DE2535807A1

DE2535807A1 - Anregeschaltung fuer piezoelektrisches schwingsystem

Info

Publication number: DE2535807A1
Application number: DE19752535807
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Dipl Phys Drews; Max Dr Rer Nat Guntersdorfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-11
Filing date: 1975-08-11
Publication date: 1977-02-24
Also published as: AT351782B; CH604929A5; DK354876A; ATA560476A

Description

Anregeschaltung für piezoelektrisches Schwingsystem Die Erfindung betrifft eine Anregeelektronik für piezoelektrisches Schwingsystem zur Flüssigkeitszerstäubung.
In der deutschen Offenlegungsschrift 2 308 584 (YPA 73/7020) ist ein derartiges piezoelektrisches Schwingsystem beschrieben. Ein piezoelektrischer Wandler wird von einer Wechsel spannung zu Ultraschallschwingungen angeregt. Der Wandler ist an der Grundfläche eines Regelförmigen, massiven Schallübertragers angeordnet, an der Spitze des Schallübertragers befindet sich eine Zerstäuberplatte. Durch den piezoelektrischen Wandler werden im Schallübertrager 3iegeschiingungen erzeugt, die mit erhöhter Amplitude auf die Zerstäuberplatte übertragen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine außerordentlich einfach aufgebaute Anregeelektronik für ein derartiges Schwingsystem anzugeben, wobei die Anregeelektronik nur eine Betriebsspannung zwischen 6 bis 12 V Gleichstrom benötigen soll, und wobei Verschiebungen der Resonanzfrequenz des Schwingsystems zu keinerlei Störungen führen soll.
Diese Aufgabe wird durch eine Anregeelektronik gelöst, die entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 ausgebildet ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt ein Schaltbild der Anregeelektronik. Für den Zerstäuber 1 ist dabei dessen Ersatzschaltbild eingesetzt.
Elektrisch verhält sich der Zerstäuber wie eine Kapazität 10, zu der eine weitere Kapazität 11 und eine Induktivität 12 und ein ohinscher Kontakt 13 parallel geschaltet sind. Die Kapazität 10 hängt im wesentlichen von der elektrischen Kapazität der Piezokeramik des Zerstäubers ab und wird dementsprechend "elektrische Kapazität genannt. Die Kapazität 11, die Induktivität 12 und der Widerstand 13 werden durch die mechanischen Eigenschaften des Zerstäubers, insbesondere durch seine mechanische Trägheit, bestimmt, dementsprechend spricht man von "mechanischer Kapazität" und "mechanischer Induktivität".
Die eigentliche Anregeelektronik besteht aus nur fünf Schaltungselementen, einem Ankopplungstransformator 2, einem Rückkopplungstransformator 3, einem Kondensator 4, einem Transistor 5 und einem Widerstand 6.
Die Schaltung ist in der folgenden Weise aufgebaut; Zwischen den Anschlußklemnien 100, 101 liegen der Widerstand 6, die Sekundärspule 31 des Transformators 3 und der Kondensator 4.
Dazu parallel liegen die Primärspule 32 des Transformators 3, der Transistor 5 und die Primärspule 21 des Übertragungstransformators 2. Dabei ist der Emitter des Transistors mit der Spule 32 verbunden, der Kollektor mit der Spule 21, die Basis des Transistors ist zwischen dem Widerstand 6 und der Spule 31 angeschlossen.
Diese Schaltung kann mit Gleichspannungen zwischen 6 V bis 12 V betrieben werden, äenachdem welches Ubersetzungsverhältnis für den Ankopplungstransformator 2 ausgewählt wird.
Die Anregungsfrequenz für den Zerstäuber wird im wesentlichen durch den aus der Spule 31 und dem Kondensator 4 bestehenden Serienresonanzkreis vorgegeben.
Da der Ultraschallschwinger über den Ankopplungstransformator 2 nur induktiv an die Anregeschaltung angekoppelt ist, sind vorteilhafterweise alle Sicherheitsvorschriften für Berührungsschutz gut erfüllt.
Die durch den Transformator 3 erreichte Stromrückkopplung führt zu einer hohen Stabilisierung des Zerstäuberbetriebes, wobei alle Schwankungen der Resonanzfrequenz des Zerstäubers, die beispielsweise durch Erwärmung, fertigungsbedingte Streuung und unter dem bedämpfenden Einfluß der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf dem Zerstäuber entstehen können, ausgeglichen werden.
Der Zerstäuber besitzt zwei Resonanzfrequenzen, eine sogenannte Serienresonanz wobei f11,12 die Frequenz ist, und wobei CII die Kapazität 11 ist und wobei L12 die Induktivität 12 ist. Weiterhin besitzt der Schwinger die sogenannte Parallelresonanz bei der Frequenz wobei C10 die Kapazität 10 ist.
