高頻電能分類

根據(jù)交變電流的頻率高低，可將感應(yīng)加熱熱處理分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻5類。①超高頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率高達27兆赫，加熱層極薄，僅約0.15毫米，可用于圓盤鋸等形狀復(fù)雜工件的薄層表面淬火。②高頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率通常為200~300千赫，加熱層深度為0.5~2毫米,可用于齒輪、汽缸套、凸輪、軸等零件的表面淬火。③超音頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率一般為20~30千赫，用超音頻感應(yīng)電流對小模數(shù)齒輪加熱，加熱層大致沿齒廓分布，粹火后使用性能較好。④中頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率一般為2.5~10千赫，加熱層深度為2~8毫米，多用于大模數(shù)齒輪、直徑較大的軸類和冷軋輥等工件的表面淬火。⑤工頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率為50~60赫，加熱層深度為10~15毫米，可用于大型工件的表面淬火。

感應(yīng)電流使工件局部加熱的表面熱處理工藝。這種熱處理工藝常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有時也用于整體淬火和回火。20世紀(jì)30年代初，美國、蘇聯(lián)先后開始應(yīng)用感應(yīng)加熱方法對零件進行表面淬火。隨著工業(yè)的發(fā)展，感應(yīng)加熱熱處理技術(shù)不斷改進,應(yīng)用范圍也不斷擴大。

①不必整體加熱，工件變形小，電能消耗小。 ②無公害。 ③加熱速度快，工件表面氧化脫碳較輕。 ④表面淬硬層可根據(jù)需要進行調(diào)整，易于控制。 ⑤加熱設(shè)備可以安裝在機械加工生產(chǎn)線上，易于實現(xiàn)機械化和自動化，便于管理，且可減少運輸，節(jié)約人力，提高生產(chǎn)效率。 ⑥淬硬層馬氏體組織較細，硬度、強度、韌性都較高。 ⑦表面淬火后工件表層有較大壓縮內(nèi)應(yīng)力，工件抗疲勞破斷能力較高。感應(yīng)加熱熱處理也有一些缺點

與火焰淬火相比，感應(yīng)加熱設(shè)備較復(fù)雜，而且適應(yīng)性較差，對某些形狀復(fù)雜的工件難以保證質(zhì)量。 感應(yīng)加熱廣泛用于齒輪、軸、曲軸、凸輪、軋輥等工件的表面淬火，目的是提高這些工件的耐磨性和抗疲勞破斷的能力。汽車后半軸采用感應(yīng)加熱表面淬火，設(shè)計載荷下的疲勞循環(huán)次數(shù)比用調(diào)質(zhì)處理約提高10倍。感應(yīng)加熱表面淬火的工件材料一般為中碳鋼。為適應(yīng)某些工件的特殊需要，已研制出供感應(yīng)加熱表面淬火專用的低淬透性鋼。高碳鋼和鑄鐵制造的工件也可采用感應(yīng)加熱表面淬火。淬冷介質(zhì)常用水或高分子聚合物水溶液。

感應(yīng)加熱熱處理的設(shè)備主要由電源設(shè)備、淬火機床和感應(yīng)器組成。電源設(shè)備的主要作用是輸出頻率適宜的交變電流。高頻電流電源設(shè)備有電子管高頻發(fā)生器和可控硅變頻器兩種。中頻電流電源設(shè)備是發(fā)電機組。一般電源設(shè)備只能輸出一種頻率的電流,有些設(shè)備可以改變電流頻率，也可以直接用50赫的工頻電流進行感應(yīng)加熱。 電源設(shè)備的選擇與工件要求的加熱層深度有關(guān)。加熱層深的工件，應(yīng)使用電流頻率較低的電源設(shè)備;加熱層淺的工件，應(yīng)使用電流頻率較高的電源設(shè)備。選擇電源設(shè)備的另一條件是設(shè)備功率。加熱表面面積增大，需要的電源功率相應(yīng)加大。當(dāng)加熱表面面積過大時或電源功率不足時，可采用連續(xù)加熱的方法，使工件和感應(yīng)器相對移動，前邊加熱，后邊冷卻。但最好還是對整個加熱表面一次加熱。這樣可以利用工件心部余熱使淬硬的表層回火，從而使工藝簡化，還可節(jié)約電能。 感應(yīng)加熱淬火機床的主要作用是使工件定位并進行必要的運動。此外還應(yīng)附有提供淬火介質(zhì)的裝置。淬火機床可分為標(biāo)準(zhǔn)機床和專用機床，前者適用于一般工件，后者適用于大量生產(chǎn)的復(fù)雜工件。 進行感應(yīng)加熱熱處理時，為保證熱處理質(zhì)量和提高熱效率，必須根據(jù)工件的形狀和要求，設(shè)計制造結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)母袘?yīng)器。常用的感應(yīng)器有外表面加熱感應(yīng)器、內(nèi)孔加熱感應(yīng)器、平面加熱感應(yīng)器、通用型加熱感應(yīng)器、特型加熱感應(yīng)器、單一型加熱感應(yīng)器、復(fù)合型加熱感應(yīng)器，熔煉加熱爐等。

