DE2600890C3 - Ultraschallgenerator mit einem Ultraschallwandler - Google Patents

Ultraschallgenerator mit einem Ultraschallwandler

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Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallgenerator mit einem Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs angegebenen Gattung.
Es ist ein Ultraschallgenerator bekannt, bei dem die Rückkopplung über den Strom am Ultraschallwandler erfolgt und eine Regelung auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers bei verschiedenen Belastungen vorgenommen wird (siehe US- PS 34 47 051).
Weiterhin ist eine Schaltung für Ultraschallwandler bekannt, die automatisch auf die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers eingestellt wird und deren beide Leistungstransistoren abwechselnd, also im Gegentakt, arbeiten (siehe US-PS 38 13 616).
Ein Ultraschallgenerator mit einem Ultraschallwandler der angegebenen Gattung geht aus der DE-OS 23 38 503 hervor und soll im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 1 im einzelnen beschrieben werden, die den Schaltungsaufbau dieses bekannten Ultraschallgenerators zeigt.
Dieser Ultraschallgenerator weist einen Oszillator A mit einer Transistor-Verstärkerstufe in Emitterschallung auf, die einen Gleichspannungs-Sperrkondensator I, einen Transistor 6, dessen Vorspannwiderstände 2 und \, einen weiteren Transistor 8 und dessen Vorspannungswiderstände 4, 5, 7 und 9 enthält; außerdem sind in dem Oszillator A eine Gegentakt-Verstärker-Endstufe mit Transistoren 10 und 11 sowie -Widerslände 12 und 13 und eine Reihenschaltung aus einem Ultraschallwandler 15 und einem Widerstand 16 vorgesehen! diese Schaltung ist über einen Gleichspan" nungs-Sperfkondeiisätor 14 an die Verbindung zwischen den Widerständen1 12 und 13 angeschlossen, so daß die an die an dem Widerstand 16 auftretende !Spannung über den kondensator 1 zur Basis des Transistors 6 zurückgtfkoppelt ist.
Dem Oszillator A wird von einer Gleichstromquelle 29 ein Gleichstrom zugeführt. Da der dynamische Leitwert des Ultraschallwandlers 15 bei seiner Resonanzfrequenz Fo maximal ist, haben auch die mechanisehen Schwingungen des Ultraschallwandlers und der durch den Ultraschallwandler 15 bei der Resonanzfrequenz Fa fließende Strom einen Maximalweii. Dementsprechend wird auch die Spannung an dem Widerstand 16 maximal, so daß der Oszillator A
ίο aufgrund der Rückkopplung der Spannung an dem Widerstand 16 zur Verstärkerstufe automatisch die Schwingungen zurückkuppelt.
Der Oszillator A empfängt seinen Erregerstrom von einem Gleichstromregler, der eine elektrische Spannungsquelle 29, Regeltransistoren 26 und 27, Vorspannungswiderstände 28 und 24, einen Transistor 23, der Störungen sowie den Verstärkungsgrad feststellt, eine eine Bezugsspannung liefernde Z-Diode 25 und einen Kondensator 17 enthält, mit dem Schwingungen unterdrückt werden können. Die Wechselspannung an dem Widerstand 16, deren Größe proportional zu dem durch den Ultraschallwandler 15 fließenden Strom ist, wird durch einen Gleichrichter gleichgerichtet und geglättet Diese Glättungsschaltung weist Dioden 18 und 19 und einen Kondensator 20 auf.
Die Gleichspannung am Kondensator 20 ist ebenfalls proportional zu dem durch Ultraschall wandler 15 fließenden Wechselstrom. Da die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Ultraschallwandlers 15 proportional zu dem durch den Ultraschallwandler fließenden Wechselstrom ist, kann sie konstant gehalten v/erden, wenn die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 29 so gesteuert wird, daß die Gleichspannung an dem Kondensator 20 konstant gehalten werden kann.
Wenn also die Gleichspannung in dem Kondensator 20 durch die Widerstände 21 und 22 geteilt und als Steuer-Eingangsspannungen an die Basis des Transistors 23 angelegt wird, so stellt die Ausgangsspannung des Gleichstromreglers die Steuer-Eingangsspannung dar; d. h. also, daß die Gleichspannung an dem Kondensator 20 konstant ist und die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Ultraschallwandlers 15 konstant geh.ihen werden kann, wie im folgenden noch im einzelnen beschrieben wird.
