RU2237357C2 - Ultrasonic transducer generator - Google Patents

Abstract

FIELD: ultrasonic devices for industry and medicine.

SUBSTANCE: proposed ultrasonic transducer generator has power amplifier designed for switch-mode operation and loaded into oscillatory system built of at least two coupled circuits of which first one is matching system and last is electromechanical circuit of ultrasonic transducer; automatic phase control system incorporating voltage-controlled generator; phase detector; control signal unit incorporating process frequency sensor; active low-frequency current filter; active high-frequency voltage filter; current sensor, and voltage sensor.

EFFECT: enlarged operating frequency range.

1 cl, 1 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к ультразвуковым устройствам технологического и медицинского назначения, в частности к ультразвуковым генераторам малой и средней мощности на интегральных схемах (ИС) и полупроводниковых элементах.The invention relates to ultrasonic devices for technological and medical purposes, in particular to ultrasonic generators of low and medium power on integrated circuits (ICs) and semiconductor elements.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Аналогами изобретения служат генераторы для ультразвуковых преобразователей (УП) пьезокерамического (УПП) и магнитострикционного (УПМ) типов, содержащие усилитель мощности (УМ) на транзисторах, выполненный с возможностью работы в ключевом режиме (УМКР). К ним же относятся и генераторы с УМ на тиристорах [1, с.75-90, 109-113]. УМКР выполняют по полумостовой или мостовой схемам, поэтому спектр генерируемых прямоугольных колебаний содержит лишь нечетные гармоники, из которых в УП полезно используется только первая гармоника (ПГ). Генераторы с УМКР обладают весьма высоким электрическим к.п.д. при условиях, что ПГ находится в резонансе с электромеханическим контуром УП (ЭКУП) и поступает на его вход по цепи с наименьшим импедансом, а все высшие гармоники (ВГ) нагружены на цепь с наивысшим импедансом. Для выполнения этих условий применяют так называемую схему согласования (СС) [1, с.98-100], являющуюся фильтром низких частот (ФНЧ) для пропускания ПГ и фильтром пробкой для ВГ. СС выполняют в виде последовательного колебательного контура, который включают на выходе УМКР. При сборке генератора СС настраивают в резонанс с ЭКУП. Техническим результатом для аналогов является высокий электрический к.п.д. Существенными признаками аналогов, общими с признаками изобретения, выступает наличие в генераторе УМКР и СС в виде последовательного контура, связанного с ЭКУП.Analogs of the invention are generators for ultrasonic transducers (UP) of piezoelectric (UPP) and magnetostrictive (UPM) types, containing a power amplifier (UM) on transistors made with the ability to work in key mode (UCRM). They also include generators with a CM for thyristors [1, p. 75-90, 109-113]. The UMCR are performed according to half-bridge or bridge schemes, therefore, the spectrum of generated rectangular oscillations contains only odd harmonics, of which only the first harmonic (GH) is useful in the UE. Generators with UCRM have a very high electrical efficiency under the conditions that the GHG is in resonance with the electromechanical circuit UE (EKUP) and enters its input through the circuit with the lowest impedance, and all higher harmonics (SH) are loaded on the circuit with the highest impedance. To fulfill these conditions, the so-called matching scheme (SS) is used [1, pp. 98-100], which is a low-pass filter (low-pass filter) for transmitting a GHG and a filter plug for a high-frequency wave. SS is performed in the form of a sequential oscillatory circuit, which is included at the output of the CRM. When assembling the generator, the SS is tuned in resonance with the ECAP. The technical result for analogues is a high electrical efficiency The essential features of analogues common with the features of the invention are the presence in the generator of UMCR and SS in the form of a serial circuit associated with ECM.

