Biến tử siêu âm ( Ultrasound Transducer ) đƣợc sử phát ra nguồn sóng siêu âm dựa công suất lớn dựa trên hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) hoặc hiệu ứng áp điện (Piezoelectric).
Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ giảo : Hiệu ứng từ giảo là hiện tƣợng dao động cơ học của vật liệu sắt từ gồm có : sắt, nikel, cobal và một vài hợp kim có 3 thành phần đó sẽ tạo ra sóng siêu âm khi cƣờng độ từ trƣờng đi qua nó thay đổi. Hiệu ứng từ giảo đƣợc phát hiện lần đầu tiên vào những năm 1930 và sớm đƣợc khai thác vào kỹ thuật siêu âm vào những thập kỉ tiếp theo. Khi cho dòng điên xoay chiều và tầm vật liệu sắt từ hoặc có tính từ hóa thì tấm vật liệu này bị co giãn về kích thƣớc tạo ra các sóng đứng trên bề mặt vật liệu từ theo tần số mà từ trƣờng đi qua.[10].
Nhƣ vậy ta đã biết quá trình hình thành sóng siêu âm từ hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) là quá trình biến đổi năng lƣợng điện sang từ trƣờng rồi từ từ
27 trƣờng biến đổi sang năng lƣợng sóng cơ học. Quá trình biến đổi trên làm thất thoạt năng lƣợng do các cảm biến từ giảo hoạt động với hiệu suất thấp và khi hoạt động với tần số càng cao thì suy hao năng lƣợng càng lớn. Tuy nhiên các vật liệu sắt từ hoặc có tính từ lại có ƣu điểm đặc tính cơ học cao tạo ra đƣợc công suất lớn và chịu đƣợc điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt. Để khắc phục những khuyết điểm trên các nhà khoa học đã phát triển Langevin Transducer sử dụng hiệu ứng áp điện (Piezoelectric) với hiệu suất cao hơn.
Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng từ giảo[11]
Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện: Vào những năm 1940 các nhà khoa học đã chế tạo cảm biến Piezoelectric có công suất lớn, độ bền cao về mặt cơ học và đặc biệt rất ổn định về mặt tần số.
Một số vật liệu tinh thể có hiện tƣợng sau: khi tinh thể bị giãn cơ học, hoặc khi tinh thể bị biến dạng do lực tác bên ngoài, điện tích xuất hiện trên một số bề mặt tinh thể; và khi của biến đổi hƣớng ngƣợc lại , cực của điện tích đƣợc đảo ngƣợc. Đây đƣợc gọi là hiệu ứng áp điện thuận, và các tinh thể có hiện tƣợng đó đƣợc xếp vào loại tinh thể áp điện.[11]
28
Hình 3.3 Hiệu ứng thuận của tinh thể áp điện [12]
Ngƣợc lại khi tinh thể áp điện đƣợc đặt trong điện trƣờng hoặc khi cung cấp vào bề mặt của nó, tinh thể có tính áp điện sẽ biến dạng,ví dụ : thay đổi về kích thƣớc. Đây gọi là hiệu ứng áp điện ngƣợc.
Hình 3.4 Hiệu ứng ngƣợc của tinh thể áp điện [12]
Ngày này đa số các biến từ siêu âm đều sử dụng các tinh thể áp điện để tạo sóng siêu âm. Và trong luận văn này biến tử siêu âm em làm cũng sử dụng tinh thể áp điện.
3.1.2 Cấu tạo biến tử siêu âm
Cấu tạo của biến tử siêu gồm 2 phần chính : lõi cảm biên áp điện và phần kim loại cộng hƣởng tần số, phần kim loại thƣờng đƣợc làm bằng các vật liệu có tính từ giảo(dƣới tác dụng của điện trƣờng hoặc từ trƣờng chúng thay đổi kích thƣớc) ví dụ nhƣ : sắt, nikel,cobal và các hợp kim của chúng. Phần quan trọng nhất mà chúng ta cần lƣu ý là lõi cảm biến áp điện hay Piezoelectric (PZT). PZT đƣợc cấu tạo từ 3 thành phần kim loại hóa học chính là chì Pb, zorconi, titan. Dƣới tác dụng của điện tích đặt trên 2 điện cực của cảm biến lớp gốm và kim loại
29 sẽ chịu một lực xoắn lớn, lực chủ yếu xuất hiện trên bề mặt và tạo ra những dao động sóng đứng.
