一种便携式超音频感应加热装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种便携式超音频感应加热装置及方法，包括电源、开关控制电路、驱动电路，开关控制电路包括晶体管Q11、晶体管Q8、晶体管Q5、可控硅Q9；驱动电路包括芯片U1、晶体管Q7、晶体管Q4、晶体管Q6、晶体管Q3、晶体管Q2、晶体管Q1、二极管D5、二极管D6、二极管D8、二极管D7、变压器T1；本装置电路简单，电子元器件少，开通和关断迅速，稳定可靠，散热器件轻，变压器T1磁芯利用率高，推挽工作时，两只对称的晶体管Q1、Q2每次只有一个导通，导通损耗小。工作时，电感L2内产生极性瞬间变化的强磁束，强磁束的电磁感应作用于被加热金属零件，产生涡电流，由于被加热金属零件内部存在着电阻，所以会产生焦耳热，使电能转换成为热能。
【专利说明】一种便携式超音频感应加热装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及加热装置，尤其涉及一种便携式超音频感应加热装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，超音频感应加热技术以高效，清洁，环保等众多优点而迅速在能源行业得到大力推广。它符合环保和可持续发展方针，是绿色环保型加热工艺之一。传统超音频感应加热装置主要应用与工业生产过程中，具有制造成本高，设备维护难等缺陷。
[0003]目前，国内生产的超音频感应加热装置，由于装置体积较大，大多都安装在固定的位置上，只能进行有限位置和角度的加热，而在不能应用于汽车维修，铁路养护，建筑施工和航空航天之中，而且电路复杂、效率低等缺陷，限制了装备的实用价值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种操作方便、结构简单、效率高的便携式超音频感应加热装置及方法。
[0005]本发明通过下述技术方案实现:
[0006]一种便携式超音频感应加热装置，包括电源、开关控制电路、驱动电路，所述开关控制电路，包括晶体管Ql1、晶体管Q8、晶体管Q5、可控娃Q9 ；
[0007]所述晶体管Qll的发射极与晶体管Q8的集电极通过接点A连接，所述晶体管Q5的集电极通过电阻R22与晶体管Q8的基极连接，所述晶体管Q5的基极与A点连接，所述晶体管Q5的发射极通过电阻R21与A点连接，所述晶体管Qll的基极通过电阻R24与A点连接；所述晶体管Q8的发射极通过温度开关RT连接VCC端，VCC端通过电容C7和电容C13接地；
[0008]所述A点通过两个串联的稳压管D9、DlO接地；A点与地之间接有电容ClO ；
[0009]所述可控硅Q9的阴极连接晶体管Q5的发射极，可控硅Q9的控制极通过二极管D12连接晶体管Qll的集电极，可控硅Q9的阳极通过电阻R18连接晶体管Qll的基极，可控硅Q9的阴极与控制极之间并联电阻R20和电容Cll ；
[0010]所述可控硅Q9的阳极通过电阻R17接电源的正极。
[0011]所述驱动电路，包括芯片Ul、晶体管Q7、晶体管Q4、晶体管Q6、晶体管Q3、晶体管Q2、晶体管Ql、二极管D5、二极管D6、二极管D8、二极管D7、变压器Tl ；
[0012]所述晶体管Q7的基极通过电容C9连接晶体管Q4的集电极，晶体管Q7的基极通过电阻R8接地，晶体管Q7的发射极接地，晶体管Q4的集电极通过电阻R12接地，晶体管Q4的基极与发射极之间并联电阻R10，晶体管Q4的发射极接VCC端；晶体管Q4的基极通过电阻R14、电阻R16连接变压器Tl初级线圈的第I脚；二极管D8和二极管D7串联后负极接变压器Tl初级线圈的第I脚，正极接电阻R14与电阻R16之间的连接点；