Нагружение УП в технологическом процессе неизбежно приводит к неконтролируемому изменению его резонансной частоты (РЧ). Отсюда возникает необходимость в системе автоподстройки частоты (САПЧ). Прототипом изобретения является генератор для УП, содержащий кроме УМКР и СС также и САПЧ, например, УЗГ8-01/22 [1, c.110]. Подробно устройство и действие САПЧ дано в [1, с. 98-100, рис.4-20, а) и б)]. Согласно приведенным данным УМКР нагружен на колебательную систему (КС) из четырех связанных контуров, первым из которых выступает СС, а последним ЭКУП с его элементом связи: пьезокерамическим конденсатором, в случае УПП, и согласующим трансформатором, в случае УПМ. Центральная часть КС состоит из двух параллельных контуров, сложно связанных как общими реактивными элементами, так и по первичной двухсекционной обмотке дифференциального трансформатора (ДТ). К точке соединения секций подключена одна из сильноточных шин выхода УМКР. Управляющий сигнал (УС) снимают со вторичной обмотки ДТ. В прототипе используют известное свойство амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) КС - максимум амплитуды колебаний на ее резонансной частоте (РЧ), в данном случае - амплитуды тока. Все элементы указанных схем подчинены требованию, чтобы при этом УС был равен нулю, что соответствует частоте ПГ УМКР, равной РЧ части КС за вычетом СС. Считают, что эта же частота является РЧ и для ЭКУП. Установление этой РЧ ПГ для УМКР является (наряду с техническим результатом для аналогов - высоким электрическим к.п.д.) техническим результатом для прототипа.Loading UE in the technological process inevitably leads to an uncontrolled change in its resonant frequency (RF). Hence the need for a frequency-locked loop (CAP). The prototype of the invention is a generator for UE, containing, in addition to UMCR and SS, also a SAC, for example, UZG8-01 / 22 [1, p. 110]. Details of the structure and action of the PLL are given in [1, p. 98-100, Figs. 4-20, a) and b)]. According to the above data, the UMCR is loaded on an oscillating system (CS) of four connected circuits, the first of which is the SS, and the last ECAP with its coupling element: a piezoceramic capacitor, in the case of a soft starter, and a matching transformer, in the case of an UPM. The central part of the KS consists of two parallel circuits, difficult to connect as a common reactive elements, and the primary two-section winding of a differential transformer (DT). One of the high-current UMKR output buses is connected to the connection point of the sections. The control signal (US) is removed from the secondary winding of the diesel fuel. The prototype uses the well-known property of the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the CS - the maximum amplitude of the oscillations at its resonant frequency (RF), in this case, the current amplitude. All elements of the indicated circuits are subject to the requirement that, in this case, the DC be equal to zero, which corresponds to the frequency of the UMKR GH equal to the RF part of the CS minus the SS. It is believed that the same frequency is RF and for ECAP. The establishment of this RF GHG for UMCR is (along with the technical result for analogues - high electrical efficiency) a technical result for the prototype.

Итак, существенными признаками аналогов и прототипа, общими с существенными признаками изобретения, являютсяSo, the essential features of analogues and prototype, common with the essential features of the invention are

1. Наличие в генераторе УМКР, нагруженного на КС, состоящую из связанных контуров, первым их которых является СС, а последним ЭКУП.1. The presence in the generator UMKR, loaded on the CS, consisting of connected circuits, the first of which is the SS, and the last ECAP.

2. Наличие САПЧ.2. The presence of SAPH.

Прототипу свойственны следующие недостаткиThe prototype is characterized by the following disadvantages

1. Отмеченная сложная связь контуров КС, в результате чего взаимно вносимые импедансы исключают точную настройку частоты ПГ УМКР на резонанс ЭКУП. Недостаток обусловлен использованием упомянутого свойства АЧХ, положенного в основу действия САПЧ.1. The noted complex connection of the CS circuits, as a result of which the mutually introduced impedances preclude fine tuning of the frequency of the UMKR GHG to the ECAP resonance. The disadvantage is due to the use of the aforementioned characteristics of the frequency response, which underlies the action of the PLL.

2. Подключение САПЧ между СС и остальной частью КС, что приводит при эксплуатации к расстройке резонанса СС. СС утрачивает отмеченные требуемые свойства как ФНЧ, в результате чего существенно уменьшается к.п.д. устройства. В известном виде САПЧ эффективна в узких пределах изменения РЧ ЭКУП, где соблюдается приблизительное равенство для РЧ ЭКУП и СС.2. Connecting an SACS between the SS and the rest of the CS, which leads during operation to detuning the resonance of the SS. SS loses the marked required properties as a low-pass filter, as a result of which the efficiency is significantly reduced devices. In its known form, SACS is effective within a narrow range of changes in RF ECAP, where approximate equality for RF ECAP and SS is observed.