Hình 3.5 Hình ảnh cảm biến áp điện thông thƣờng
Nếu ta gắn chắt cảm biến vào một tấm thép thì tấm thép sẽ dao động tạo ra một sóng cơ có công suất lớn truyền theo phƣơng vuông góc với trục của transducer. Muốn sóng cơ truyền tới bể rửa đạt hiệu quả cao ta phải gắn chặt nó với đáy bể hoặc có thể nhúng trực tiếp phần lõi sắt vào bể rửa để đạt hiệu quả cao nhất.
Các thông số chính của biến tử siêu âm đƣợc sử dụng: Để chế tạo và thiết kế đƣợc máy rửa siêu âm cần hiểu rõ những thông số cơ bản của biến tử siêu âm. Nhƣ chúng ta biết, khi cảm biến PZT đƣợc đặt một điện áp vào thi kích thƣớc của cảm biến sẽ bị biến dạng và ngƣợc lại khi cảm biến bị biến dạng sẽ sinh ra một điện áp. Sau đây là bảng mô tả thông số của nhà sản xuất.
30
Bảng 3-1 Thông số cơ bản của biến tử siêu âm
Loại SKU392264 Tần số 40KHz ± 1KHz Công suất 60W Dung kháng 3800pF Chiều rộng bề mặt 45mm Điện trở cộng hƣởng 10 – 25 Ohm Kích thƣớc vòng đệm 38*15*5 Chiều dài 48mm
Nguồn cung cấp Input: 100V~130V or 220V~240V AC
Vật liệu Thép không gỉ
Cân nặng 350g/pcs
Kết cấu và độ dày của biến tử siêu âm đã đƣợc nhà sản xuất tính toán hợp lý để biến tử siêu âm phát huy tốt nhất hiệu quả khi làm việc.
31
Hình 3.7 Hình ảnh thực tế của biến tử siêu âm (Ultrasonic cleaner transducer)
Để phục vụ cho việc thiết kế máy rửa siêu âm, chung ta cần đo tần số cộng hƣởng , trở kháng của biến tử siêu âm. Để đo đƣợc trở kháng và tần số cộng hƣởng của biến tử siêu âm, em dùng thiết bị NI ELVIS II. Là thiết bị dùng để thiết kế và thiết lập mạch thực hành cho mạch điện, điều khiển, dụng cụ điện, thông tin liên lạc và các bài thí nghiệm điện điện tử. Giao diện với máy tính bằng cổng USB. Tích hợp các thiết bị ảo: Oscilloscope, Đồng hồ đa năng kỹ thuật số (Digital Multimeter – DMM), máy phát xung (Function Generator), bộ nguồn cung cấp (Variable Power Supply), thiết bị phân tích Bode (Bode Analyzer), máy phát sóng ngẫu (Arbitrary Waveform Generator), Bộ phân tích tín hiệu động (Dynamic Signal Analyzer – DSA), bộ phân tích Dòng/Áp với mã nguồn của LabVIEW. Môi trƣờng phần mềm LabVIEW. Tích hợp phần mềm Multisim và MultiMCU. Lựa chọn sử dụng thiết bị ảo dễ dàng bằng cách chọn và kích chuột.
32
Hình 3.8 Thiết bị NI ELVIS II
Ta có một biến tử siêu âm tƣơng đƣơng với một mạch LC cộng hƣởng. Với hai cực điện ở 2 bên áp điện tạo thành một tụ điện và khối thép không gỉ cộng hƣởng hoạt động giống nhƣ một điện cảm.
