DE2006260A1 - Generator zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen - Google Patents

Description

Df. Herbert Scholl Patentanwalt

Anmelder: fei.Y. Philips' Gloeilampenfabriekeo
^AkteNaPHN- 4537

Anmeldune vom« -| -f ^ Febr. 1970

N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland

"Generator zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen"

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen, der einen Schwingkreis und einen mit diesem gekoppelten Wandler sowie eine Gleichstromquelle enthält, deren Ausgangsstrom über zwei unter Zwischenschaltung eines regelbaren Oszillators gesteuerte Schalter in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dem erwähnten Schwingkreis zugeführt wird_# dessen Ausgangsenergie auf den erwähnten Wandler übertragen wird.

Derartige Ultraschallgeneratoren finden z. B. in Reinigungsapparaturen Anwendung, wobei der Wandler mit einem Gefäß verbunden ist, das teilweise mit einer für diesen Zweck j geeigneten Flüssigkeit ausgefüllt ist und in dem die zu reinigenden Gegenstände angeordnet werden.:Dabei liefert der Generator im Betriebszustand einen Strom einer bestimmten Frequenz j der auf den Wandler,, d. hv das Glied, das die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen umwandelt, Übertragen wird. Die Frequenz bestimmt dabei die von dem Wandler gelieferte Energie und diese Frequenz wird normalerweise derart gewählt, daß dies© Ausgangsenergie maximal ist. Die Frequenz, bei der die Ausgangsenergie maximal ist, ändert ilen aber mit der Menge im Gefäß vor- '*' hardener Flüssigkeit. Um die Ausgangsenergie maximal zu halten, soll daher die Frequenz des Oszillatorstromes

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■ stets wieder den momentanen mechanischen Eigenschaften des Gefäßes und seines Inhalts angepaßt werden. Dies kann dadurch erzielt werden, daß der Oszillator stets von Hand aufs neue eingestellt wird. Dabei kann es aber leicht vorkommen, daß eine Änderung der optimalen Situation nicht erkannt wird, daß die Einstellung des richtigen Frequenzwertes unterlassen wird oder daß eine falsche Einstellung gewählt wird.

Die Erfindung bezweckt, einen Generator der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die erforderliche λ Frequenzanpassung automatisch stattfindet. Nach der Erfindung ist ein derartiger Generator mit einer mit den erwähnten Schaltern und dem erwähnten regelbaren Oszillator verbundenen Differenzierungsvorrichtung zur Differenzierung des erwähnten Wechselstroms und mit einer mit der erwähnten Differenzierungsvorrichtung und mit einem in den Wechselstromkreis aufgenommenen Parallelwiderstand verbundenen Vergleichsvorrichtung versehen, die ein sich mit dem Vorzeichen des differenzierten Signals änderndes Ausgangssignal liefert, das als Steuersignal dem regelbaren Oszillator zugeführt wird.

^ Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden ^ Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine an sich bekannte Ausführungsform eines Ultraschallgenerators j

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Ultraschallgenerators nach der Erfindung und

Fig. 3 den Verlauf des Oszillatorstromes als Funktion der Frequenz des Steuersignale*

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In dem bekannten Ultraschallgenerator nach Fig* 1 bezeichnet 6 einen Wandler, der mit einem Gefäß 7 verbunden ist, in dem sieh eine Flüssigkeit befindet. Im Betriebszustand wird über einen Transformator 24 dem Wandler ein Strom zugeführt. Bevor dieser Strom, der einer Gleichstromquelle 1 entnommen wird, dem Transformator zugeführt wird, wird er mit Hilfe von Schaltern 20 - 23 in einen Wechselstrom umgewandelt. Die Schalter 20 - 23 werden von einem regelbaren Oszillator 13 betätigt, und zwar derart*■ daß der Strom der Gleichstromquelle 1 abwechselnd über die Schalter 20, 21 bzw. 22, 23 dem Transformator zugeführt wird♦ Die Schalter 20 - 23 werden in der dargestellten Äusfüh- | rungsform durch Leistungstransistoren gebildet.

Ein Oszillator vom in Fig. 1 dargestellten Typ hat gewisse Nachteile. So muß die Frequenz des Oszillatorstroms stets von Hand nacheingestellt werden, damit die maximale Ausgangsenergie beibehalten wird, wenn der Flüssigkeitspegel in dem Gefäß sich ändert. Ferner beansprucht der Übergang der Transistoren von dem leitenden in den nichtleitendeh Zustand eine gewisse Zeit* wodurch die beiden Transistorenpaare während eines Teiles jeder Periode des Betriebsstromes; gleichzeitig leitend sin".. Der infolgedessen kurzzeitig auftretende Kurzschluß des-Ausgangstransformators bewirkt einerseits, , daß der Strom Spitzen aufweist, und führt andererseits ■ ■ " nicht zu vernachlässigende .Schaltverluste in den Transistoren herbei. Das Auftreten der erwähnten.Spitzen bringt ; eine Beschränkung des maximalen Stromes_y der vom Transistor unterbrochen werden kann, mit sich. Die Schaltverluste haben eine Beschränkung der maximalen Frequenz, die der¹ Betriebsstrom annehmen kann* zur Folge, weil die Zeitdauer, während der die beiden Transistorenpaare gleichzeitig leitend sind _f ^:Mi.t der Frequenz zunimmt» .

