高频电能

感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组成。高频大功率感应加热装置，多年来一直采用电子管做为开关器件。高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。

简要解释

高频电能，简单理解，高频就是指频率的范围在50~10000hz之间；象常见的50hz就是工频。

高频的定义

感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。20世纪30年代初，美国、苏联先后开始应用感应加热方法对零件进行表面淬火。随着工业的发展，感应加热热处理技术不断改进，应用范围也不断扩大。

基本原理

将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流——涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小, 这种现象称为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。

主要分类

根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频5类。①超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。②高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200～300千赫，加热层深度为0.5～2毫米，可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。③超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为20～30千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布，粹火后使用性能较好。④中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.5～10千赫，加热层深度为2～8毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火。⑤工频感应加热热处理所用的电流频率为50～60赫，加热层深度为10～15毫米，可用于大型工件的表面淬火。

特点和应用

感应加热的主要优点是

①不必整体加热，工件变形小，电能消耗小。　②无公害。　③加热速度快，工件表面氧化脱碳较轻。　④表面淬硬层可根据需要进行调整，易于控制。　⑤加热设备可以安装在机械加工生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，且可减少运输，节约人力，提高生产效率。　⑥淬硬层马氏体组织较细，硬度、强度、韧性都较高。　⑦表面淬火后工件表层有较大压缩内应力，工件抗疲劳破断能力较高。感应加热热处理也有一些缺点

与火焰淬火相比，感应加热设备较复杂，而且适应性较差，对某些形状复杂的工件难以保证质量。感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧辊等工件的表面淬火，目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽车后半轴采用感应加热表面淬火，设计载荷下的疲劳循环次数比用调质处理约提高10倍。感应加热表面淬火的工件材料一般为中碳钢。为适应某些工件的特殊需要，已研制出供感应加热表面淬火专用的低淬透性钢。高碳钢和铸铁制造的工件也可采用感应加热表面淬火。淬冷介质常用水或高分子聚合物水溶液。

主要设备

感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组成。电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。高频电流电源设备有电子管高频发生器和可控硅变频器两种。中频电流电源设备是发电机组。一般电源设备只能输出一种频率的电流，有些设备可以改变电流频率，也可以直接用50赫的工频电流进行感应加热。电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热层深的工件，应使用电流频率较低的电源设备；加热层浅的工件，应使用电流频率较高的电源设备。选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积增大，需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过大时或电源功率不足时，可采用连续加热的方法，使工件和感应器相对移动，前边加热，后边冷却。但最好还是对整个加热表面一次加热。这样可以利用工件心部余热使淬硬的表层回火，从而使工艺简化，还可节约电能。感应加热淬火机床的主要作用是使工件定位并进行必要的运动。此外还应附有提供淬火介质的装置。淬火机床可分为标准机床和专用机床，前者适用于一般工件，后者适用于大量生产的复杂工件。进行感应加热热处理时，为保证热处理质量和提高热效率，必须根据工件的形状和要求，设计制造结构适当的感应器。常用的感应器有外表面加热感应器、内孔加热感应器、平面加热感应器、通用型加热感应器、特型加热感应器、单一型加热感应器、复合型加热感应器，熔炼加热炉等。

高频控制板

高频大功率感应加热装置，多年来一直采用电子管做为开关器件。由于电子管寿命短、效率低(50%-70%)负载稳定性差，在轻载运行过程逆变器输出电压出现间歇式振荡(电压型逆变器)，因此在高频大功率场合采用IGBT半导体器件代替电子管器件势在必行。采用IGBT半导体器件的感应加热装置具有效率高、电路简单。制造和使用都较方便，采用IGBT大功率感应加热电源对工件具有升温快，易于控制，养化脱碳少工艺质量可靠。因此采用IGBT来实现大功率感应加热电源是明智的选择。我公司生产的KS系列和KP系列高频感应加热控制板具有数字触发，免调试，脉冲失真度低，抗干扰能力强，控制集中化，动态响应速度快，多种状态保护指示。高频感应加热主控制板，主要采用SG3525A作为PWM脉冲形成，输出脉冲频率范围20KHZ—60KHZ,脉冲间隔互为180度，死区时间可以自行调整。可适用于IGBT全桥逆变串联谐振感应加热装置用斩波器调压调功。功率范围：15KW-120KW,该控制板接线少，控制集中，无须调试，工作电源电压为三路交流双18V/1A及四个22V/0.5A的电源为全桥逆变IGBT驱动电路提供电源。具有过流，过压，缺水，高频，低频，多种状态指示，并提供开关型霍尔保护接口，此板可配合斩波器板和驱动板组装IGBT高频感应加热装置。

