Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 8 из 20)

На рисунке 4.2 представлена принципиальная схема выходных каскадов УЗ генератора, блоков питания и регулятора мощности. На рисунке 4.3 представлена принципиальная схема задающей части УЗ генератора, блоков автоматической подстройки и автоматики.

Рассмотрим более подробно разработанную принципиальную электрическую схему. УЗ генератор питается сетевым напряжением 220 В. При включении тумблера «СЕТЬ» сетевое напряжение подается на понижающий трансформатор TR1 и на выпрямительный диодный мост VD6-VD9, с которого оно подается на тиристорный регулятор А4. Пониженное трансформатором TR1 сетевое напряжение выпрямляется мостиком VD1-VD4, затем оно сглаживается конденсатором С1 и подается на интегральный стабилизатор напряжения DA1. Стабилизированное напряжение фильтруется конденсатором С2 и этим напряжением питается низковольтная часть УЗ генератора. На элементах R3, R2, VT1, VT2, VT3, VT4, R4, R5, TR2 по схеме с самовозбуждением собран задающий генератор электрических колебаний. С одной из обмоток трансформатора TR2 снимается напряжение для питания схемы рассасывания зарядов из баз выходных транзисторов VT14, VT18.

Рисунок 4.2 - Выходные каскады (силовая часть) УЗ генератора

В момент появления напряжения питающего низковольтную часть схемы, запускается генератор электрических УЗ колебаний, собранный на микросхеме DD1. Частота этих колебаний задается элементами С26, R71, R72, R74 и напряжением на конденсаторе С27. С микросхемы DD1 этот сигнал подается на вход С элемента DD2.1, на котором собран делитель на два. На прямом и инверсном выходах этого элемента формируются сигналы одинаковой частоты, но противоположной фазы, предназначенные для управления выходными каскадами УЗ генератора. Управляющие сигналы с выходов элемента DD2.1 поступают на ключевые логические элементы DD3.1 и DD3.3, которые могут быть закрытыми для прохождения управляющих сигналов или открытыми. К логике их работы обратимся позже и для примера предположим, что эти элементы открыты, то есть управляющие сигналы проходят через них, инвертируясь при этом.
Элементы R76, VD47, C28, DD3.2 и R77, VD48, C29, DD3.4 обеспечивают небольшое укорачивание управляющих сигналов для устранения сквозных токов в выходной полумостовой схеме в момент ее переключения.

Рисунок 4.3 - Задающая часть УЗ генератора

С выходов логических элементов DD3.2 и DD3.4 управляющие сигналы через соответствующие цепочки C30, R78 и C31, R79 подаются на эмиттерные повторители, собранные на транзисторах VT21, VT22, в коллекторные цепи которых включены резисторы R80 и R81 соответственно, с них снимаются сигналы для управления выходными схемами А2 и А3, представляющие собой плечи полумостовой схемы.

Назначение блоков А2 и А3 состоит в уменьшении времени рассасывания зарядов в базах выходных транзисторов VT14 и VT18. Блоки А2 и А3 одинаковы, и их подробное описание выполнено в разделе 2. Стоит отметить, что эти блоки гальванически полностью развязаны с низковольтной частью УЗ генератора как по питанию, так и по управлению, что полностью удовлетворяет требованиям техники безопасности.

К выходу полумостовой схемы последовательно включены обмотки трансформаторов TR7 и TR8. TR7 служит для гальванической развязки колебательного контура L1, C15 от полумостовой схемы. TR8 является токовым датчиком, с выхода которого снимается сигнал той же фазы и частоты, что фаза и частота механической колебательной системы.

На микросхеме DD1 собран не только задающий генератор УЗ частоты, она так же является устройством фазовой подстройки частоты. Сравниваются фазы и частоты сигнала, снимаемого с выхода элемента DD3.2 (опорный сигнал), и сигнала, приходящего по обратной связи. Рассмотрим цепь обратной связи для фазовой автоподстройки частоты. Она состоит из токового трансформатора TR8, сигнал с которого подается на резистор R53, цепочки C19, R66, по которой сигнал подается на компаратор уровня, собранный на операционном усилителе DA3. С выхода этого компаратора снимается прямоугольный сигнал той же фазы и частоты, что и фаза и частота сигнала, снимаемого с токового трансформатора, то есть, на один из входов фазового компаратора С2 микросхемы DD1 приходят прямоугольные импульсы, несущие в себе информацию о фазе и частоте механической колебательной системы.

Рассмотрим, каким образом функционирует фазовая автоподстройка частоты. Резистором R74 определяется полоса удержания резонансной частоты колебательной системы, резистором R72 определяется полоса захвата резонансной частоты колебательной системы. При включении генератора может оказаться так, что частота задающего генератора и резонансная частота колебательной системы не совпадают. Вращением ручки резистора R72 перестраиваем частоту задающего генератора. В некоторый момент эти частоты совпадут, и начнется процесс уравнивания фаз возбуждающих сигналов и сигналов, приходящих по обратной связи. Результат сравнения фаз сигналов присутствует на выходе Q3 микросхемы DD1, с которого через фильтр R75, C27 подается на вход генератора, управляемого напряжением (ГУН) G1, микросхемы DD1. То есть генератор автоматически подстраивает частоту и фазу генератора в соответствии с результатами сравнения фазового компаратора.