Die oben erwähnten Nachteile werden bei dem Ultraschall-

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; ORlGlNALiNSPECTED

generator nach der Erfindung vermieden. Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform. In dieser Figur bezeichnet

I eine Gleichstromquelle, deren Ausgangsstrom über eine Drossel 2 einem Schwingkreis zugeführt wird, der aus einem Kondensator 5 und der Primärwicklung 4 eines Transformators 3 besteht. Die Selbstinduktion der Drossel 2 ist dabei erheblich größer als die der Primärwicklung des Transformators, so daß der Strom nahezu konstant ist. Der Schwingkreis ist auf die Betriebsfrequenz abgestimmt. Der Strom wird von Schaltern getastet, die aus je einer Reihenschaltung eines Leistungstransistors 10 bzw. 11 und einer

P Diode 8 bzw. 9 bestehen. Die Dioden verhindern, daß ein Kurzschlußstrom während der Zeit, in der die beiden Transistoren gleichzeitig leitend sind, fließen kann. Der Strom fließt abwechselnd über die Schalter 8, 10 und 9, Bei einem geeignet gewählten Q-Wert des Kreises ist die Ausgangsspannung sinusförmig. Statt der Primärwicklung des Transformators kann selbstverständlich auch die Sekundärwicklung des Transformators in den Kreis aufgenommen werden. Der Transformator überträgt den Strom auf den Wandler, der die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen umwandelt. Der Wandler 6 ist mit einem Gefäß 7 verbunden, in dem sich eine Reinigungsflüssigkeit 19 zur Rei- »nigung darin eingetauchter Gegenstände befindet.

Die Transistoren 10, 11 werden von einem Steuersignal des regelbaren Oszillators 13 getastet. Nach der Erfindung wird ein besonders günstiger und vorteilhafter Ultraschallgenerator erhalten, wenn der bisher beschriebene Generator weiter mit einer mit den erwähnten Schalttransistoren 10,

II und dem erwähnten regelbaren Oszillator 13 verbundenen .•Differenzierungsvorrichtung 25 zur Differenzierung des

erwähnten Wechselstroms und mit einer mit dieser Differenzierungsvorrichtung und einem in den Wechselstromkreis • aufgenommenen Parallelwiderstand 12 verbundenen Vergleichs-

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vorrichtung 26 versehen ist, die ein sich mit dem Vorzeichen des differenzierten Signals änderndes Ausgangssignal liefert, das als Steuersignal dem regelbaren Oszillator 13 zugeführt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Differenzierungsvorrichtung 25 durch einen Meßsignalgenerator 15 und einen Modulator 14 gebildet, in dem das Ausgangssignal des regelbaren Oszillators 13 mit dem Ausgangssignal des erwähnten Meßsignalgenerators 15 moduliert wird. Das vom Meßsignalgenerator 15 gelieferte Modulations-■ signal hat eine Frequenz, die erheblich niedriger als die Frequenz des Ausgangssignals des regelbaren Oszillators 13 ist. Wenn die Frequenz dieses Ausgangssignals z. B. 20 kHz ist, kann für die Frequenz des Modulationssignals z. B. ein Wert von 50 Hz gewählt werden. Das Ausgangssignal des Meßsignalgenerators wird auch als Bezugssignal der Vergleichsvorrichtung. 25 zugeführt. Diese Vergleichsvorrichtung wird bei der dargestellten Ausführungsform durch einen phasenempfindlichen Detektor 18 gebildet, von dem ein Ausgangskreis über einen Verstärker 17 und einen Tiefpaß 16 an den Verbindungspunkt des Widerstandes 12 und der Gleichstromquelle 1' angeschlossen ist. In diesem phasenempfindlichen Detektor wird das mit Hilfe des Tiefpasses 16 selektierte Modulationssignal nach Verstärkung im Verstärker 17 mit dem dem Meßsignalgenerator 15 entnommenen Modulationssignal verglichen, wobei dieser phasenempfindliche Detektor ein sich mit dem Vorzeichen des differenzierten Signals änderndes Ausgangssignal liefert, das als Steuersignal dem regelbaren Oszillator 13 zugeführt wird.