高頻大功率感應(yīng)加熱裝置，多年來一直采用電子管做為開關(guān)器件。由于電子管壽命短、效率低(50%-70%)負載穩(wěn)定性差，在輕載運行過程逆變器輸出電壓出現(xiàn)間歇式振蕩(電壓型逆變器)，因此在高頻大功率場合采用IGBT半導(dǎo)體器件代替電子管器件勢在必行。采用IGBT半導(dǎo)體器件的感應(yīng)加熱裝置具有效率高、電路簡單。制造和使用都較方便，采用IGBT大功率感應(yīng)加熱電源對工件具有升溫快，易于控制，養(yǎng)化脫碳少工藝質(zhì)量可靠。因此采用IGBT來實現(xiàn)大功率感應(yīng)加熱電源是明智的選擇。我公司生產(chǎn)的KS系列和KP系列高頻感應(yīng)加熱控制板具有數(shù)字觸發(fā)，免調(diào)試，脈沖失真度低，抗干擾能力強，控制集中化，動態(tài)響應(yīng)速度快，多種狀態(tài)保護指示。 高頻感應(yīng)加熱主控制板，主要采用SG3525A作為PWM脈沖形成，輸出脈沖頻率范圍20KHZ-60KHZ,脈沖間隔互為180度，死區(qū)時間可以自行調(diào)整?？蛇m用于IGBT全橋逆變串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱裝置用斬波器調(diào)壓調(diào)功。功率范圍:15KW-120KW,該控制板接線少，控制集中，無須調(diào)試，工作電源電壓為三路交流雙18V/1A及四個22V/0.5A的電源為全橋逆變IGBT驅(qū)動電路提供電源。具有過流，過壓，缺水，高頻，低頻，多種狀態(tài)指示，并提供開關(guān)型霍爾保護接口，此板可配合斬波器板和驅(qū)動板組裝IGBT高頻感應(yīng)加熱裝置。