[0013]所述晶体管Q2的栅极与漏极之间并联电阻R30，漏极接地，源极接变压器Tl初级线圈的第I脚，源极与漏极之间并联电容C30，栅极通过二极管D4的负极接芯片Ul的第5脚，二极管D4并联电阻R2;
[0014]所述芯片Ul的第4脚与第5脚并联电阻R4，第4脚接晶体管Q7的集电极，第7脚通过电容C5和电阻R5接晶体管Q7的集电极；芯片Ul的第3脚、第I脚、第8脚接地；
[0015]所述所述晶体管Q6的基极通过电容CS连接晶体管Q3的集电极，晶体管Q6的基极通过电阻R7接地，晶体管Q6的发射极接地，晶体管Q3的集电极通过电阻Rll接地，晶体管Q3的基极与发射极之间并联电阻R9，晶体管Q3的发射极接VCC端；晶体管Q3的基极通过电阻R13、电阻R15连接变压器Tl初级线圈的第3脚；二极管D5和二极管D6串联后负极接变压器Tl初级线圈的第3脚，正极接电阻R13与电阻R15之间的连接点；
[0016]所述晶体管Ql的栅极与漏极之间并联电阻R31，漏极接地，源极接变压器Tl初级线圈的第3脚，源极与漏极之间并联电容C31，栅极通过二极管D3的负极接芯片Ul的第7脚，二极管D3并联电阻Rl ；
[0017]所述芯片Ul的第2脚与第7脚并联电阻R3，第2脚接晶体管Q6的集电极，第5脚通过电容C6和电阻R6接晶体管Q6的集电极；
[0018]所述变压器Tl初级线圈的第2脚为中心抽头，接电源的正极；
[0019]所述变压器Tl次级线圈接电感L2。
[0020]所述变压器Tl初级线圈的第I脚与第2脚之间并联电容C3。
[0021]所述晶体管Qll的集电极依次通过电阻R11、开关SI连接可控硅Q9的的阳极。
[0022]芯片Ul采用通用芯片MC33151。
[0023]所述电感L2采用紫铜管绕制。
[0024]上述便携式超音频感应加热装置的控制方法，包括下述步骤:
[0025]按下开关SI，可控硅Q9的控制极电压高于阴极电压，阳极电压高于阴极电压，可控硅Q9开通；晶体管Q5的发射级电压高于基级电压，晶体管Q5开通，晶体管Q5的集电极为高电平；晶体管Q8的基级电压高于发射级电压，Q8开通，经过电阻R17、R18、R24、D9和DlO分压后的电压通过Q8给驱动电路供电，本装置开启工作；
[0026]松开SI，可控硅Q9的控制级电压低于阴极电压，这时可控硅阳极和阴极之间的电压差是正弦半波，阳极和阴极之间的电压差有零点，可控硅Q9关闭；晶体管Q5的发射级电压低于基级电压，晶体管Q5关闭，晶体管Q5的集电极为低电平；晶体管Q8的基级电压为低电平，晶体管Q8关闭，经过电阻R17、R18、R24分压后的电压不能通过晶体管Q8给驱动电路供电，本装置停止工作；
[0027]当开关SI按下时，芯片Ul的第6脚为高电平，Ul开始工作，5脚为高电平，7脚为低电平，晶体管Q2开通，晶体管Q4的基级为低电平，晶体管Q4开通，晶体管Q4集电极对电容C9充电，电阻R8两端的电压由高电平降为低电平，电容C5上的电荷通过Q7放出；与此同时，芯片Ul的第5脚高电平通过电阻R4、R5向电容C5充电，芯片Ul的第4脚的电压由低升高，同时第5脚高电平通过R6、R3向电容C6充电，第2脚的电压由高降低，第4脚的电压开始高于高态输入阀值电压，第2脚电压开始低于低态输入阀值电压，工作状态切换；
[0028]切换之后，芯片Ul第5脚输出为低电平，第7脚输出为高电平；晶体管Ql开通，晶体管Q3的基级为低电平，晶体管Q3开通，晶体管Q3集电极对电容C8充电，电阻R7两端的电压由高电平降为低电平，电容C6上的电荷通过晶体管Q6放出；与此同时，第7脚高电平通过电阻R3、R6向电容C6充电，第2脚的电压由低升高，同时第7脚高电平通过R5、R4向电容C5充电，第4脚的电压由高降低，第2脚的电压开始高于高态输入阀值电压，第4脚电压开始低于低态输入阀值电压，工作状态再次切换。
