张晓军，王春芳

（青岛大学 自动化工程学院，山东青岛266071）

随着超声波技术的发展，超声设备得到了极大的普及，如超声波清洗机、超声波加湿器、超声波治疗仪及超声波雾化仪等得到了广泛的应用。超声波加湿器可将水雾化并产生许多负氧离子，这样既可以维持室内空气湿度、降低感冒病毒的成活率，又可以治疗和缓解流感、高血压、气管炎等疾病。本文主要介绍了一款超声波加湿器的原理及其工作过程。

1 加湿器的电路原理

图1为超声波加湿器的应用电路。该电路由电源电路、控制电路、振荡电路、风扇及超声波换能器等组成。电源电路的输入为220 V交流电，经变压器变压后输出38 V和12 V交流电，再通过整流桥D4-D7、D8～D11和电容C2、C8滤波为控制电路和风扇提供直流电输入。

控制电路主要由水量检测开关K1、雾量控制电位器W1、三极管N5401、发光二极管D3等构成。水量检测开关是利用干簧管配合漂浮磁环来检测水位，当水位正常时发光二极管D3呈现绿色，表示加湿器正常工作；当水位过低时，发光二极管D3变红，表示加湿器缺水；雾量电位器W1用来调节功率振荡管Q1的基极电流，来控制功率开关管Q1的功率，从而控制加湿器的出雾量。

图1所示风扇电路由电源提供12 V的直流输入，当水量检测电路开关闭合时，电压就会加在三极管N5551的基极，使得N5551导通，风机便开始工作，将振荡电路产生的水雾吹散出去达到润湿空气的目的。

由Q1、C4、C7构成的三点式振荡电路如图2所示。图2中D1为保护二极管，作用是保护Q1不被烧毁；L1为高频扼流线圈，作用是阻止超声波信号进入控制电路；C1为滤波电容；L2为补偿电感，作用是稳定电路的振荡幅度。T1为换能器，其工作频率阻抗曲线如图3所示。

当T1发生串联谐振，它的谐振频率为W0；当T1发生并联谐振时，它的谐振频率为W1。当工作频率＜W0时，换能器呈容性；当工作频率在W0与W1之间时，晶体呈感性；当工作频率＞W1时，换能器又呈容性。T1工作在串联谐振状态下其频率为fs

当T1工作在并联谐振状态下其频率为fp

式中，Lq为换能器内部动态电感；Cq为换能器内部动态电容；C0为换能器静态电容。

换能器T1从开始振荡到振荡稳定的过程包括起振、增幅振荡和振荡稳定三个工作过程。在起振过程时，换能器在电场的作用下形成机械振动使得它的两个表面产生交变电荷，然后电路出现交流电，当换能器的固有谐振频率和电路中加在T1两端交流电的频率相同时，换能器就发生谐振。由于电路起振时流经三极管Q1基极的电流很小，经过三极管Q1放大输出电流逐渐增大，此后放大倍数逐渐减小达到平衡。换能器谐振之后发生振荡，可将水雾化成直径≤5μm的超微粒，同时产生大量的负离子，然后通过风机将水雾吹出去达到润湿空气的效果。

图1 加湿器的电路图

图2 电容三点式振荡电路

图3 换能器的频率阻抗曲线

2 加湿器的实验波形

图4为超声波换能器的工作波形，图4（a）为换能器稳定工作的波形，图4（b）为截取换能器一小段时间内的波形。从图中可看出换能器达到稳态时，振幅随时间呈周期性变化，其振荡频率为1.71 MHz，其振幅变换周期约为40μs。

图4 超声波换能器的工作波形

［1］ 杨 旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］ 王兆安.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［3］ 张 立.现代电力电子技术基础［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［4］ Karim M.Hussein and Emad Hegazi，An All-Analog Method to Enhance Amplitude Stability in Pierce Crystal［C］.IEEE Transaction on Circuits and Systems.I：REGULAR PAPERS，2012.