(1)漏電感(簡稱漏感) 理想的變壓器(完全耦合的變壓器)原邊繞組產(chǎn)生的磁通應(yīng)全部穿過副邊繞組，沒有任何損失和泄漏。但實際上常規(guī)的變換變壓器不可能實現(xiàn)沒有任何損失和泄漏。原邊繞組產(chǎn)生的磁通不可能全部穿過副邊繞組。非耦合部分磁通就在繞組或?qū)w中有它自己的電感，存貯在這個"電感"中的能量不和主功率變壓器電路相耦合。這種電感我們稱之為"漏感"。理想變換器對絕緣的要求和為了要得到很低的電磁干擾(EMI)而需要很緊的電磁耦合以減小漏感的要求，是相互矛盾的。 當(dāng)變壓器不通電(轉(zhuǎn)向脫離電源或開關(guān)處于關(guān)斷期間)時，漏感存貯的能量要釋放出來形成明顯的噪音。在示波器上能看到此噪音的高頻尖峰脈沖波形。高頻尖峰脈沖波形的幅值Uspike和漏感Lleak與電流相對時間變化率的乘積成正比。即: |Uspike|=Lleakdi/dt(1) 當(dāng)工作頻率升高，電流相對時間的變化率也就增加。漏感的影響將更嚴(yán)重。漏感的影響和變換器的開關(guān)速度成正比。漏感產(chǎn)生過高的尖峰脈沖會損壞變換器中的功率器件并形成明顯的電磁干擾(EMI)。為了降低漏感產(chǎn)生的尖峰脈沖幅值Uspike，而在變換器電路中必須加入緩沖網(wǎng)絡(luò)。但緩沖網(wǎng)絡(luò)的加入，會增大變換器電路的損耗。使變換器電路隨工作頻率提高，損耗增加，效率降低。 (2)繞組間電容 當(dāng)變壓器的繞組是多層繞組時，則頂層繞組和底層繞組之間就有電位差。兩個導(dǎo)體之間有電位差，就存在電容。這個電容就稱為"繞組間電容"。當(dāng)工作在高頻時，這個電容會以驚人的速率進行充電和放電。電容充電和放電過程中會產(chǎn)生損耗。在給定的時間內(nèi)，它充電和放電的次數(shù)愈多，損耗就愈大。 (3)趨膚效應(yīng) (4)鄰近效應(yīng) (5)局部過熱點 常規(guī)的變換變壓器工作在高頻時，其磁芯中部會有局部過熱點。因此，為了減小熱效應(yīng)，常規(guī)變換變壓器的工作頻率提高時，就必須相應(yīng)地減小其磁通密度，增大其體積。這就使得無法用它去做高功率密度的電源。 對于低輸出電壓理想型變換器來說，它的降壓比是很高的。用常規(guī)變換變壓器時，通常1匝輸出繞組，大約需要32匝原邊繞組。這樣，原邊繞組就需多層布置，因而漏感和繞組間電容大、趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)嚴(yán)重等不利因素在變換變壓器中都存在。

高頻電路基本上是由無源元件、有源器件和無源網(wǎng)絡(luò)組成的。高頻電路中使用的元器件與低頻電路中使用的元器件頻率特性是不同的。高頻電路中無源線性元件主要是電阻(器)、電容(器)和電感(器)。

頻率按照規(guī)定劃分，以便有專業(yè)的交流語言: 超低頻:0.03-300Hz; 極低頻:300-3000Hz(音頻) ;甚低頻:3-300KHz; 長 波:30-300KHz ;中 波:300-3000KHz; 短 波:3-30兆;甚高頻:30-300兆; 超高頻:300-3000兆; 特高頻:3-30G;極高頻:30-300G; 遠紅外:300-3000G。

(一)電阻 一個實際的電阻器，在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻使用時不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面，而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是其高頻特性。 一個電阻R的高頻等效電路，其中，CR為分布電容，LR為引線電感，R為電阻。 (二)電容 由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體構(gòu)成電容。一個理想電容器的容抗為1/(jωC)，電容器的容抗與頻率的關(guān)系如圖1-2(b)虛線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。 一個實際電容C的高頻等效電路如圖所示，其中Rc為損耗電阻

，Lc為引線電感。容抗與頻率的關(guān)系如圖1-2(b)實線所示，其中f為工作頻率，ω=2πf。 (a)電容器的等效電路;(b)電容器的阻抗特性 (三)電感 理想高頻電感器L的感抗為jωL，其中ω為工作角頻率。 實際高頻電感器存在分布電容和損耗電阻，自身諧振頻率SRF。在SRF上，高頻電感阻抗的幅值最大，而相角為零。

(一)二極管 半導(dǎo)體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中。 (二)晶體管與場效應(yīng)管(FET) 在高頻中應(yīng)用的晶體管仍然是雙極型晶體管和各種場效應(yīng)管，在外形結(jié)構(gòu)方面有所不同。高頻晶體管有兩大類型:一類是作小信號放大的高頻小功率管，對它們的主要要求是高增益和低噪聲;另一類為高頻功率管，其在高頻工作時允許有較大管耗，且輸出功率較大。 (三)集成電路 用于高頻的集成電路的類型和品種主要分為通用型和專用型兩種。