[0029]本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果:
[0030]本发明在超音频感应加热行业内率先采用了 MC33151的驱动电路。通过电路优化设计以及在线仿真与调试，本装置将所有超音频感应加热所需的驱动波形，由MC33151驱动电路来实现，通过本电路对超音频感应加热装置的控制，可以确保在超音频感应加热装置输出功率最大。本装置体积小，重量轻，操作人员可以手持本装置在复杂环境和特殊角度下，对螺母、螺栓、轴承、齿轮、销、拉杆套和轨道杆端等金属零件进行无接触无火焰加热，安全快速地去除连接件之间冻结和锈蚀的化合物。可应用于汽车制造，铁路养护，建筑施工和航空航天等领域。
[0031]本发明的开关控制电路、驱动电路，电路简单，电子元器件少，开通和关断迅速，稳定可靠，散热器件轻，变压器Tl磁芯利用率高，推挽工作时，两只对称的晶体管Ql、Q2每次只有一个导通，导通损耗小。
[0032]本发明加热装置工作时，超音频交变电流通过电感L2，在电感L2内产生极性瞬间变化的强磁束，强磁束的电磁感应作用于被加热金属零件，产生涡电流，由于被加热金属零件内部存在着电阻，所以会产生焦耳热，使电能转换成为热能。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明开关控制电路结构示意图。
[0034]图2为本发明驱动电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
[0036]实施例
[0037]如图1、2所示。本发明公开了一种便携式超音频感应加热装置，包括电源、开关控制电路、驱动电路；
[0038]所述开关控制电路，包括晶体管Q11、晶体管Q8、晶体管Q5、可控娃Q9 ；
[0039]所述晶体管Qll的发射极与晶体管Q8的集电极通过接点A连接，所述晶体管Q5的集电极通过电阻R22与晶体管Q8的基极连接，所述晶体管Q5的基极与A点连接，所述晶体管Q5的发射极通过电阻R21与A点连接，所述晶体管Qll的基极通过电阻R24与A点连接；所述晶体管Q8的发射极通过温度开关RT连接VCC端，VCC端通过电容C7和电容C13接地；
[0040]所述A点通过两个串联的稳压管D9、DlO接地；A点与地之间接有电容ClO ；
[0041]所述可控硅Q9的阴极连接晶体管Q5的发射极，可控硅Q9的控制极通过二极管D12连接晶体管Qll的集电极，可控硅Q9的阳极通过电阻R18连接晶体管Qll的基极，可控硅Q9的阴极与控制极之间并联电阻R20和电容Cll ；
[0042]所述可控硅Q9的阳极通过电阻R17接电源的正极。
[0043]所述驱动电路，包括芯片Ul、晶体管Q7、晶体管Q4、晶体管Q6、晶体管Q3、晶体管Q2 (场效应管)、晶体管Ql (场效应管)、二极管D5、二极管D6、二极管D8、二极管D7、变压器Tl ；
[0044]所述晶体管Q7的基极通过电容C9连接晶体管Q4的集电极，晶体管Q7的基极通过电阻R8接地，晶体管Q7的发射极接地，晶体管Q4的集电极通过电阻R12接地，晶体管Q4的基极与发射极之间并联电阻R10，晶体管Q4的发射极接VCC端；晶体管Q4的基极通过电阻R14、电阻R16连接变压器Tl初级线圈的第I脚；二极管D8和二极管D7串联后负极接变压器Tl初级线圈的第I脚，正极接电阻R14与电阻R16之间的连接点；
[0045]所述晶体管Q2(场效应管)的栅极与漏极之间并联电阻R30，漏极接地，源极接变压器Tl初级线圈的第I脚，源极与漏极之间并联电容C30，栅极通过二极管D4的负极接芯片Ul的第5脚，二极管D4并联电阻R2;