Hình 3.9 (a)Một transducer, (b) mạch tƣơng đƣơng trong transducer, (c,d)mạch tƣơng đƣơng khi cộng hƣởng song song [17][18]
Hình 3.8b miêu tả trong transducer gồm có điện dung tĩnh, điện dung động, độ tự cảm động và điện trở động, đƣợc định nghĩa bằng C0, C ,L , R. Khi mạch cộng hƣởng song song, mạch sẽ tƣơng đƣơng hình 3.8c. Để đơn giản ta chuyển thành sơ đồ tƣơng đƣơng hình 3.8d.
Nhƣ sơ đồ tƣơng đƣơng hình 3.8 thì ta sẽ có trở kháng của transducer đƣợc tính nhƣ sau [17]:
33 Từ phƣơng trình (2) Zp = R’ – jX ; R’ = , C0 = C0’ ; (3)
(3) Transducer là tải có tinh dung kháng
Khảo sát bằng thiết bị NI ELVIS II ta đo đƣợc trở kháng tại tần số cộng hƣởng f =39,6khz ; Z =15,88Ώ . Theo thông số nhà sản xuất điện trở cộng hƣởng R’ = 10 – 20 Ώ
Ta giả sử R’ =10 Ώ X = 12,33 Ώ C C0 = 0.32µF (4) (4) Điện trở động R = 15,46 Ώ tại tần số cộng hƣởng f =39,6 Khz.
Hình 3.10 Sơ đồ thiết lập phép đo trở kháng[15]
Để thực hiện khảo sát trở kháng và tần số cộng hƣởng, ta thiết lập sơ đồ mạch đo nhƣ hình 3.10. Ta thiết lập nguồn phát tín hiệu tử máy phát xung
34 (Function Generator) từ phần mềm NI ELVIS II để thiết lập tần số phát, biện độ sóng phát. Kết nối các kênh đo CH1 và CH2 với thiết bị nhƣ sơ đồ. Để tính trở kháng ta tính theo công thức sau:
Z =
35
Hình 3.12 Biểu đồ sự thay đổi trở kháng theo tần số của transducer
Qua biểu đồ hình 3.12 ta có thể thấy khi chƣa gắn vào bể trở kháng theo tần số của biến thiên và đạt giá trị cộng hƣởng tài f =39,6khz với giá trị Z = 15.88 Ώ. Khi đƣợc gắn vào bể nƣớc 200ml thì trở kháng của hệ transducer và bể nƣớc đã ổn định và giá trị nhỏ nhất Z’ = 64,68 Ώ cũng tại tần số f = 39,6Khz. Nhƣ vậy
36 chúng ta đã khảo sát tìm hiều về nguyên lí làm việc, khảo sát trở kháng, tìm tần số cộng hƣởng ứng với điểm làm việc của biến tử siêu âm. Trong chƣơng tiếp theo chúng ta sẽ đến phần thiết kế mạch phát cao tần cung cấp điện áp cho biến tử siêu âm làm việc.
3.2 Bể rửa
Bể rửa siêu âm có nhiệm vụ trong máy rửa siêu âm là nới chứa dung dịch tẩy rửa và các chi tiết cần tẩy rửa. Bể rửa siêu âm đƣợc thiết kế sao cho phù hợp với công suất làm việc của máy phát tần số. Biến tử siêu đƣợc gắn vào đáy, hông hoặc đƣơc đặt trong bể rửa siêu âm tùy theo mục đích sử dụng. Đối với bản thiết kế máy rửa siêu âm này, em chọn phƣơng án gắn biến tử siêu âm nằm dƣới đáy bể. Sóng siêu đƣợc tạo ra từ transducer sẽ đƣợc lan truyền qua lõi thép không gỉ đến đát bể inox và truyền dao động tới dung dịch trong bề. Bể rửa siêu âm đƣợc sử dụng có thể tích 2 lít và đƣợc làm bằng chất liệu inox.
