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超声换能器驱动电路及回液接收电路的设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

合,将实际负载RL',变换成所期望的值只RL,以实现阻抗匹配。如图3所示,AB和BQ分别代表了ID和(VDD-VDSS),因此△ABQ的面积就代表了工作在乙类的互补对称电路输出功率的大小。△ABQ的面积愈大,就表明输出功率Po也愈大。IDm为流过功率管的最大电流,对应于图中负载线AQ,其功率三角形面积最大,非线性失真不明显。所以,最大功率的负载电阻应当是RL=(VDD-VDSS)/IDm。
  
  场效应管IRFl20采用电压驱动方式,与负载电流和安全工作区域无关,电路设计较为简单;对于开关速度来说,它同双极型器件相比可大幅度提高开关速度,温度影响也小;而且它仅受管子功耗的限制,无二次击穿的影响,因而在此代替功率晶体管作功率放大器件。
  
  2.2变压器的设计
  
  脉冲变压器是超声换能器驱动电路中最重要的器件,它的用途是升高脉冲电压信号,并使功率放大器的输出阻抗与换能器的负载阻抗匹配。一般脉冲变压器以变压器的功率、原副边电压信号的幅值确定变压器的尺寸和变比[3];而超声换能器驱动用变压器则主要以功率和原副边电感及阻抗匹配确定变压器的尺寸和变比。
  
  2.2.1变压器工作频率及输入电压脉宽的确定
  
  脉冲变压器的工作频率取决于超声换能器的工作频率。在此选用fr=30kHz的换能器,其所对应的谐振电路等效阻抗RL'=450Ω。则半个周期内的电压脉宽为:
  
  Ton=(DT/2)(D/2fr)(2)
  
  其中,T为脉冲变压器的工作周期。D是设计电路时的一个重要参数,它对主开关元件、输出变压器和变换器效率等都有很大的影响。在此选D=0.9,则有Ton=15μs。
  
  2.2.2变压器变比的确定及功率负荷的计算
  
  由前面推导可知RL=(VDD-VDSS)/IDm时功放效率最大,取VDD=12V,考虑到车辆使用的蓄电池所能提供的最大电流有限,取IDm=5A,由功率管工作特性曲线可以查出VDSS=2V,得出RL=(12-2)/5=2Ω,所以变压器变比为:
  
  
  
  变压器的功率负荷为:
  
  
  
  式中,Pout为换能器的工作功率;η为变压器的效率,可取η=0.95;VAm为等效负载RL上的电压幅度。将已知值代入(4)式得Pout≈24W。
  
  2.2.3变压器铁心的选择
  
  铁心是脉冲变压器的重要组成部分。脉冲变压器的体积、质量等主要指标都由铁心来确定。常用的铁心材料有电工钢、软磁合金、软磁铁氧体、非晶态合金等。其中铁氧体铁心工艺性好,价格便宜,而且电阻率很高,确保在窄脉冲情况下能得到高的有效脉冲磁导率,要比冷轧电工钢高十倍以上。对于推挽式电路,铁心尺寸的选择可参考下式:
  
  
  
  式中,S为磁芯的有效截面积;Q为铁心的窗口截面积,只有各绕组截面积之和小于铁心的窗口面积,才能使铁心窗口绕得下全部绕组;Bm为铁心最大工作磁通密度,在此选取材料为3E25的铁心,由该材料的B-H特性曲线查出Bm=250mT;KT为铁心的填充系数,对于铁氧体铁心来讲,KT=1;Ku为铁心窗口的利用系数,与绕组导线直径及绕制工艺水平有关,一般取0.1~0.5;J为导线允许的电流密度,一般取为3~5A/mm2。
  
  将已知数值代入式(5),计算得SQ=1403.5mm2。根据参考文献[4],可选取Philips公司生产的E25/10/6型号的铁心,其有效面积S=38.4mm2。
  
  2.2.4变压器初、次级绕组匝数的计算
  
  变压器初级绕组的匝数N1由下式确定:
  
  N1=(VDD×Ton)/(2Bm×S)(6)
  
  
  
  
  将已知量代入,得N1=10。于是,由变压器的变比N可求出变压器次级绕组的匝数,即:
  
  N2=N1×N=10×15=150。
  
  各绕组导线的直径可由下式计算:
  
  
  
  式中,Ii为流经绕组电流的有效值。最后校验变压器是否能绕下所要求的线圈匝数。
  
  脉冲变压器的很多参数是相互影响的,所以在制作变压器时,要反复调试,以达到最佳的阻抗匹配和高的效率。变压器的输出(即超声换能器上所加的电压幅值)影响着系统的测距范围及精度,本系统中使用的变压器副边空载电压可达300V。
  
  3接收电路的设计

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