[0046]所述芯片Ul的第4脚与第5脚并联电阻R4，第4脚接晶体管Q7的集电极，第7脚通过电容C5和电阻R5接晶体管Q7的集电极；芯片Ul的第3脚、第I脚、第8脚接地；
[0047]所述所述晶体管Q6的基极通过电容CS连接晶体管Q3的集电极，晶体管Q6的基极通过电阻R7接地，晶体管Q6的发射极接地，晶体管Q3的集电极通过电阻Rll接地，晶体管Q3的基极与发射极之间并联电阻R9，晶体管Q3的发射极接VCC端；晶体管Q3的基极通过电阻R13、电阻R15连接变压器Tl初级线圈的第3脚；二极管D5和二极管D6串联后负极接变压器Tl初级线圈的第3脚，正极接电阻R13与电阻R15之间的连接点；
[0048]所述晶体管Ql (场效应管)的栅极与漏极之间并联电阻R31，漏极接地，源极接变压器Tl初级线圈的第3脚，源极与漏极之间并联电容C31，栅极通过二极管D3的负极接芯片Ul的第7脚，二极管D3并联电阻Rl ；
[0049]所述芯片Ul的第 2脚与第7脚并联电阻R3，第2脚接晶体管Q6的集电极，第5脚通过电容C6和电阻R6接晶体管Q6的集电极；
[0050]所述变压器Tl初级线圈的第2脚为中心抽头，接电源的正极；
[0051]所述变压器Tl次级线圈接电感L2。
[0052]所述变压器Tl初级线圈的第I脚与第2脚之间并联电容C3。
[0053]所述晶体管Qll的集电极依次通过电阻R11、开关SI连接可控硅Q9的的阳极。
[0054]芯片Ul采用通用芯片MC33151。
[0055]所述电感L2采用紫铜管绕制。
[0056]当本装置接通电源后，直流电经过驱动电路之后，变成超音频正负方波、超音频正弦波，再经过变压器Tl，变成超音频低压正弦波，流过电感L2(电磁线圈)，在电感L2内产生极性瞬间变化的强磁束，强磁束的电磁感应作用于被加热金属零件，产生涡电流，由于被加热金属零件内存在电阻，所以会产生焦耳热，使电能转换成为热能。
[0057]按下开关SI (自动复位按钮开关)，可控硅Q9的控制极电压高于阴极电压，阳极电压高于阴极电压，可控硅Q9开通。
[0058]晶体管Q5的发射级电压闻于基级电压，晶体管Q5开通，晶体管Q5的集电极为闻电平。晶体管Q8的基级电压高于发射级电压，08开通，经过电阻1?17、1?18、1?24、09和010分压后的电压通过Q8给后级驱动电路供电，本装置开启工作。
[0059]松开SI，可控硅Q9的控制级电压低于阴极电压，这时由于可控硅阳极和阴极之间的电压差是正弦半波，阳极和阴极之间的电压差有零点，可控硅Q9关闭。晶体管Q5的发射级电压低于基级电压，晶体管Q5关闭，晶体管Q5的集电极为低电平。晶体管Q8的基级电压为低电平，晶体管Q8关闭，经过电阻R17、R18、R24分压后的电压不能通过晶体管Q8给后级驱动电路供电，本装置停止工作。
[0060]电源的正极与负极之间并联有二极管D11，为瞬态抑制二极管，当二极管Dll的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以皮秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护主电路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。温度开关RT，当本装置温度过高时，能自动关断，保护电路中的精密元器件。
[0061]芯片Ul为高速双通道MOSFET驱动器MC33151，具有完全适用于驱动功率MOSFET的两个大电流输出通道，且具有低输入电流。