高頻電路中的無源組件或無源網(wǎng)絡(luò)主要有高頻振蕩(諧振)回路、高頻變壓器、諧振器與濾波器等，它們完成信號的傳輸、頻率選擇及阻抗變換等功能。 高頻振蕩回路是高頻電路中應(yīng)用最廣的無源網(wǎng)絡(luò)，也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件，在電路中完成阻抗變換、信號選擇等任務(wù)，并可直接作為負載使用。 振蕩回路是由電感和電容組成。只有一個回路的振蕩回路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路，分為串聯(lián)諧振回路或并聯(lián)諧振回路。 一、串聯(lián)諧振回路 圖1-4串聯(lián)震蕩回路及其特性 若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號，則發(fā)生串聯(lián)諧振時因阻抗最小，流過電路的電流最大，稱為諧振電流，其值為: 在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為: 其模為: 其中， 稱為回路的品質(zhì)因數(shù)，它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。根據(jù)式(1-6)畫出相應(yīng)的曲線如圖1-5所示，稱為諧振曲線。 圖1-5串聯(lián)諧振回路的諧振曲線: 圖1-6串聯(lián)回路在諧振時的電流、電壓關(guān)系: 在實際應(yīng)用中，外加信號的頻率ω與回路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度，稱為失諧。當(dāng)ω與ω0很接近時， 令ξ為廣義失諧，則式(1-5)可寫成 當(dāng)保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時，將回路電流值下降為諧振值的時對應(yīng)的頻率范圍稱為回路的通頻帶，也稱回路帶寬，通常用B來表示。令式(1-9)等于，則可推得ξ=±1，從而可得帶寬為 二、并聯(lián)諧振回路 串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻(如恒壓源)的情況或低阻抗的電路(如微波電路)。 圖1-7并聯(lián)諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性: (a)并聯(lián)諧振回路;(b)等效電路;(c)阻抗特性;(d)輻角特性 并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為: 定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率ω0，令Zp的虛部為零，求解方程的根就是ω0，可得 式中，Q為回路的品質(zhì)因數(shù)，有 當(dāng)時，?；芈吩谥C振時的阻抗最大，為一電阻R0 因為: 并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng)，此時ω與ω0相差不大，式(1-13)可進一步簡化為 式中，Δω=ω-ω0。對應(yīng)的阻抗模值與幅角分別為 圖1-8表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時的電流、電壓關(guān)系。 例1設(shè)一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負載，信號中心頻率fs=10MHz，回路電容C=50pF， (1)試計算所需的線圈電感值。 (2)若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100，試計算回路諧振電阻及回路帶寬。 (3)若放大器所需的帶寬B=0.5MHz，則應(yīng)在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求? 解 (1)計算L值。由式(1-2)，可得 將f0以兆赫茲(MHz)為單位，C以皮法(pF)為單位，L以微亨(μH)為單位，上式可變?yōu)橐粚嵱糜嬎愎? 將f0=fs=10MHz代入，得 (2)回路諧振電阻和帶寬。由式(1-12) 回路帶寬為 (3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻。設(shè)回路上并聯(lián)電阻為R1，并聯(lián)后的總電阻為R1∥R0，總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。由帶寬公式，有 此時要求的帶寬B=0.5MHz，故 回路總電阻為 需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。 三、抽頭并聯(lián)振蕩回路 圖1-9幾種常見抽頭振蕩回路 對于圖1-9(b)的電路，其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為 圖1-10電流源的折合諧振時的回路電流IL和IC與I的比值要小些，而不再是Q倍。由 例2如圖1-11，抽頭回路由電流源激勵，忽略回路本身的固有損耗，試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。 圖1-11例2的抽頭回路解:由于忽略了回路本身的固有損耗，因此可以認為Q→∞。由圖可知，回路電容為 諧振角頻率為電阻R1的接入系數(shù)等效到回路兩端的電阻為 回路兩端電壓u(t)與i(t)同相，電壓振幅U=IR=2V，故 回路有載品質(zhì)因數(shù) 回路帶寬 四、耦合振蕩回路 在高頻電路中，有時用到兩個互相耦合的振蕩回路，也稱為雙調(diào)諧回路。把接有激勵信號源的回路稱為初級回路，把與負載相接的回路稱為次級回路或負載回路。圖1-12是兩種常見的耦合回路。圖1-12(a)是互感耦合電路，圖1-12(b)是電容耦合回路圖1-12兩種常見的耦合回路及其等效電路 對于圖1-12(b)電路，耦合系數(shù)為 初次級串聯(lián)阻抗可分別表示為 耦合阻抗為 由圖1-12(c)等效電路，轉(zhuǎn)移阻抗為 由次級感應(yīng)電勢產(chǎn)生，有 考慮次級的反映阻抗，則