37
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH PHÁT CAO TẦN
Hiện nay trên thế giới ngƣời ta đã chế tạo ra rất nhiều loại máy phát siêu âm ứng dụng trong các lĩnh vực y tế, radar, hàn vật liệu …. Máy phát siêu âm là một mạch điện tử công suất cung cấp năng lƣợng hoạt động ở tần số điện ứng với tần số của song siêu âm. Các mạch này có thể cho ra tần số điện với tần số từ 20khz trở lên ứng với tần số siêu âm và công suất đạt đƣợc có thể đạt từ vài Watts cho tới vài Kwatts tùy theo mục đích sử dụng. Máy phát siêu âm bao gồm 3 thành phần chính : mạch tạo tín hiệu dao động, mạch điều khiển MOSFET và mạch khuếch đại công suất nhằm kích hoạt đầu dò siêu âm. Sau đây là sơ đồ khối của phần mạch điện tử :
Hình 4.1 Sơ đồ khối phần mạch điện tử
4.1 Thiết kế mạch tạo xung PWM.
Mạch tạo tín hiệu cung cấp tín hiệu xung hoạt động ở tần số siêu âm cho mạch công suất. Ở chế độ dạng xung cảm biến siêu âm sẽ hoạt động ở chế độ đóng ngắt theo một thời gian nhất định (Ton) có tần số thấp hơn tần số cộng hƣởng của riêng nó. Để tạo ra đƣợc tín hiệu có thể điều chỉnh tần số và độ rộng xung trong luận văn này em sử dụng IC SG3525 là IC tạo xung PWM với 2 đầu ra lệch pha nhau 180º đa năng và đƣợc phổ biến đƣợc sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất nhƣ ST Microelectronics, Fairchild Semiconductors, On Semconduct.
38
Hình 4.2 Sơ đồ chân IC SG3525A [6]
PWM đƣợc sử dụng trong điều khiển mạch công suất và mạch lái MOSFET, một số ví dụ phổ biến nhƣ điều khiển động cơ, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ biến tần DC-AC và bộ điều chỉnh đèn. SG3525 đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong bộ chuyển đổi DC-DC, biến tần, hệ thống UPS tại nhà, bộ biến tần năng lƣợng mặt trời, nguồn điện, sạc pin và nhiều ứng dụng khác. Hình 4.2 là mô tả chi tiết về IC SG3525.
39
Chân 1 (Inverting Input – đầu vào đảo), chân 2 (Non Inverting Input – đầu vào không đảo) là đầu vào của bộ khuếch đại sai số. Nó nhƣ một bộ so sánh kiểm soát việc tăng hoặc giảm chu kỳ xung tùy theo mức diện áp đầu vào ở chân đảo và không đảo.
Khi điện áp đầu vào đảo (chân 1) lớn hơn điện áp đầu vào không đảo (chân 2), chu kỳ xung sẽ giảm
Ngƣợc lại khi đầu vào điện áp không đảo (chân2) lớn hơn đàu vào đảo (chân 1), chu kỳ xung sẽ tăng.
Chân 3 (Sycn): dùng để kết hợp với các bộ ổn áp xung khác để hoạt động đồng bộ.
Chân 4 (OSC ouput): Xuất ra tín hiệu tần số dao động
Chân 5 (CT): Tụ điều chỉnh tần số dao động
Chân 6 (RT): Điện trở điều chỉnh tần số dao dộng
Chân 7 (Discharge ): RD điều chỉnh thời gian deadtime
Chân 8 (Soft-start ): Chân này có chức năng khởi động mềm
Chân 9 ( COMP): là chần bù, hiệu chỉnh, nó đƣợc kết hợp với chân 1 để cung cấp sự hiệu chỉnh.
Chân 10 (Shutdown): Khi ở mức thấp PWM đƣợc bật. Khi chốt này cao, chốt PWM đƣợc đặt ngay lập tức. Điều này cung cấp tín hiệu tắt nhanh nhất cho đầu ra. Đồng thời, tụ điện khởi động mềm đƣợc xả với nguồn dòng 150 µA.
