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Schaltungsanordnung für einen magnete
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striktive« Ultraschallschwinger Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
für einen magnetostriktiven Ultraschallschwinger, welcher als auswechselbarer Instrumenteneinsatz
einer in einem Handstück angeordneten Spule ausgebildet ist, wobei diese Handstückspule
von einem auf Resonanzfrequenz abgestimmten frequenzveränderbaren Ultraschallgenerator
gespeist wird.
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Ultraschallschwinger werden für zahnmedizinische, medizinische oder
kosmetische Zwecke in verschiedenen Ausführungsformen und Schaltungsanordnungen
benutzt.
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Bei der zahnmedizinischen Ausbildung nach der DE-OS 21 45 924 ist
ein in ein Handstück einsetzbarer Instrumenteneinsatz vorgesehen, der durch einen
Schwingquarz in Schwingungen versetzt wird. Ein solcher Schwingquarz zeigt eine
scharf ausgeprägte Resonanzfrequenz, auf die der Instrumententeil als mechanischer
Schwinger abgestimmt sein muß. Der Austausch unter Verwendung auswechselbarer Instrumenteneinsätze
ist bei dieser vorbekannten Anordnung nicht vorgesehen und wäre im übrigen nur dann
möglich, wenn der jeweils verwendete Instrumenteneinsatz sehr genau auf die Resonanzfrequenz
des Schwingquarzes abgestimmt würde.
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Zum Stande der Technik gehören ferner Instrumenteneinsätze auf magnetostriktiver
Basis, bei denen an dem Instrumentenvorderteil ein Lamellenbündel aus magnetostriktivem
Material, beispielsweise aus Nickel oder Ferrit, als Schwinger angeordnet ist. Derartige
Instrumenteneinsätze sind in eine im Handstück angeordnete Spule einsteckbar und
mit verschiedenen Instrumentenvorderteilen auswechselbar. Die zugehörige Schaltungsanordnung
erzeugt einen engen Xesonanzfrequenzbereich, in dem der Instrumenteneinsatz -wirksam
arbeitet.
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Da die Resonanzfrequenz des Instrumenteneinsatzes nicht nur von der
konstruktiven Ausbildung des Schwingers sondern auch von der Form des Instrumentenvorderteils
und von dessen Belastung abhängt, besteht die Gefahr, daß die mechanische Resonanzfrequenz
des Schwingers von der Resonanzfrequenz des Ultraschallgenerators so weit abweicht,
daß die Schwingung abbricht.
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Bei schaltungstechnisch einfacher ausgebildeten Geräten ist es daher
erforderlich, nach Austausch eines Instrumenteneinsatzes die Resonanzfrequenz manuell
auf optimale Schwingungsamplitude abzustimmen. Schaltungstechnisch aufwendigere
Geräte besitzen eine automatische Frequenzabstimmung, bei der in der Schaltung eine
Hittenfrequenz erzeugt wird, die auf die Resonanz frequenz des jeweils in die Handstückspule
eingesetzten Instrumenteneinsatzes nachgestimmt wird. Da die Instrumenteneinsätze
als mechanische Schwinger nur eine relativ geringe Frequenzbandbreite aufweisen,
beschränkt sich die Nachstimmmöglichkeit auf die Verwendung der vom Gerätehersteller
mitgelieferten, konstruktiv angepaßten Instrumenteneinsätze. Bei stärkerer Abnutzung
oder Verformung des Instrumentenvorder teils, sowie bei höherer Belastung im Anpreßdruck
kann die Frequenzbandbreite der automatischen Nachstimmung überschritten werden,
so daß die Schwingungen des Instrumenteneinsatzes abreissen.
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Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Schaltungsanordnung
für einen magnetostriktiven Ultraschallschwinger der eingangs angegebenen Art so
weiterzubilden, daß Schwingereinsätze der verschiedensten Ausführungen, beispielsweise
Lamellenbündel mit unterschiedlicher Länge, Dicke oder unterschiedlicher Lamellenanzahl,
sowie die Instrumentenvorderteile in beliebiger Formgestaltung und mit frei wählbarem
Auflagedruck verwendet werden können, wobei die Schaltungsanordnung eine optimale
Anfachung der Ultraschall schwingungen ermögliches Die Lösung dieser Aufgabenstellung
erfolgt dadurch, daß eine elektrische Kenngröße der mit dem Instrumenteneinsatz
bestückten Handstückspule als die Resonanzfrequenz frei bestimmende Größe in die
Schaltung des Ultraschallgenerators eingeführt wird.