Da der Widerstand 28 und die Z-Diode 25 mit dem Emitter des Transistors 23 verbunden sind, kann dessen Emitterspannung konstant gehalten werden. Folglich wird der Transistor 23 nicht angeschaltet, wenn die Basisspannung des Transistors 23 seine Emitterspannung nicht übersteigt. Wenn nun Strom von der Spannungsquelle 29 über den Widerstand 24 zur Basis des Transistors 27 fließt, werden die beiden Transistoren 27 und 26 angeschaltet, so daß dem Oszillator A Strom zugeführt werden kann. Wenn die Spannung an dem Widerstand 16 bei Zunahme des durch den Ultraschallwandler 15 fließenden Wechselstroms ansteigt, steigt auch die Basisspannung des Transistors 23 an, wodurch dieser angeschaltet wird. Folglich nimmt der Spannungsabfall an dem Widerstand 24 zu, was wiederum zu einer Spannürigszuriahme z.wischeiüdefn Kollektor Und dem Emitter der Transistoren 26'und 27 führt. Als Ergebnis fällt dann die Ausgangsspannung des Gleich* Stromreglers ab, was wiederum zU einer Abnahme der Amplitude der mechanischen Schwingung des Ultraschallwandlers 15 führt.
Die oben erläuterten Abläufe werden periodisch wiederholt* bis die Steuer^Eingangsspannüng ari der Basis des Transistors 23 einen vorgegebenen Wert
erreicht hat Auf diese Weise kann die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Ultraschallwandlers 15 konstant gehalten werden. Wenn dagegen die Amplitude unter einen vorgegebenen Wert absinkt, kehrt sich der oben beschriebene Ablauf um, wodurch die Amplitude auf den vorgegebenen Wert wieder ansteigt
Wenn eine Reihenschaltung aus einem Widerstand
201 und einem normalerweise geschlossenen Kontakt
202 einer Verzögerungsschaltung 203 parallel zu dem Widerstand 22 liegt, kann die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Ultrschallwandlers 15 größer gemacht werden als im stationären, eingeschwungenen Zustand; sie kann jedoch auf einen vorgegebenen Pegel gesenkt werden, wenn der normalerweise geschlossene Kontakt 202 nach einer vorgegebenen Zeitspanne geöffnet wird. Dies ist dann zweckmäßig, wenn der Ultraschallgenerator in eine Einrichtung zur Verbrennung von flüssigem Brennstoff eingebaut ist, da bei der ersten Inbetriebnahme einer solchen Einrichtung die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs mit Schwingungen größerer Amplitude durchgeführt werden muß, damit der flüssige Brennstoff zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach der Inbetriebnahme zerstäubt wird.
Wie bereits oben kurz angedeutet wurde, wird bei dem bekannten Ultraschallgenerator der durch den Ultraschallwandler 15 fließende Wechselstrom in eine Spannung umgewandelt, die zu dem Gleichstromregler zurückgekoppelt ist Aus diesem Grunde ist ein Leistungstransistor erforderlich, der auch Stöme höherer Leistung verarbeiten kann; außerdem wird eine große Zahl von Widerständen benötigt. Aus diesem Grunde war es bisher sehr schwierig, einen solchen Ultraschallgenerator mit kompakten und einfachem Aufbau herzustellen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallgenerator mit einem Ultraschallwandler der angegebenen Gattung zu schaffen, der einen einfachen, kompakten Aufbau mit wenigen Bauteilen hat.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß nur wenige, leicht zu miniaturisierende Bauteile erforderlich sind, um den Ultraschallwandler mit Schwingungen konstanter Größe zu betreiben: deshalb läßt sich ein solcher Ultraschallgenerator sehr kompakt auslegen, so daß Volumen smd Gewicht äußerst gering sind. Da nur wenige Bauteile benötigt v/erden, können auch die Herstellungskosten im Vergleich mit den bekannten Ultraschallgeneratoren gesenkt werden. Weiterhin arbeitet ein solcher Ultraschallgenerator v/eitgehend störungs- und damit auch wartungsfrei, da die wenigen benötigten elektronischen Bauelemente sehr zuverlässig sind. Und schließlich läßt sich ein solcher Ultraschallgenerator auch bei den üblichen Einrichtungen zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff einsetzen, da er alle gestellten Sicherheitsanforderungen erfüllt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 den Schaltungsaufbau einer bekannten Aüsführungsform eines Ultraschallgenerators,
Figi2 die Grundschaltung eines Ultraschallgenerators nach der vorliegenden Erfindung,
Fig,3 eine Mödifikä'jfm des Ultraschallgenerators nach F i g. 2 und
Fig.4 eine Einrichtung zum Zerstäuben von flüssigem Brennstoff, die mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallgenerator versehen ist
Bei der in Fig.2 dargestellten Grundschaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallgenerators sind die Teile, die bereits bei dem bekannten Ultraschallgenerator in F i g. 1 dargestellt wurden, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sie hier nicht nochmals im Detail erläutert werden sollen.