[0062]当开关SI按下时，芯片Ul的第6脚为高电平，Ul开始工作，5脚为高电平，7脚为低电平，晶体管Q2开通，晶体管Q4的基级为低电平，晶体管Q4开通，晶体管Q4集电极对电容C9充电，电阻R8两端的电压由高电平降为低电平，晶体管Q7的基级的高电平维持以一个很短时间Tl，晶体管Q7开通时间很短，电容C5上的电荷通过Q7放出。与此同时，芯片Ul的第5脚高电平通过电阻R4、R5向电容C5充电，芯片Ul的第4脚的电压由低升高，同时第5脚高电平通过R6、R3向电容C6充电，第2脚的电压由高降低，经过一段T2时间后，第4脚的电压开始高于高态(逻辑I)输入阀值电压，第2脚电压开始低于低态(逻辑O)输入阀值电压，工作状态切换。
[0063]切换之后，芯片Ul第5脚输出为低电平，第7脚输出为高电平。晶体管Ql开通，晶体管Q3的基级为低电平，晶体管Q3开通，晶体管Q3集电极对电容C8充电，电阻R7两端的电压由高电平降为低电平，晶体管Q6的基级的高电平维持以一个很短时间Tl，晶体管Q6开通时间很短，电容C6上的电荷通过晶体管Q6放出。与此同时，第7脚高电平通过电阻R3、R6向电容C6充电，第2脚的电压由低升高，同时第7脚高电平通过R5、R4向电容C5充电，第4脚的电压由高降低，经过一段T3时间后，第2脚的电压开始高于高态(逻辑I)输入阀值电压，第4脚电压开始低于低态(逻辑O)输入阀值电压，工作状态再次切换。T3即为半个工作周期。
[0064]如上所述，便可较好地实现本发明。
[0065]本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种便携式超音频感应加热装置，包括电源、开关控制电路、驱动电路，其特征在于: 所述开关控制电路，包括晶体管Ql1、晶体管Q8、晶体管Q5、可控娃Q9 ；所述晶体管Qll的发射极与晶体管Q8的集电极通过接点A连接，所述晶体管Q5的集电极通过电阻R22与晶体管Q8的基极连接，所述晶体管Q5的基极与A点连接，所述晶体管Q5的发射极通过电阻R21与A点连接，所述晶体管Qll的基极通过电阻R24与A点连接；所述晶体管Q8的发射极通过温度开关RT连接VCC端，VCC端通过电容C7和电容C13接地；所述A点通过两个串联的稳压管D9、D10接地；A点与地之间接有电容ClO ； 所述可控硅Q9的阴极连接晶体管Q5的发射极，可控硅Q9的控制极通过二极管D12连接晶体管Qll的集电极，可控硅Q9的阳极通过电阻R18连接晶体管Qll的基极，可控硅Q9的阴极与控制极之间并联电阻R20和电容Cll ； 所述可控硅Q9的阳极通过电阻R17接电源的正极。
2.根据权利要求1所述的便携式超音频感应加热装置，其特征在于:所述驱动电路，包括芯片U1、晶体 管Q7、晶体管Q4、晶体管Q6、晶体管Q3、晶体管Q2、晶体管Q1、二极管D5、_.极管D6、二极管D8、二极管D7、变压器Tl ； 所述晶体管Q7的基极通过电容C9连接晶体管Q4的集电极，晶体管Q7的基极通过电阻R8接地，晶体管Q7的发射极接地，晶体管Q4的集电极通过电阻R12接地，晶体管Q4的基极与发射极之间并联电阻R10，晶体管Q4的发射极接VCC端；晶体管Q4的基极通过电阻R14、电阻R16连接变压器Tl初级线圈的第I脚；二极管D8和二极管D7串联后负极接变压器Tl初级线圈的第I脚，正极接电阻R14与电阻R16之间的连接点； 所述晶体管Q2的栅极与漏极之间并联电阻R30，漏极接地，源极接变压器Tl初级线圈的第I脚，源极与漏极之间并联电容C30，栅极通过二极管D4的负极接芯片Ul的第5脚，二极管D4并联电阻R2; 所述芯片Ul的第4脚与第5脚并联电阻R4，第4脚接晶体管Q7的集电极，第7脚通过电容C5和电阻R5接晶体管Q7的集电极；芯片Ul的第3脚、第I脚、第8脚接地； 