что позволяет обеспечить максимальный коэффициент преобразования биполярного напряжения питания в электрические колебания УЗ частоты. Нагрузкой усилителя являются последовательно включенные через разделительный конденсатор С4, компенсирующий дроссель L и первичная обмотка выходного трансформатора TR3. Ко вторичной обмотке трансформатора TR3 подключена рабочая колебательная система ZQ1, содержащая пьезоэлектрический преобразователь, согласующий концентратор и рабочий орган, для ввода УЗ колебаний в обрабатываемые материалы, объекты и среды. Компенсирующий дроссель L и трансформатор TR3 обеспечивают согласование усилителя с рабочей колебательной системой. Схема выделения сигнала обратной связи, являющаяся одновременно схемой настройки и регулирования параметров аппарата, содержит последовательно включенные конденсаторы С1, С2, С3 и первичную обмотку трансформатора TR1. Выделенный сигнал подается на последовательно включенную со схемой выделения сигнала обратной связи первичную обмотку трансформатора TR2.

Параллельно вторичной обмотке трансформатора TR1 подключен резистивный элемент R1, сопротивление которого может изменяться механическим или электронным способом (например, переменный резистор для ручной регулировки аппарата или электронная схема с перестраиваемым выходным сопротивлением для автоматизированной перестройки аппарата).

Схема выделения сигнала обратной связи с последовательно подключенной к нему первичной обмоткой трансформатора TR2 соединена с выходом усилителя на транзисторах VT2 и VT3 через комплексное сопротивление, представляющее собой выходное сопротивление усилителя и разделительный конденсатор C4, т.е. подключена параллельно схеме согласования усилителя с рабочей колебательной системой. Обмотки трансформатора TR1 выполнены на общем магнитопроводе.

Применение вторичной обмотки трансформатора TR1, расположенной на одном магнитопроводе с первичной обмоткой, позволяет за счет изменения величины нагрузочного сопротивления R1 (или выходного сопротивления перестраиваемых электронных схем) изменять индуктивность первичной обмотки трансформатора TR1 Изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 обеспечивает перестройку схемы обратной связи.

Для пояснения работы аппарата предположим, что при подключении рабочей колебательной системы, используемой для осуществления определенного технологического процесса, не обеспечивается режим самовозбуждения УЗ аппарата из-за отсутствия баланса фаз и амплитуд. В предложенном УЗ аппарате фазовые соотношения между напряжением в точке между конденсатором C4, и дросселем L и выходным током усилителя приводят к изменению формы напряжения обратной связи на входе усилителя за счет наличия конечного выходного сопротивления усилителя.

В этом случае небаланс фаз и амплитуд приводит к тому, что нагрузка усилителя может носить индуктивный характер и тогда сигнал обратной связи на входе усилителя начинает опережать по фазе выходной сигнал, или может носить емкостной характер и тогда, выходной сигнал опережает сигнал обратной связи. В обоих случаях изменение сопротивления R1 обеспечивает изменение индуктивности первичной обмотки трансформатора TR1 и перестройку параметров схемы обратной связи. Перестройка обратной связи приводит к изменению фазовых соотношений на входе и выходе усилителя и при определенной величине сопротивления R1 обеспечивается условие самовозбуждения. При этом происходит изменение частоты генерации до величины, равной частоте механического резонанса рабочей колебательной системы, и УЗ генератор работает в режиме самовозбуждения. Таким образом, за счет изменения сопротивления R1 частотно зависимая обратная связь обеспечивает перестройку частоты генерации до частоты механического резонанса и в начальный момент обеспечивает работу с любой из необходимых рабочих колебательных систем. При этом на выходе усилителя можно установить определенный сдвиг фаз, обеспечив режим самовозбуждения на частоте, близкой к частоте механического резонанса. Поэтому, обеспечив работу аппарата на частоте, близкой к резонансной, можно снизить интенсивность УЗ колебаний, возбуждаемых в обрабатываемой среде или объекте, т.е. установить оптимальный режим ведения процесса. Такое же изменение, можно осуществлять в процессе эксплуатации аппарата, оперативно изменяя режимы УЗ воздействия. При настройке аппарата для работы в режиме самовозбуждения с выбранной рабочей колебательной системой или необходимыми рабочими инструментами обеспечивается проведение определенного технологического процесса. В ходе проведения этого процесса может происходить изменение параметров колебательной системы (за счет нагревания пьезоэлементов и материала накладок, изменений условий ввода колебаний и т.п.). В этом случае, изменение частоты механического резонанса рабочей колебательной системы, происходящее в небольших пределах, приводит также к изменению характера нагрузки (т.е. нагрузка, приведенная ко входу генератора, начинает носить индуктивный или емкостной характер) и в небольших пределах к изменению фазовых соотношений между током и напряжением на выходе усилителя. В обоих случаях для сохранения условий самовозбуждения, т.е. сохранения на выходе усилителя первоначально установленного сдвига фаз, автоматически осуществляется изменение частоты генерации в небольших пределах до величины, равной резонансной частоте колебательной системы, и условие самовозбуждения постоянно выполняется.

Таким образом, рассмотренный УЗ генератор позволяет осуществлять технологические процессы с помощью различных рабочих колебательных систем или одной колебательной системы с различными рабочими инструментами, регулировать выходные параметры аппарата, в частности интенсивность УЗ колебаний, в ходе настройки и эксплуатации аппарата, а также обеспечивает сохранение условий первоначально установленного режима самовозбуждения в процессе эксплуатации при изменении параметров колебательной системы и условий воздействия УЗ колебаний на объекты, среды и материалы. Принципиальная схема генератора содержит также реле времени, выполненное на элементе DD1 и обеспечивающее включение технологического аппарата на время проведения технологического процесса. На транзисторе VT1 выполнена схема стабилизации амплитуды колебаний генератора. Перечисленные достоинства делают рассмотренные генераторы пригодными для комплектации многофункциональных УЗ аппаратов мощностью от 40 до 160 Вт.

Основное достоинство генераторов с самовозбуждением - простота конструкции и удобство эксплуатации. Однако, изготовление таких генераторов требует очень точной предварительной балансировки схемы согласования генератора с колебательной системой и схемы выделения сигнала обратной связи. Кроме того, генераторы с самовозбуждением, не обеспечивают автоматическое изменение параметров генератора (рабочей частоты) в очень широких пределах, например, при изменении параметров акустической нагрузки от газовой среды до твердого тела. Для решения подобных задач используются генераторы с независимым возбуждением, выполненные по схемам с автоподстройкой частоты.