Dabei sind mit dem Kollektor des Transistors 8 die Anode einer Diode 37 und die Kathode einer Diode 40 verbunden, während mit der Kathode der Diode 37 die Basis des pnp-Transistors 10 und die Kathode einer Diode 38, beispielsweise einer Z-Diode, verbunden sind, um eine konstante Spannung zu liefern. An die Anode der Diode 40 sind die Basis des npn-Transistors 11 und die Anode einer Diode 39, bspw einer Z-Diode angeschlossen; die Anode der Z-i>iode 38 und die Kathode der Z-Diode 39 sind an die Verbindung zwischen den Widerständen 12 und 13 angeschlossen.
Bei dieser Ausführungsform fließt der konstante Strom in beiden Richtungen durch den Ultraschallwandler 15.
Im folgenden soll die Funktionsweise der Grundschaltung erläutert werden. Der über den Widerstand 12 fließende Stom /, und der über den Widerstand 13 fließende Strom h lassen sich durch folgende Gleichungen wiedergeben:
- J
wobei Vßt ι die Basis/Emitter-Spannung des Transistors 10, VBt 2 die Basis/Emitter-Spannung des Transistors 11, Vz\ die Durchbruchspannung der Z-Diode 38 und V^2 die Durchbruchspannung der Z-Diode 30 sind.
Bei der in F i g. 2 dargestellten Schaltung heben eine
Änderung der Durchbruchspannung und eine Änderung der Basis/Emitter-Spannung des Transistors infolge einer Temperaturänderung einander auf, sr» daß die Spannungen (V/i-Vsn) und (V,2-VBn) in den Gleichungen (1) und (2) immer konstant sind. Infolgedessen sind auch die durch die Gleichungen (1) und (2) wiedergegebenen Stöme /2und //konstant.
Der Transistor 10, der Widerstand 12 und die Z-Diode 38 bilden also einen ersten Stromregler, während der Transistor 11, der Widerstand 13 und die Z-Diode einen zweiten Stromregler bilden
Der npn-Transistor 10 und der pnp-Transistor 11 bilden eine komplementäre B-Verstärkerschaltung, in der die Transistoren 10 und 11 nicht nur zur Leistungsverstärkung, sondern auch zur Phasenumkehr an- und abgeschaltet werden. Das heißt, entsprechend dem An- und Abschalten des Transistors 8 werden die Transistoren 10 und 11 abwechselnd an- und ausgeschaltet.
Auf diese Weise kann der Ullrasehallwandler 15 mit konstantem Strom betrieben werden. Die Dioden 37 Und 40 sind so geschaltet, daß sie die einwandfreie Arbeitsweise der Z-Dioden 38 und 39 gewährleisten, wenn der Transistor ? an^ und abgeschaltet ist Wenn die Dioden 37 und 40 nicht miteinander verbunden sind und wenn der Transistor 8 angeschaltet wird, ist die Spannung an der Basis des Transistors 10 und an der Verbindung zwischen den Widerständen 12 und 13 nicht gleich der Durchbruchsppnnung dev Z-Diode 38,
sondern stellt die Durchbruchspannung der Z-Diode 39 dar.
Es läßt sich also erkennen, daß durch die Anschaltung von zwei Dioden und zwei Z-Dioden an den Oszillator A nach Fig; 1 der Ultraschallgenerator mit konstantem Strom betrieben wird.