变压器的问题

（1）漏电感（简称漏感）理想的变压器（完全耦合的变压器）原边绕组产生的磁通应全部穿过副边绕组，没有任何损失和泄漏。但实际上常规的变换变压器不可能实现没有任何损失和泄漏。原边绕组产生的磁通不可能全部穿过副边绕组。非耦合部分磁通就在绕组或导体中有它自己的电感，存贮在这个“电感”中的能量不和主功率变压器电路相耦合。这种电感我们称之为“漏感”。理想变换器对绝缘的要求和为了要得到很低的电磁干扰（EMI）而需要很紧的电磁耦合以减小漏感的要求，是相互矛盾的。当变压器不通电（转向脱离电源或开关处于关断期间）时，漏感存贮的能量要释放出来形成明显的噪音。在示波器上能看到此噪音的高频尖峰脉冲波形。高频尖峰脉冲波形的幅值Uspike和漏感Lleak与电流相对时间变化率的乘积成正比。即：　|Uspike|=Lleakdi/dt（1）当工作频率升高，电流相对时间的变化率也就增加。漏感的影响将更严重。漏感的影响和变换器的开关速度成正比。漏感产生过高的尖峰脉冲会损坏变换器中的功率器件并形成明显的电磁干扰（EMI）。为了降低漏感产生的尖峰脉冲幅值Uspike，而在变换器电路中必须加入缓冲网络。但缓冲网络的加入，会增大变换器电路的损耗。使变换器电路随工作频率提高，损耗增加，效率降低。　（2）绕组间电容　当变压器的绕组是多层绕组时，则顶层绕组和底层绕组之间就有电位差。两个导体之间有电位差，就存在电容。这个电容就称为“绕组间电容”。当工作在高频时，这个电容会以惊人的速率进行充电和放电。电容充电和放电过程中会产生损耗。在给定的时间内，它充电和放电的次数愈多，损耗就愈大。　（3）趋肤效应（4）邻近效应（5）局部过热点　常规的变换变压器工作在高频时，其磁芯中部会有局部过热点。因此，为了减小热效应，常规变换变压器的工作频率提高时，就必须相应地减小其磁通密度，增大其体积。这就使得无法用它去做高功率密度的电源。对于低输出电压理想型变换器来说，它的降压比是很高的。用常规变换变压器时，通常1匝输出绕组，大约需要32匝原边绕组。这样，原边绕组就需多层布置，因而漏感和绕组间电容大、趋肤效应和邻近效应严重等不利因素在变换变压器中都存在。

高频电路

高频电路基本上是由无源元件、有源器件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与低频电路中使用的元器件频率特性是不同的。高频电路中无源线性元件主要是电阻（器）、电容（器）和电感（器）。

频率的划分

频率按照规定划分，以便有专业的交流语言：超低频：0.03-300Hz；极低频：300-3000Hz(音频) ；甚低频：3-300KHz；长 波：30-300KHz ；中 波：300-3000KHz；短 波：3-30兆；甚高频：30-300兆；超高频：300-3000兆；特高频：3-30G；极高频：30-300G；远红外：300－3000G。

电路中的元件

（一）电阻　一个实际的电阻器，在低频时主要表现为电阻特性，但在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面，而且还表现有电抗特性的一面。电阻器的电抗特性反映的就是其高频特性。一个电阻R的高频等效电路，其中，CR为分布电容，LR为引线电感，R为电阻。　（二）电容　由介质隔开的两导体构成电容。一个理想电容器的容抗为1/(jωC)，电容器的容抗与频率的关系如图1—2（b）虚线所示，其中f为工作频率，ω=2πf。一个实际电容C的高频等效电路如图所示，其中Rc为损耗电阻