Chân 11 và chân 14 là đầu ra của các xung PWM, 2 chân này có xung lệch pha 180º.
Chân 12 (Ground): Chân kết nối với ground của mạch nguồn.
Chân 13 là VC - điện áp cung cấp cho giai đoạn trình điều khiển SG3525. Nó đƣợc kết nối với các collector của các bóng bán dẫn NPN trong giai đoạn cực đại đầu ra.
Chân 15 là VCC - điện áp cung cấp cho SG3525 làm cho nó chạy.
Chân 16 là đầu ra từ phần tham chiếu điện áp. SG3525 chứa mô-đun tham chiếu điện áp bên trong đƣợc đánh giá ở mức + 5.1V đƣợc cắt để cung cấp độ chính xác ± 1%.
Tần số của PWM phụ thuộc vào sự điều chỉnh tụ và điện trở. Tụ điều chỉnh kết nối giữa chân 5 và ground. Điện trở điều chỉnh kết nối giữa chân 6 và
40 ground Điện trở nằm giữa chân 5 và chân 7 (RD)xác định thời gian deadtime ( và cũng có ảnh hƣởng đến tần số ).
f =
RT và RD đơn vị là Ώ , CT là Fara , f là Hezt.
Có một flip-flop nằm trƣớc tầng điều khiển, do đó tín hiệu đầu ra sẽ có tần số bằng một nửa tần số dao động tính bằng cách sử dụng công thức trên. Ví dụ nếu cần tần số 5khz để điều khiển FET thì tần số lái FET là 5khz thì tần số dao động là 10khz.
Sau đây là một số thông số quan trọng của nhà sản xuất đƣa ra mà chúng ta cần chú ý. [6]
Bảng 4-1 Các chỉ số tối đa mà IC SG3525A có thể cung cấp
Ký hiệu Tham số Giá trị Ghi chú
VI Điện áp cung cấp <=40V VC Điện áp cung cấp chân collector <=40V Io Dòng đầu ra 500mA Ton Độ rộn xung 0%<Ton<=49%
Bảng 4-2 Các giá trị điều kiện hoạt động mà nhà sản xuất đƣa ra
Tham số Giá trị
Điện áp đầu vào 8 – 35V
Điện áp cung cấp Collector (Vc) 4.5 – 35V Phạm vi tần số dao động 100Hz – 400KHz
RT 2KΏ – 150KΏ
CT 0.001µF – 0.1µF
41
Hình 4.4 Sơ đồ mạch tạo PWM sử dụng IC SG3525
Trong sơ đồ hình 4.4 chức năng vai trò của cac linh kiện nhƣ sau:
RT, CT, RV1 có chức năng xác lập tần số xung dao động R1, C16, C15 mạch lọc nguồn cho chân 15 (VCC), R2, C1, C2 mạch lọc nguồn cho chân 13 (VC).
RD : tạo thời gian deadtime ban đầu, xác lập tần số dao động RV2, R3 có chức năng điều chỉnh độ rộng xung đầu ra. Tần số dao động mạch tạo ra có băng thông từ 22khz – 95khz, Có thể điều chỉnh đƣợc tần số thông quá biến trở RV1.
42
Hình 4.5 Dạng tín hiệu PWM ở đầu ra của IC SG3525 4.2 Thiết kế mạch điểu khiển MOSFET mạch công suất.
Xung tín hiệu đƣợc tạo sẽ đƣợc truyền đến mạch điều khiển FET sử dụng IC IR2110 dùng để điều khiển hoạt động của 2 MOSFET trong mạch công suất sử dụng mạch cầu H. Ta dùng 2 tín hiệu PWM A, B ở mạch tạo xung để điều khiển, PWM HIN, LIN là 2 xung đảo ngƣợc nhau. Tín hiệu ra ở chân HO dùng cho việc lái những con FET nằm trên điện áp lơ lửng có thể lên hàng trăm Volts,