Ein Stromregler mit zwei Pegeln kann gebildet Werden, indem eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 16, normalerweise geschlossenen Ruhekontakten 62 und 63 und einem Widerstand 61 parallel zu den Widerständen 12 und 13 geschaltet wird. Wenn dieser Stromregler mil zwei Pegeln über einen entsprechenden Zeitgeber oder eine Verzögerungsschaltung mit dem Ultraschallgenerator verbunden ist, wird der Ultraschallwandler 15 eine genau definierte Zeitspanne nach der Inbetriebnahme mit hohem Strom betrieben.
Die Spannung an dem Widerstand 16, die proportional zu dem durch den Ultraschallwandler 15 fließenden Strom ist, kann auf die Basis des Transistors 6 zurückgekoppelt werden, damit der Ultraschallwandler 15 auf seiner Resonanzfrequenz schwingt.
In Fig.3 ist eine Modifikation der Grundschaltung des Ultraschallgenerators nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei welcher der konstante Strom nur in einer Richtung durch den Ultraschallwandler 15 fließt. Die Anode einer Z-Diode 41 ist an die Verbindung zwischen dem Kollektor des Transistors 8 und dem Widerstand 9 angeschlossen, während ihre Kathode mit der Kathode einer Diode 42 verbunden ist, deren Anode wiederum an die Verbindung zwischen den Widerständen 12 und 13 angeschlossen ist Der über den Widerstand 13 fließende Strom wird dann durch die folgende Gleichung gegeben:
V0- VBE)/R[A],
wobei V> die Durchbruchspannung der Z-Diode 41, Vp die Durchbruchspannung der Diode 42, Vbe die
Äj- S"£nrt"n" de
s^^istcs ί ί —nd R der
Widerstandswert des Widerstands 13 sind.
Da die Durchbruchspannung Vp der Diode 42 und die Basis/Emitterspannung VW des Transistors 11 bei gleichen Werten im wesentlichen gleiche Kenndaten aufweisen, so daß sie einander aufheben, kann die Gleichung (3) auf folgende Gleichung zurückgeführt werden:
I = V7]R [/1] .
Infolgedessen ist die Durchbruchspannung der Z-Diode 41 konstant, so daß auch der über den Widerstand 13 fließende Strom konstant isL Folglich arbeiten der Transistor 11, der Widerstand 13 und die Dioden 41 und 42 als Stromregler, während der Transistor 10 und der Widerstand 12 als Schaltanordnung dienen, wodurch sich der über den Widerstand 12 fließende Strom ändert Folglich hat der in Fig.3 dargestellte Oszillator einen Wirkungsgrad, der etwas kleiner ist als der des in F i g. 2 dargestellten Oszillators. Die Anzahl der Bauelemente des in F i g. 3 dargestellten Oszillators ist nur um zwei größer als die des in F i g. 1 dargestellten Oszillators A.
Wie bei dem Oszillator nach F i g. 2 kann in F i g. 3 eine Reihenschaltung aus einem normalerweise geschlossenen Ruhekontakt 65 und einen Widerstand 64 parallel zu dem Widerstand 13 geschaltet seirij so daß die Amplitude der mechanischen Schwingungen des Ültraschallwäridlers i4 eine vorbesijitimte Zeitspanne nach der Inbetriebnahme erhöht werden kann.
Als Alternative zu def dargestellten Ausführurigsform kann auch auf die Verwendung des Rühekontaktes 65 und des Widerstandes 64 verzichtet werden, so daß also der Kondensator 14 nur direkt an die Verbindung zwischen den beiden Widerständen 12 und 13 angeschlossen wird.
In Fig.4 ist eine Einrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten dargestellt, welche den Ultraschallgenerator nach der Erfindung mit dem Oszillator nach F i g. 3 enthält. Im einzelnen weist die Einrichtung folgende Teile auf: Einen Netztransformator 101 für die Abgabe einer entsprechenden Spannung an den in seiner Gesamtheit mit B bezeichneten Ultraschallgenerator; einen Vollweggleichrichter 102; einen Glättungskondensator 103, ein solenoidbetätigtes Ventil 105, das elektrisch mit einer Wechselspannungsquelle (AC) verbunden ist, mit welchem der der Zerstäubungseinrichtung zuzuführende Brennstoff gesteuert wird; eine Verzögerungsschaltung 104, welche parallel zu dem solenoidbetätigten Ventil 105 liegt und einen normalerweise geschlossenen Ruhekontakt 65 hat, welcher eine yorbestimmte Zeitspanne nach dem Ingangsetzen der Zerstäubuiigseinrichtung geöffnet wird; einen elektrostriktiven Ultraschallwandler 15 mit dem Abstrahler 106; und ein Rohr 107 zum Zuführen der Flüssigkeit.