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Während die vorbekannten Anordnungen von einer dem Ultraschallgenerator
eingeprägten Resonanzfrequenz (Mittenfrequenz) ausgehen, die lediglich innerhalb
eines engen Bereiches nachgestimmt werden kann, ist es für die vorliegende Erfindung
wesentlich, daS erst die mit dem Instrumenteneinsatz oder mit einem sonstigen Schwingereinsatz
bestückte Handspule und deren elektrische Größen, vorzugsweise ihre Induktivität,
die Resonanzfrequenz frei bestimmen. Damit wird ein weiter Anpassungsbereich, z.B.
zwischen 18 - 25 kilz erzielt, ifl dem jeweils für jeden Instrumenteneinsatz bzw.
für
die durch seine Handhabung bedingte Änderung der mechanischen
Resonanzlage eine angepaßte elektrisch erregte Ultraschallschwingung erzeugt wird.
Dies bedeutet den wesentlichen Vorteil, daß nicht nur Instrumenten- und Schwingereinsätze
verschiedener Form und Größe und mit sehr unterschiedlichen Maßen verwendet werden
können, sondern daß auch llandstückspulen mit Instrumenteneinsätzen anderer Hersteller
bestückt werden können, wodurch der Anwendungsbereich der Geräte und die freie Wahlmöglichkeit
zwischen den Instrumenteneinsätzen wesentlicb vergrößert wird.
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Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung kann als Ultraschallgenerator
eine Flip-Flop-Schaltung vorsehen, bei der zur Frequenzbestimmung eine vom induktiven
Laststrom der Handstückspule abhängige RC-Rückkopplung mit zwei verschiedenen Zeitkonstanten
vorgesehen ist. Eine solche Schaltung erzeugt elektrische Spannungsimpulse, die
in ihrer Impulsfolgefrequenz und Impulsdauer von den RC-Rückkopplungsgliedern bestimmt
werden. Grundvoraussetzung ist es dabei, daß die ind-uktive Last spannung bzw. der
induktive Laststrom an der Handstücspülewäh rend der Impulsdauer wesentlich abfällt,
so daß dieser Abfall zur Umschaltung innerhalb des Ultraschallgenerators benutzt
werden kann. Die angegebene Schaltung kann u.U. auch zur Impulserzeugung für andere
Anwendungsfälle zweckmäßig sein, bei denen z.B. an ohmscher -Last ein lastabhängiger
Spannungs- oder Stromabfall eintritt.
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Eine zweckmißige Schaltungsanordnung sieht vor, daß für den Ultraschallgenerator
nur eine einseitig positive Versorgungsspannung verwendet wird. Dadurch wird eine
positive Eingangsspannung am invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers
durch die Umladung eines Kondensators unter das Nullpotential abgesenkt, so daß
die Aus gangsspannung des Operationsverstärkers einen positiven Spannungsimpuls
liefert, wobei das eine RC--Glied die Impulsdauer bestimmt, während das andere RC-Glied
die positive Vorspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers wieder
herstellt und dadurch die Impulsfolgefrequenz bestimmt.
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Hierzu kann der invertierende Eingang des Operationsverstärkers zweckmäßig
mit einem derart geschalteten RC-Rückkopplungsglied verbunden sein, welches einen
vom Laststrom der Hanitzkspule während der Einzeit der Puls spannung durchflossenen
Widerstand aufweist, dessen Spannungsabfall zur Ladespannung des Kondensators addiert
wird und bei dem am Ausgang des Operationsverstärkers ein die Impulsspannung kurzsWhlies
sender Transistor vorgesehen ist, der in seiner Sperrstellung die Pulsspannung auf
zwei parallelliegende Transistoren durchschaltet, welche in der Sperrstellung dieses
Transistors ihrerseits auf Durchlaß geschaltet werden, und die damit den lastabhängigen
Spannungsabfall am Widerstand an den Kondensator des RC-Rückkopplungsgliedes und
die Puls spannung an die
Handstückspule legen.