一、高頻變壓器特點 變壓器是靠磁通交鏈，或者說是靠互感進行耦合的。 (1)為了減少損耗，高頻變壓器常用導(dǎo)磁率μ高、高頻損耗小的軟磁材料作磁芯。 (2)高頻變壓器一般用于小信號場合，尺寸小，線圈的匝數(shù)較少。 圖1-14高頻變壓器的磁芯結(jié)構(gòu) (a)環(huán)形磁芯;(b)罐形磁芯;(c)雙孔磁芯 圖1-15高頻變壓器及其等效電路 (a)電路符號;(b)等效電路圖1-16(a)是一中心抽頭變壓器的示意圖。 初級為兩個等匝數(shù)的線圈串聯(lián)，極性相同，設(shè)初次級匝比n=N1/N2。作為理想變壓器看待，線圈間的電壓和電流關(guān)系分別為 圖1-16中心抽頭變壓器電路 (a)中心抽頭變壓器電路;(b)作四端口器件應(yīng)用3.2傳輸線變壓器 二、傳輸線變壓器特點 傳輸線變壓器就是利用繞制在磁環(huán)上的傳輸線而構(gòu)成的高頻變壓器。圖1-17為其典型的結(jié)構(gòu)和電路圖。 圖1-17傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)和電路 (a)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)電路 圖1-18傳輸線變壓器的工作方式 (a)傳輸線方式;(b)變壓器方式 圖1-19傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例? (a)高頻反相器;(b)不平衡-平衡變換器;(c)1∶4阻抗變換器;(d)3分貝耦合器

一、石英晶體諧振器 (一)物理特性 石英晶體諧振器是由天然或人工生成的石英晶體切片制成。

(二)等效電路及阻抗特性 圖1-22是石英晶體諧振器的等效電路。 由圖1-22(b)可看出，晶體諧振器是一串并聯(lián)的振蕩回路，其串聯(lián)諧振頻率fq和并聯(lián)諧振頻率f0 圖1-20石英晶體的形狀及各種切型的位置 (a)形狀;(b)不同切型位置;(c)電路符號 圖1-21石英晶體諧振器(a)外形;(b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖1-22晶體諧振器的等效電路 (a)包括泛音在內(nèi)的等效電路;(b)諧振頻率附近的等效電路 圖1-22(b)所示的等效電路的阻抗的一般表示式為 在忽略rq后，上式可化簡為 圖1-23晶體諧振器的電抗曲線 圖1-24晶體濾波器的電路與衰減特性?(a)濾波器電路;(b)衰減特性 二、集中濾波器 (一)陶瓷濾波器 圖1-25陶瓷濾波器電路 圖1-26聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)和幅頻特性(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)均勻?qū)ΨQ的幅頻特性

(二)聲表面波濾波器 圖1-26(a)中的聲表面波濾波器的傳輸函數(shù)為 圖1--27一種用于通信機中的聲表面波濾波器

(三)衰減器與匹配器 高頻衰減，匹配器 圖1-28T型和Π型網(wǎng)絡(luò)

通過雙極電凝鑷及導(dǎo)線的兩個尖端向病灶組織組織提供高頻電能，使雙極鑷子兩端之間的血管脫水而凝固，達到止血的目的。由于它的作用范圍只限于鑷子兩端之間，因此對相鄰組織的損傷程度和影響范圍很小，相當(dāng)安全。