，Lc为引线电感。容抗与频率的关系如图1—2（b）实线所示，其中f为工作频率，ω=2πf。　(a)电容器的等效电路；（b）电容器的阻抗特性（三）电感　理想高频电感器L的感抗为jωL，其中ω为工作角频率。实际高频电感器存在分布电容和损耗电阻，自身谐振频率SRF。在SRF上，高频电感阻抗的幅值最大，而相角为零。

有源器件

（一）二极管半导体二极管在高频中主要用于检波、调制、解调及混频等非线性变换电路中。（二）晶体管与场效应管（FET）在高频中应用的晶体管仍然是双极型晶体管和各种场效应管，在外形结构方面有所不同。高频晶体管有两大类型：一类是作小信号放大的高频小功率管，对它们的主要要求是高增益和低噪声；另一类为高频功率管，其在高频工作时允许有较大管耗，且输出功率较大。（三）集成电路　用于高频的集成电路的类型和品种主要分为通用型和专用型两种。

振荡谐振回路

高频电路中的无源组件或无源网络主要有高频振荡（谐振）回路、高频变压器、谐振器与滤波器等，它们完成信号的传输、频率选择及阻抗变换等功能。高频振荡回路是高频电路中应用最广的无源网络，也是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器的主要部件，在电路中完成阻抗变换、信号选择等任务，并可直接作为负载使用。振荡回路是由电感和电容组成。只有一个回路的振荡回路称为简单振荡回路或单振荡回路，分为串联谐振回路或并联谐振回路。一、串联谐振回路　图1—4串联震荡回路及其特性　若在串联振荡回路两端加一恒压信号，则发生串联谐振时因阻抗最小，流过电路的电流最大，称为谐振电流，其值为：在任意频率下的回路电流与谐振电流之比为：其模为：其中，称为回路的品质因数，它是振荡回路的另一个重要参数。根据式（1—6）画出相应的曲线如图1—5所示，称为谐振曲线。图1—5串联谐振回路的谐振曲线：图1—6串联回路在谐振时的电流、电压关系：在实际应用中，外加信号的频率ω与回路谐振频率ω0之差Δω=ω-ω0表示频率偏离谐振的程度，称为失谐。当ω与ω0很接近时，令ξ为广义失谐，则式（1—5）可写成　当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时，将回路电流值下降为谐振值的时对应的频率范围称为回路的通频带，也称回路带宽，通常用B来表示。令式（1—9）等于，则可推得ξ=±1，从而可得带宽为　二、并联谐振回路　串联谐振回路适用于电源内阻为低内阻（如恒压源）的情况或低阻抗的电路（如微波电路）。图1—7并联谐振回路及其等效电路、阻抗特性和辐角特性：　(a)并联谐振回路；（b）等效电路；（c）阻抗特性；（d）辐角特性　并联谐振回路的并联阻抗为：定义使感抗与容抗相等的频率为并联谐振频率ω0，令Zp的虚部为零，求解方程的根就是ω0，可得　式中，Q为回路的品质因数，有　当时，。回路在谐振时的阻抗最大，为一电阻R0　因为：并联回路通常用于窄带系统，此时ω与ω0相差不大，式（1—13）可进一步简化为　式中，Δω=ω-ω0。对应的阻抗模值与幅角分别为　图1—8表示了并联振荡回路中谐振时的电流、电压关系。例1设一放大器以简单并联振荡回路为负载，信号中心频率fs=10MHz，回路电容C=50pF，　(1)试计算所需的线圈电感值。　(2)若线圈品质因数为Q=100，试计算回路谐振电阻及回路带宽。　(3)若放大器所需的带宽B=0.5MHz，则应在回路上并联多大电阻才能满足放大器所需带宽要求？解　(1)计算L值。由式(1—2)，可得　将f0以兆赫兹(MHz)为单位，C以皮法(pF)为单位，L以微亨（μH）为单位，上式可变为一实用计算公式：将f0=fs=10MHz代入，得　(2)回路谐振电阻和带宽。由式(1—12)　回路带宽为　(3)求满足0.5MHz带宽的并联电阻。设回路上并联电阻为R1，并联后的总电阻为R1∥R0，总的回路有载品质因数为QL。由带宽公式，有　此时要求的带宽B=0.5MHz，故　回路总电阻为　需要在回路上并联7.97kΩ的电阻。三、抽头并联振荡回路　图1—9几种常见抽头振荡回路　对于图1—9（b）的电路，其接入系数p可以直接用电容比值表示为　图1—10电流源的折合谐振时的回路电流IL和IC与I的比值要小些，而不再是Q倍。由　例2如图1—11，抽头回路由电流源激励，忽略回路本身的固有损耗，试求回路两端电压u(t)的表示式及回路带宽。图1—11例2的抽头回路解：由于忽略了回路本身的固有损耗，因此可以认为Q→∞。由图可知，回路电容为　谐振角频率为电阻R1的接入系数等效到回路两端的电阻为　回路两端电压u(t)与i(t)同相，电压振幅U=IR=2V，故　回路有载品质因数　回路带宽　四、耦合振荡回路　在高频电路中，有时用到两个互相耦合的振荡回路，也称为双调谐回路。把接有激励信号源的回路称为初级回路，把与负载相接的回路称为次级回路或负载回路。图1—12是两种常见的耦合回路。图1—12（a）是互感耦合电路，图1—12(b)是电容耦合回路图1—12两种常见的耦合回路及其等效电路　对于图1—12（b）电路，耦合系数为　初次级串联阻抗可分别表示为　耦合阻抗为　由图1—12（c）等效电路，转移阻抗为　由次级感应电势产生，有　考虑次级的反映阻抗，则