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Zur Erzeugung einer günstigen Schwingungsfrequenz für einen magnetostriktiven
Ultraschallschwinger kann es ferner zweckmäßig sein, die Impuls höhe in Verbindung
mit der Impulsfolgefrequenz so zu wählen, daß eine ausreichende Gleichspannungsvormaguetisierung
des in die Handstückspule eingesetzten Ultraschallschwingers erreicht wird.
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Die Intensitätssteuerung der Ultraschallschwingung erfolgt in der
vorliegenden Schaltung zweckmäßig durch eine entsprechende Veränderung der Impulsbreite.
Dies kann vorteilhaft durch einen einstellbaren Widerstand im Bereich des die Impulsdauer
bestimmenden RC-Rückkopplungsgliedes erreicht werden. Die Intensitätssteuerung kann
dabei so aufgebaut werden, daß parallel zu dem einen Widerstand des die Impulsdauer
bestimmenden RC-ESückkopplungsgliedes eine Xeihenschaltung aus einem einstellbaren
Widerstand und einer Diode vorgesehen ist. Die Diode bewirkt, daß die ParallelsGhaltung
dieses einstellbaren Widerstandes nur in der.-einen Stromrichtung wirksam wird.
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Durch die Anwendung der Merkmale der Erfindung ergibt sich eine Schaltungsanordnung-fiir
einen magnetostriktiven Ultraschallschwinger, die in der Hanastü-ckspule die Verwendung
der verschiedensten Schwingereinsätze, insbesondere Instrumenteneinsätze erlaubt,
wobei sich
die Schaltung jeweils automatisch auf die mechanische
Resonanzfrequenz des Schwingers bzw. des Instrumenten einsatzes abstimmt und einer
Änderung dieser Resonanzfrequenz in relativ weiten Grenzen kontinuierlich folgt.
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Die Erfindung soll nachfolgend durch ein Schaltungsbeispiel näher
erläutert werden; es zeigen: Fig. 1 eine schematische Schaltungsanordnung gemäß
der Erfindung, Fig. 2 eine Darstellung der wichtigsten Spannungsimpulse.
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Am Eingang Uv der in Fig. 1 dargestellten Schaltung kann eine beliebige
Gleichspannungsquelle, vorzugsweise ein mit Transformator und Brückengleichrichter
bestückter Netzteil angelegt werden. Der Eingang ist mit einem RC-Glied R1, C1 versehen,
dem eine Zenerdiode Z1 mit Vorschaltwiderstand R2 nachgeschaltet ist, welche die
konstante Spannungsversorgung eines Operationsverstärkers OP übernimmt.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist über ein RC-Glied R3,
3 mit einem Transistor T1 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 114
an der konstanten Versorgungsspannung liegt. Der Kollektor steht t
außerdem
über zwei parallelliegende Widerstände R5, R6 mit Schalttransistoren T2, T3 in Verbindung,
wobei dem Kollektor von T3 ein Widerstand R7 vorgeschaltet ist, welcher zusammen
mit dem einstellbaren Widerstand R8 und dem Kondensator C2 ein RC-Rückkopplungsglied
bildet, welches die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
bestimmt.
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Der Emitter des Transistors T2 ist mit einem Widerstand N verbunden,
welcher dem Kondensator C2 vorgeschaltet ist. Unmittelbar hinter R1 ist eine Handstückspule
L angeschlossen, in der ein auswechselbarer Instrumenteneinsatz mit lamelliertem
Schwinger I angedeutet ist. An diesem Schwinger I ist ein Instrumentenvorderteil
V angesetzt. Zum Schutz des Transistors T2 vor induktiven Spannungsspitzen ist eine
Reihenschaltung aus einem Widerstand R10 und einer Diode D vorgesehen.
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Die Intensitätsregelung der Ultraschallschwingung durch Änderung der
Impulsbreite kann durch Änderung des Basisstroms an T2 über den einstellbaren~Widerstand
R6 erfolgen. Eine andere gegebenenfalls zweckmäßiger Möglichkeit besteht darin,
parallel zu dem zum Grundabgleich einstellbaren Widerstand R8 eine Reihenschaltung
aus einem einstellbaren Widerstand R. und einer Diode D2 zu legen.