Рассмотрим схему регулировки мощности и узел стабилизации амплитуды колебательного органа. Регулировка мощности осуществляется варьированием напряжения, которым питаются выходные каскады. Это напряжение снимается с конденсатора С7, зарядка которого ограничивается тиристорным устройством А4.

Тиристорный регулятор управляется потенциалом на базе транзистора VT8. В его базу включен делитель, одно плечо которого составляет резистор R12, а второе канал полевого транзистора VT7.

Регулировка и стабилизация мощности осуществляется следующим образом: параллельно пьезокерамическим элементам колебательной системы включен делитель напряжения R46, R47. С резистора R47 снимается пониженное напряжение, которое подается на развязывающий трансформатор TR9. С выхода трансформатора напряжение выпрямляется диодами VD35, VD36, оно затем подается на пиковый детектор VD37, C16. Таким образом, на конденсаторе С16 присутствует напряжение, которое пропорционально амплитуде напряжения на пьезоэлементах колебательной системы.

В качестве устройства, вырабатывающего управляющий сигнал для тиристорного регулятора, используется интегратор, собранный на элементах DA2, R48, R49, С17. Если напряжение на конденсаторе С16 и на среднем выводе переменного резистора R50 равны, то на выходе интегратора присутствует постоянный уровень, который через делитель R51, R52 подается на управляющий полевой транзистор VT7 тиристорного регулятора. Как только напряжение на конденсаторе С16 превысит или понизится относительно уровня, заданного резистором R50, напряжение на выходе интегратора начнет возрастать или понижаться, соответственно. То есть это приведет к перестройке питающего напряжения тиристорным регулятором.

Таким образом, происходит процесс стабилизации напряжения на пьезокерамике колебательной системы в соответствии с задатчиком уровня R50.
Схема стабилизации напряжения на пьезоэлементах колебательной системы выполняет не только функцию стабилизации амплитуды механических колебаний, но и одну из защитных функций. При выполнении энергоемких операций могут возникать моменты снятия нагрузки с колебательной системы. Это влечет резкое увеличение напряжения на пьезоэлементах, возрастание токов в выходных транзисторах, что может привести к механическому разрушению колебательной системы или выходу из строя выходных транзисторов. Например, известно, что самый энергоемкий процесс это работа на жидкость, а самый малоэнергоемкий – работа на воздух, то есть перенос колебательной системы из жидкости в воздух может привести к выходу УЗ генератора из строя по указанным выше причинам.То есть устройство стабилизации амплитуды вдобавок несет в себе функции ограничения мощности генератора при резкой смене рабочей среды.
Запуск и остановка генератора происходит с помощью кнопок «ПУСК» и «ВЫКЛЮЧЕНО» соответственно. При нажатии кнопки «ПУСК» происходит переключение триггера DD2.1 в состояние, когда на его прямом выходе появится низкий логический уровень, который через резистор R61 закроет транзистор VT20, то есть ключевые элементы DD3.1 и DD3.3 откроются для прохождения управляющих сигналов. Нажатие кнопки «ВЫКЛЮЧЕНО» возвращает триггер DD2.2 в исходное состояние, и УЗ генератор останавливается.

В данном УЗ генераторе предусмотрена защита от перегрузок по току и схема автоматического перезапуска генератора при срабатывании защиты.
Рассмотрим, как это происходит: используется сигнал, снимаемый с трансформатора TR8, который пропорционален амплитуде тока, протекающего через выходные транзисторные ключи VT14 и VT18. Он выпрямляется диодами VD38, VD39 и подается на пиковый детектор VD40, C20. Порог срабатывания транзистора VT19 выставляется резистором R82. Таким образом, при превышении определенного уровня по току в выходных транзисторах открывается транзистор VT19 и запускает мультивибратор, собранный на таймере DA3, который формирует положительный импульс, длительность которого задается элементами R56, C22. Этот импульс через резистор R60 открывает транзистор VT20, благодаря чему блокируется работа генератора (закрываются логические ключи DD3.1, DD3.3). По заднему фронту этого импульса логические ключи открываются и элементами DD4.1, DD4.2, DD4.3, R63, C24 формируется короткий запускающий генератор импульс. Этот импульс через диод VD44 заряжает конденсатор С27 до напряжения питания, который начинает разряжаться, то есть с разрядкой этого конденсатора происходит изменение потенциала на входе ГУНа, и идет процесс поиска резонанса.
Таким образом, работа данного генератора на колебательную систему, подстройка под уход ее параметров вследствие различных причин происходит в автоматическом режиме.