所述所述晶体管Q6的基极通过电容CS连接晶体管Q3的集电极，晶体管Q6的基极通过电阻R7接地，晶体管Q6的发射极接地，晶体管Q3的集电极通过电阻Rll接地，晶体管Q3的基极与发射极之间并联电阻R9，晶体管Q3的发射极接VCC端；晶体管Q3的基极通过电阻R13、电阻R15连接变压器Tl初级线圈的第3脚；二极管D5和二极管D6串联后负极接变压器Tl初级线圈的第3脚，正极接电阻R13与电阻R15之间的连接点； 所述晶体管Ql的栅极与漏极之间并联电阻R31，漏极接地，源极接变压器Tl初级线圈的第3脚，源极与漏极之间并联电容C31，栅极通过二极管D3的负极接芯片Ul的第7脚，二极管D3并联电阻Rl ； 所述芯片Ul的第2脚与第7脚并联电阻R3，第2脚接晶体管Q6的集电极，第5脚通过电容C6和电阻R6接晶体管Q6的集电极； 所述变压器Tl初级线圈的第2脚为中心抽头，接电源的正极； 所述变压器Tl次级线圈接电感L2。
3.根据权利要求1或2所述的便携式超音频感应加热装置，其特征在于:所述变压器Tl初级线圈的第I脚与第2脚之间并联电容C3。
4.根据权利要求3所述的便携式超音频感应加热装置，其特征在于:所述晶体管Qll的集电极依次通过电阻R11、开关SI连接可控硅Q9的的阳极。
5.根据权利要求3所述的便携式超音频感应加热装置，其特征在于:芯片Ul采用通用芯片 MC33151。
6.根据权利要求2所述的便携式超音频感应加热装置，其特征在于:所述电感L2采用紫铜管绕制。
7.权利要求1至6中任一项所述便携式超音频感应加热装置的控制方法，其特征在于下述步骤: 按下开关SI，可控硅Q9的控制极电压高于阴极电压，阳极电压高于阴极电压，可控硅Q9开通；晶体管Q5的发射级电压高于基级电压，晶体管Q5开通，晶体管Q5的集电极为高电平；晶体管Q8的基级电压高于发射级电压，Q8开通，经过电阻R17、R18、R24、D9和DlO分压后的电压通过Q8给驱动电路供电，本装置开启工作； 松开SI，可控硅Q9的控制级电压低于阴极电压，这时可控硅阳极和阴极之间的电压差是正弦半波，阳极和阴极之间的电压差有零点，可控硅Q9关闭；晶体管Q5的发射级电压低于基级电压，晶体管Q5关闭，晶体管Q5的集电极为低电平；晶体管Q8的基级电压为低电平，晶体管Q8关闭，经过电阻R17、R18、R24分压后的电压不能通过晶体管Q8给驱动电路供电，本装置停止工作； 当开关SI按下时，芯片Ul的第6脚为高电平，Ul开始工作，5脚为高电平，7脚为低电平，晶体管Q2开通，晶体管Q4的基级为低电平，晶体管Q4开通，晶体管Q4集电极对电容C9充电，电阻R8两端的电压由高电平降为低电平，电容C5上的电荷通过Q7放出；与此同时，芯片Ul的第5脚高电平通过电阻R4、R5向电容C5充电，芯片Ul的第4脚的电压由低升高，同时第5脚高电平通过R6、R3向电容C6充电，第2脚的电压由高降低，第4脚的电压开始高于高态输入阀值电压，第2脚电压开始低于低态输入阀值电压，工作状态切换； 切换之后，芯片Ul第5脚输出为低电平，第7脚输出为高电平；晶体管Ql开通，晶体管Q3的基级为低电平，晶体管Q3开通，晶体管Q3集电极对电容C8充电，电阻R7两端的电压由高电平降为低电平，电容C6上的电荷通过晶体管Q6放出；与此同时，第7脚高电平通过电阻R3、R6向电容C6充电，第2脚的电压由低升高，同时第7脚高电平通过R5、R4向电容C5充电，第4脚的电压由高降低，第2脚的电压开始高于高态输入阀值电压，第4脚电压开始低于低态输入阀值电压，工作状态再次切换。
【文档编号】H05B6/06GK104010400SQ201410232655
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】薛家祥, 王磊磊, 沈栋, 林放, 陈振升, 恒功淳 申请人:华南理工大学