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Nachfolgend soll die Schaltungsfunktion erläutert werden.
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Beim Einschalten der Versorgungsspannung Uv tritt am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers OP eine positive Eingangsspannung auf, die sich
über das RC-Rückkopplungsglied aus R7, 118 und C2 aufbaut. Der Ausgang des Operationsverstärkers
OP fällt dadurch auf Null-Potential. Damit wird der Transistor T1 gesperrt, während
die Transistoren T2 und T3 auf Durchlaß schalten. Dadurch liegt eine Puls spannung
UL an der Handstückspule L an. Der hiervon hervorgerufene induktive Laststrom erzeugt
einen Spannungsabfall UF an gr dessen Größe von der Induktivität der Last abhängig
ist.
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Die Induktivität ist jedoch ihrerseits von der Konstruktion des Instrumenteneinsatzes,
der Länge des Lamellenbündels, aber auch von der mechanischen Belastung abhängig.
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Diese Spannung UF addiert sich zu der Spannung Uc am Kondensator 02
und beträgt somit Uc + UF. Da der Transistor T3 gleichzeitig auf Durchlaß geschaltet
ist, beginnt jedoch eine Umladung des Kondensators C2 über den Widerstand 118. Diese
Umladung erfolgt so lange, bis Uc gleich UF wird, so daß der Ladestrom seinen Nullwert
erreicht. In diesem Falle ist die positive Eingangsspannung am invertierenden Eingang
des OP-Verstärkers
ebenfalls auf Null abgesunken.
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Wegen der Lastabhängigkeit der Versorgungsspannung, bewirkt durch
R1 und als fällt während dieses oben beschriebenen Vorgangs auch die Spannung UL
an der Handstückspule ab, und damit wird auch die Spannung UF an 119 während der
Pulseinschaltdauer fortgesetzt kleiner (vergleiche Figur 2). Dadurch kehrt sich
der ladestrom von C2 über R8 um, so daß auch der Spannungsabfall an R8 das Vorzeichen
wechselt. Die Eingangsspannung am invertierenden Eingang des OP-Verstärkers fällt
damit unter das Null-Potential und wird negativ. Als Folge hiervon schalt der OP-Verstärker
seinen Ausgang hoch. Der Transistor T1 wird auf Durchlaß geschaltet, während die
Transistoren T2 und Tf nunmehr sperren. Die Ein-Zeit der Pulsspannung ist damit
beendet und die Einschaltdauer der Impulsspannung zeigt sich als abhängig von dem
RC-Rückkopplungsglied aus C2 und R8 sowie von der lastabhängigen Spannung UF. Die
Ausnutzung dieser lastabhängigen Spannung UF bildet die wesentliche Grundlage für
die Umladung des Kondensators C2 und damit für die Schwingungsanfachung mit Hilfe
des umgesteuerten -Eingangs am Operationsverstärker OP.
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Nach Beendigung der Einschaltdauer der Puls spannung verschwindet
auch die Spannung UF 119 wegen der Sperrung des Transistors T2. Die Spannung am
Kondenssator. C1 wird
dabei um UF verschoben und treibt die Eingangsspannung
am invertierenden Eingang des OP-Verstärkers weiter in den negativen Bereich.
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Die Pulsausschaltdauer wird bestimmt durch die jetzt beginnende Umladung
des Kondensators C2 über die das SC=Rückkopplungsglied bildenden Widerstände R7
und R8 als Folge der Sperrung des Transistors T3.
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Diese Umladung erfolgt so lange, bis durch das Überschreiten des Null-Potentials
der Eingangsspannung am invertierenden Eingang des OP-Verstärkers dieser wieder
in seinem Ausgang auf Null geschaltet wird, so daß der Vorgang der Impulsbildung
erneut beginnen kann.
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Die unterschiedlichen Zeitkonstanten der RC-Rückkopplungaglieder für
die Ein- und Ausschaltdauer ergeben bei entsprechender Anpassung einen Gleichspannungsanteil
in der Pulsspannung, wodurch die notwendige Vormagnetisierung der Handstückspule
L erreicht wird.