传输线变压器

一、高频变压器特点　变压器是靠磁通交链，或者说是靠互感进行耦合的。　(1)为了减少损耗，高频变压器常用导磁率μ高、高频损耗小的软磁材料作磁芯。　(2)高频变压器一般用于小信号场合，尺寸小，线圈的匝数较少。图1—14高频变压器的磁芯结构　(a)环形磁芯；(b)罐形磁芯；(c)双孔磁芯　图1—15高频变压器及其等效电路　(a)电路符号；(b)等效电路图1—16(a)是一中心抽头变压器的示意图。初级为两个等匝数的线圈串联，极性相同，设初次级匝比n=N1/N2。作为理想变压器看待，线圈间的电压和电流关系分别为　图1—16中心抽头变压器电路（a）中心抽头变压器电路；（b）作四端口器件应用3.2传输线变压器　二、传输线变压器特点　传输线变压器就是利用绕制在磁环上的传输线而构成的高频变压器。图1—17为其典型的结构和电路图。图1—17传输线变压器的典型结构和电路　(a)结构示意图；（b）电路　图1—18传输线变压器的工作方式　(a)传输线方式；(b)变压器方式　图1—19传输线变压器的应用举例?　(a)高频反相器；(b)不平衡—平衡变换器；(c)1∶4阻抗变换器；(d)3分贝耦合器

各种滤波组件

一、石英晶体谐振器（一）物理特性石英晶体谐振器是由天然或人工生成的石英晶体切片制成。

（二）等效电路及阻抗特性　图1—22是石英晶体谐振器的等效电路。由图1—22(b)可看出，晶体谐振器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0　图1-20石英晶体的形状及各种切型的位置（a）形状；（b）不同切型位置；（c）电路符号　图1—21石英晶体谐振器（a）外形；（b）内部结构　图1—22晶体谐振器的等效电路　(a)包括泛音在内的等效电路；(b)谐振频率附近的等效电路　图1—22(b)所示的等效电路的阻抗的一般表示式为　在忽略rq后，上式可化简为　图1—23晶体谐振器的电抗曲线　图1—24晶体滤波器的电路与衰减特性?（a）滤波器电路；（b）衰减特性　二、集中滤波器（一）陶瓷滤波器　图1—25陶瓷滤波器电路　图1—26声表面波滤波器的结构和幅频特性(a)结构示意图(b)均匀对称的幅频特性

（二）声表面波滤波器　图1—26(a)中的声表面波滤波器的传输函数为　图1--27一种用于通信机中的声表面波滤波器

（三）衰减器与匹配器　高频衰减，匹配器　图1—28T型和Π型网络