Da die Impedanz des Zerstäubers im Falle der Serienresonanz ein Minimum erreicht, so daß bei vorgegebener Spannung am Schwinger eine hohe Leistung aufgenommen wird, ist vorgesehen, die Anregungselektronik bei dieser Frequenz zu betreiben und dementsprechend auszulegen.
Die Schaltungselemente der Anregungselektronik sind so zu bemessen, daß gilt: Dabei bezeichnen C jeweils eine Kapazität und L eine Induktivität, die Indices bezeichnen die jeweiligen Positionen in der Figur.
Das Verhältnis der Windungszahlen N der Sekundär- und Primärspule N31/N32 des Transformators 3 ist dabei annährend gleich dem Stromverstärkungsfaktor des Transistors 5.
Wird der Zerstäuber belastet oder erwärmt, so wird dieses Schwingsystem geringfügig verstimmt, da sich die mechanische Induktivität und Kapazität verändern: Der zweite Quotient in der oben genannten Bedingungsgleichung wird kleiner. Dadurch wird die Impedanz zwischen Kollektor und dem Anschluß 100 größer.
Gleichzeitig wird die Impedanz des aus der Primärspule 31 und dem Kondensator 4 bestehenden Serienschwingkreises niedriger. Damit wird das Potential an der Basis des Transistors trotz geringerer Kollektor- bzw. Emitterströme sehr wenig verändert. Die absinkende Frequenz des Zerstäubers bewirkt also einen aktiven Rückkopplungsmechanismus.
Außerdem muß erreicht sein, daß bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz für den Zerstäuber eine möglichst geringe Phasenverschiebung zwischen Strommaxima und Spannungsmaxima am Zerstäuber entstehen. Wie eingangs bereits angegeben, ist die vorgesehene Betriebsfrequenz: Wenn bei dieser Frequenz keine Phasenverschiebungen auftreten sollen, muß zumindest annähernd die Bedingung erfüllt sein: C10L22 = L12C11 .
Damit wird erreicht, daß der Zerstäuber auch dann genügend Leistung aufnehmen kann, wenn die Resonanzfrequenz des Schwingers, wie oben beschrieben, etwas verändert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Anregeelektronik kann also eine Zerstäubereinheit gebaut werden, die durch Störeinflüsse, wie Erwärmung oder unregelmäßige Flüssigkeitszufuhr an den Schwinger, in ihrer Funktion nicht beeinflußt wird, denn die die Resonanzfrequenz unterstützende Stromrückkopplung sichert auch bei Bedämpfung des Zerstäubers den Betrieb. Da die Anregeelektronik nur aus einer geringen Zahl von Bauelementen besteht, kann ein sehr geringes Bauvolumen und ein außerordentlich günstiger Preis erreicht werden. Die Anregeelektronik arbeitet mit Niederspannung.
2 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentansprüche t1.)Anregeelektronik für einen Ultraschallschwinger, bei dem die Schwingungen mit piezokeramischen Mitteln erzeugt werden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Ultraschallschwinger über einen Ankopplungstransformator (2) induktiv an die Anregeelektronik angekoppelt ist, daß die Anregeelektronik einen Transistor (5) besitzt, daß im Kollektor-Basis-Kreis dieses Transistors die Primärspule (21) des Ankopplungstransformators (2) und ein Widerstand (6) liegt, wobei zwischen der Primärspule und dem Widerstand ein Anschluß (100) zur Zuführung der Betriebsspannung liegt, und daß im Basis-Emiter-Kreis dieses Transistors ein Rückkopplungstransformator (3) liegt, wobei zwischen der Sekundärspule (31) und der Primärspule (32) dieses Transformators ein Kondensator (4) liegt, und wobei zwischen diesem Kondensator (4) und der Sekundärspule ein weiterer Anschluß (111) zur Zuführung der Betriebsspannung angeordnet ist, und daß die Elemente der Anregeschaltung so bemessen sind, daß gilt: (C4L31)-1/2 < (C11L12)-1/2 < (C10L22)-1/2 und C10L22 # Kapazität L12C11 wobei mit C4 die Kapazität des Kondensators (4), mit L31 die Induktivität der Sekundärspule (D') des Rückkopplungstransformators (3) und mit L22 die Induktivität der Sekundärspule (22) des Ankopplungstransformators (2) bezeichnet sind, und wobei C10 die elektrische Kapazität, C11 die mechanische Kapazität und L12 die mechanische Induktivität des Ultraschallschwingers (1) sind.
2. Anregeelektronik nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß als Betriebsspannung eine Gleichspannung zwischen 6 bis 12 V vorgesehen ist.

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