Zur weiteren Erläuterung sei auf die in Fig. 3 dargestellte Kurve verwiesen, die den Verlauf des Betriebsstroms I^ als Funktion der Frequenz angibt. Wenn die Leistung auf der Primärseite des Transformators 3 gemessen wird, kann diese Leistung als P = U_b·!^ dargestellt werden, wobei "

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U-v konstant und gleich der Spannung der Gleichstromquelle ist und Xv den mittleren Wert des Gleichstroms in der Primärwicklung 4 darstellt. Infolge der im Modulator 14 stattfindenden Modulation des Ausgangssignals des regelbaren Oszillators weist der Betriebsstrom eine Wechselstromkomponente auf, deren Amplitude und' Phase von dein durch die Frequenz bestimmten Punkt auf der Kurve I (f) abhängig sind. Wenn die Vorrichtung in dem Punkt der Kurve arbeitet, der der Frequenz f entspricht, ist die nach Differenzierung erhaltene Ableitung des Stromes I gleich O und wird keine Wechselstromkomponente erhalten.. In diesem Punkt hat der Strom seinen Höchstwert und bei dieser Frequenz wird also die maximale Leistung abgegeben.

Wenn die Vorrichtung infolge einer Änderung des Flüssigkeitspegels in dem Punkt arbeitet, der der Frequenz f^ entspricht, hat die Modulation mit dem Modulationssignal + f zur Folge, daß ein Wechselstrom i,, erhalten wird. Dieser Wechselstrom hat eine Phase, die in bezug auf die Phase des Modulationssignals negativ ist. Wenn andererseits die Frequenz den Wert f₂ hat, führt die Modulation mit dem Modulationssignal + f_ einen Wechselstrom i_o herbei, dessen Phase in bezug auf die Phase des Modulationssignals positiv ist. Die Ströme i^ und i₂ haben die gleiche Frequenz wie das Modulationssignal f_m« Das dann auftretende Wechselstromsignal, ζ. B. i^ oder I₉, wird mit Hilfe des Tiefpasses 16 selektiert, dann im Verstärker 17 verstärkt und anschließend dem phasenempfindlichen Detektor 18 zugeführt. Diesem phasenempfindlichen Detektor wird auch das vom Meßsignalgenerator 15 gelieferte Modulationssignal der Frequenz f_m als Bezugssignal zugeführt. In Abhängigkeit von der Phase, die das selektierte Signal in bezug auf die Phase des Bezugssignals hat, liefert der phasenempfindliche Detektor eine positive oder eine negative Ausgangsspannung, die dem regelbaren Oszillator

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zugeführt wird, wodurch die Frequenz des Ausgangssignals dieses Oszillators erhöht bzw. herabgesetzt wird, bis Phasengleichheit auftritt. Wenn Phasengleichheit auftritt-, ist die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors gleich O. Der Betriebsstrom I^ hat dann seinen Höchstwert angenommen. Die beschriebene■ Regelschleife"-bildet ein negativ rückgekoppeltes System, das derart eingerichtet ist, daß es die Frequenz stets auf einen Wert einstellt,; bei dem der Strom maximal ist. Dieser Wert kann von der Belastung des die mechanischen Schwingungen liefernden Wandlers abhängig sein. Das System hat also keinen ^ absoluten Bezugswert, was besonders vorteilhaft ist, weil die Große des Höchstwertes des Betriebsstromes zuvor nicht bekannt ist. Die Regelschleife versucht also, die OszillatUrabstimmung derart einzustellen, daß sie die der Belastung angepaßte Höchstleistung liefert.

Patentansprüche:

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Generator zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen,

der einen Schwingkreis und einen mit diesem gekoppelten Wandler sowie eine Gleichstromquelle enthält, deren Ausgangsstrom über zwei unter Zwischenschaltung eines regelbaren Oszillators gesteuerte Schalter in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dem erwähnten Schwingkreis zugeführt wird, dessen Ausgangsenergie auf den Wandler übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator ferner ^ mit einer mit den Schaltern (20 - 23) und mit dem regelbaren Oszillator (13) verbundenen Differenzierungsvorrichtung (25) zur Differenzierung des erwähnten Wechselstroms und mit einer mit der Differenzierungsvorrichtung (25) und mit einem in den Wechselstromkreis aufgenommenen Parallelwiderstand (12) verbundenen Vergleichsvorrichtung (26) versehen ist, die ein sich mit dem Vorzeichen des differenzierten Signals änderndes Ausgangssignal liefert, das als Steuersignal dem regelbaren Oszillator (13) zugeführt wird.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierungsvorrichtung (25) durch einen Meßsignal-

) generator (15) und einen Modulator (14) gebildet wird, in dem das Ausgangssignal des regelbaren Oszillators (13) mit dem Ausgangssignal des Meßsignalgenerators (15) moduliert wird, und daß die erwähnte Vergleichsvorrichtung (26) durch einen phsenempfindlicheii Detektor (18) gebildet wird, von dem ein an den Wechselstromkreis angeschlossener Eingangskreis einen Tiefpaß (16) zum Selektieren des Modulations-.signals enthält, während sein anderer Eingangskreis an den Meßsignalgenerator (15) angeschlossen ist, wobei der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors (18) mit dem regelbaren Oszillator (13) verbunden ist.

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