超聲波發生器是一種將標準 50Hz 或 60Hz 輸入電壓轉換為適用于驅動超聲波換能器的高頻輸出電壓的電氣設備。調整輸出電壓的幅度和

超聲波發生器是一種將標準 50Hz 或 60Hz 輸入電壓轉換為適用于驅動超聲波換能器的高頻輸出電壓的電氣設備。調整輸出電壓的幅度和波形以滿足超聲波的要求。

電源復雜性

應用的瞬時功率特性分為四類（通常取決于負載類型），這在一定程度上決定了電源所需的復雜程度

• 恒功率。在負載循環期間，功率是恒定的。當負載相對恒定時會發生這種情況，例如霧化或氣蝕。
• 可變但可預測的力量。功率在整個負載周期內以可預測的方式變化——即，從一個負載周期到下一個負載周期的功率變化是相同的。超聲波插入就是一個例子。
• 可變但半可預測的功率。功率在整個負載周期中變化，但以半可預測的方式變化——即，總體功率趨勢是相同的，但部件之間可能存在一些差異。例如，一些金屬焊接部件可能具有較厚的氧化層或鍍層，需要更多時間來擦洗。同樣，一些塑料焊接零件可能有更多的脫模劑。
• 不可預知的力量。可以在大范圍內預測功率，但無法預測瞬時功率。一個例子是超聲骨切割，其中骨的成分隨切割深度而變化，并且外科醫生的應用不同（例如，施加的力的變化、刀片的扭曲或彎曲、潤滑量等）。

共振型

必須指定電源以串聯或并聯諧振方式運行。（在某些情況下，可以指定中頻。）這些諧振中的每一個都可能具有某些優點，但兩者都在實踐中廣泛使用。無論選擇哪種，換能器必須兼容（即，為串聯諧振而設計的換能器在并聯諧振時不能正常工作，反之亦然）。

主要要求

在某些情況下，寬帶功率放大器可能適用于驅動超聲波堆棧。但是，大多數專用超聲波電源都具有某些可以提高性能的專用電路/軟件。

自動調節

鎖定初級共振

所有超聲波系統都有一個初級共振（所需的工作共振）。此外，還會有二次（雜散）共振。當電源啟動時，它必須鎖定初級諧振而忽略次級諧振。

追蹤初級共振

在超聲操作期間，初級共振的頻率可能會發生偏移。

• 隨著電池堆溫度升高（由于內部損耗或從負載傳遞的熱量），頻率可能會漂移得更低。
• 由于陶瓷的非線性，在大功率下頻率可能會下降。
• 由于對負載的反應，頻率可能會發生偏移。這種轉變可以是積極的，也可以是消極的。例如，圖1顯示了在超聲波金屬焊接期間大約200Hz的頻率下降 。

不管是什么原因，發生器都必須能夠自動跟隨這個頻率偏移。否則，頻率的微小變化將導致堆棧輸出幅度的顯著崩潰。這是因為超聲波堆棧通常具有非常窄的帶寬。例如，對于圖2所示的 20kHz 換能器，根據驅動源突然斷開時的幅度衰減測量結果確定了約 40 Hz 的開路帶寬（即 Q 為約 500）。在這種情況下，共振頻率偏移僅 20 Hz 將使換能器的幅度降低 30%，可用功率輸出降低 50%（假設電輸入恒定）。

當添加額外的堆棧組件（變幅桿 + 工具頭）時，情況會變得更糟（Q 增加而帶寬減少）。然后頻率跟蹤變得更加關鍵。但是請注意，在負載下，隨著能量傳遞到負載，Q 可能會顯著降低（即帶寬增加）。

頻率跟蹤通常由鎖相環 (PLL) 處理，其中電流和電壓之間的相位角保持在恒定值。理想情況下，電流和電壓將完全同相，以使負載看起來完全是電阻性的（即，沒有無功分量）。然而，在實踐中，這在高 Q（窄帶寬）系統中可能是不可能的，因為頻率的微小變化會導致相位的大變化。在這樣的系統中，PLL 可能難以保持相位。在這種情況下，稍微異相的操作可以使 PLL 具有更好的性能。

自動調整幅度

大多數應用可以通過控制輸出幅度而不是功率來得到最好的控制。原因是功率是力和速度的乘積（其中速度與輸出幅度有關）。因此，給定的功率可以通過低速的高力或高速的低力或介于兩者之間的力來實現。盡管所有這些條件都可以產生相同的功率，但應用程序可能僅對其中一個做出最佳響應。因此，幅度應被視為獨立（輸入受控）變量，而功率通常應被視為因（輸出結果）變量。

當堆棧在空氣中運行（即空載）時，它將具有給定的輸出幅度。這是規范。然而，在負載下，振幅趨于崩潰。在更高的負載下，振幅崩潰會更大。這類似于以固定油門位置行駛的汽車，汽車的速度在山坡上會降低——山坡越陡，速度降低的幅度越大。

發生器需要某種方法來監控堆棧幅度，然后根據需要調整幅度。這類似于汽車中的巡航控制，無論坡度如何，速度都保持恒定。

調諧電感

超聲波系統的一個特點是即使負載是純電阻性的，頻率也會在負載下發生偏移。隨著負載的增加，串聯和并聯諧振會相互靠近。在臨界負載下，這兩個共振收斂。在臨界負載之上，系統不再共振。

為了克服這種情況，必須添加一個調諧電感器。為了在串聯諧振下工作，調諧電感器與陶瓷并聯（即跨陶瓷引線）。對于并聯諧振操作，調諧電感器與陶瓷串聯添加（即與一組陶瓷引線串聯）。該電感器的阻抗應等于所有陶瓷的組合容抗。

次要要求

許多專用超聲波電源具有保護系統的電路/軟件。這可以包括防止接地故障、功率過載、過電壓、過電流、過高的陶瓷溫度和頻率跳躍（從初級諧振到附近的次級諧振的跳躍）。

電路/軟件也可用于監測或控制超聲過程。例如，焊接鋰離子電池時各種表面污染水平的功率。通過監測能量，可以確定焊縫的質量，并且可以拒絕有缺陷的焊縫。此外，可以控制能量輸入以確保更一致的焊接，而不管諸如表面污染或其他不受控制的變量等因素如何。這個過程被稱為“能量控制編程”或ECP。對于鋰離子電池，Lee 將此最小能量設置為 800 焦耳。

lee將相對較薄的試樣焊接在一起（0.4 毫米焊接到 1.0 毫米和 0.2 毫米焊接到 1.0 毫米）。對于具有顯著橫向尺寸的較厚材料，監測或控制金屬焊接過程的能力更加困難。他說：“因此，我們發現僅了解 金屬焊接系統的電氣輸入參數并不能消除焊接質量可變性和工具粘連等關鍵問題。 ” 然而，塑料焊接系統可能更適合這種監測/控制。