Abgesehen von der Spannungsquelle 29 entspricht der Ultraschallgenerator B im wesentlichen dem in Fig. 3 dargestellten Generator.
Nachfolgend wird nunmehr die Arbeitsweise dieser Einrichtung beschrieben. Die Wechselspannung, die proportional zu der Wechselspannung an der Primärwicklung des Transformators 101 ist, wird in dessen Primärwicklung induziert; die induzierte Spannung wird mittels des Vollweggleichrichters 102 gleichgerichtet und mittels des Glättungskondensators 103 geglättet, wodurch ein Gleichstrom in den Ultraschallgenerator B ηΐ~ηνηοίι<( nttfA Πα» oloL-trrvrf«mL·»««» T Hfl-ap^Kolliitqπ/4.
ler 15 wird so gesteuert, daß sich der entsprechende Betrieb des abstrahlenden Wandlers 106 ergibt Sofern die Verzögerungsschaltung nicht erregt wird, wird der normalerweise geschlossene Kontakt 65 geschlossen gehalten, so daß dem Ultraschallwandler 15 ein hoher Treiber- oder Steuerstrom zugeführt wird.
Wenn das Ventil 105 betätigt und dadurch geöffnet wird, wird dem Ultraschallstrahler 106 die Flüssigkeit
so zugeführt und dadurch zerstäubt Wenn dann c/ie Verzögerungsschaltung 104 angeschaltet wird, wird der normalerweise geschlossene Kontakt 65 geöffnet, so daß dem Ultraschallwandler 15 der normale Steuerstrom zugeführt wird, um die optimale Zerstäubung der Flüssigkeit zu erreichen.
Die Steuerschaltung, die aus der Verzögerungsschaltung 104 und dem normalerweise geschlossenen Ruhekontakt 65 besteht, dient dazu, den Stromregler mit zwei Regem zu steuern. Eine vorbestimmte Zeitspanne lang nach der Inbetriebnahme der Zerstäubungseinrichtung fließt ein hoher Treiberstrom durch den Wandler, was mechanische Schwingungen mit großer Amplitude zur Folge hat, so daß die Hystereseprobleme, welche in der Anfangsstufe der Zerstäubung auftreten, vermieden werden. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne wird dann der normale niedrige Treiberstrom zugeführt, so daß sich die Zerstäubung stabDisieren und weiterlaufen kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Ultraschallgenerator mit einem Ultraschallwandler, der bei Resonanzfrequenz maximalen dynamischen Leitwert aufweist, mit einer den Ultraschallwandler speisenden, transformatorlosen Gegentakt-Ercdstufe, bestehend aus einem Transistor und einem ersten, mit dem Emitter des ersten Transistors verbundenen Widerstand, aus einem zweiten Transistor und einem zweiten, mit dem Emitter des zweiten Transistors verbundenen, in Reihe zu dem ersten Widerstand liegenden Widerstand, bei der die Basis des zweiten Transistors unter Bildung einer komplementär-symmetrischen Schaltung mit der Basis des ersten Widerstandes gekoppelt ist, und mit einer Rückkopplungsschaltung, die eine zu dem durch den UltraschaUwandler fließenden Wechselstrom proportionale Wechselspannung ableitet ind diese Wechselspannung auf den Eingang der Gegentakt-Endstufe zurückkoppelt, gekennzeichnet durch ein Konstantspannungs-Element (38,39; 41, 42; 66, 67) zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände (12,13) und der jeweiligen Basis der beiden Transistoren (10,11), und durch eine mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers (15) geschaltete Steuerschaltung (8, 37, 38, 39,40; 8, 41, 42) zum abwechselnden Durchschalten der beiden komplementären Transistoren (10,11).
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