3. Включение САПЧ своей схемой формирования УС в сильноточную цепь генератора исключает применение при этом эффективной фильтрации ПГ. В результате возможен срыв работы САПЧ с переходом на генерацию боковых частот, что отмечено в [1, с.100].3. The inclusion of the PLL by its circuit for the formation of the DC in the high-current circuit of the generator eliminates the use of effective GHG filtering. As a result, it is possible to disrupt the operation of the PLL with the transition to the generation of side frequencies, which is noted in [1, p. 100].

4. Элементная база прототипа несовременна. Наличие индуктивных элементов и ДТ с подбираемыми намоточными данными, трудоемких в исполнении и настройке, уменьшает общую добротность КС, снижает ремонтопригодность устройства и увеличивает стоимость производства.4. The elemental base of the prototype is up-to-date. The presence of inductive elements and DT with selected winding data, time-consuming to perform and configure, reduces the overall quality factor of the compressor, reduces the maintainability of the device and increases the cost of production.

Общий вывод. В техническом решении, где реализуются преимущества генератора, включающего УМКР, следует в устройстве САПЧ отказаться от использования свойств АЧХ КС и перейти на использование свойств ее фазочастотной характеристики (ФЧХ), при этом применять современную схемотехнику на ИС.General conclusion. In the technical solution, where the advantages of the generator, including the UMCR are realized, it is necessary to refuse to use the properties of the frequency response of the CS in the CAD device and switch to the use of the properties of its phase-frequency characteristic (PFC), while using modern IC circuitry.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.SUMMARY OF THE INVENTION

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков прототипа, а именно:The invention is aimed at eliminating these disadvantages of the prototype, namely:

1. Расширение частотных пределов работоспособности САПЧ, выражающееся в увеличении диапазона изменения РЧ УП при сохранении свойства экономичности УМКР и ликвидацию возможности срыва работы САПЧ. Это - основной технический результат при реализации изобретения.1. The extension of the frequency limits of the operation of the SACF, expressed in increasing the range of changes of the RF UP while maintaining the properties of the UMCR and eliminating the possibility of disruption of the SAC. This is the main technical result in the implementation of the invention.

2. Улучшение массогабаритных показателей и ремонтопригодности генератора, что представляет сопутствующий технический результат.2. Improving the overall dimensions and maintainability of the generator, which represents an accompanying technical result.

Замысел изобретения состоит в отказе от использования свойства АЧХ КС и использовании свойств ее ФЧХ. В данном случае под фазой понимают разность фаз напряжения и тока в КС, детектируемую в точке подключения САПЧ. Известным свойством ФЧХ КС является нулевое значений фазы на РЧ в конкретной точке, свойственной именно этой точке. Сигнал, представляющий функцию от фазы, стремящуюся к постоянной величине при стремлении фазы к нулю, используют как УС. Такую САПЧ называют схемой фазовой автоподстройки частоты (СФАПЧ).The idea of the invention is the refusal to use the properties of the frequency response of the CS and the use of the properties of its phase response. In this case, the phase is understood as the phase difference between the voltage and current in the CS detected at the point of connection of the PLL. A well-known property of the phase response of a CS is the zero phase value on the RF at a specific point, characteristic of this particular point. A signal representing a function of the phase, tending to a constant value when the phase tends to zero, is used as a CSS. Such a PLL is called a phase locked loop (PLL).

СФАПЧ обладает достоинствамиAFAPR has advantages

1. Детектирование фазы не сопровождается внесением дополнительных элементов в силовую цепь генератора, изменяющих частотные свойства КС.1. Phase detection is not accompanied by the introduction of additional elements in the power circuit of the generator, changing the frequency properties of the CS.

2. Детектирование фазы осуществляется в слаботочной цепи генератора, что позволяет применить эффективную фильтрацию ПГ с помощью активных фильтров нижней частоты (ФНЧ) в виде ИС.2. Phase detection is carried out in the low-current circuit of the generator, which allows the use of effective GH filtering using active low-pass filters (low-pass filters) in the form of ICs.

Достоинства СФАПЧ реализуют следующим образом:The advantages of the PLL are implemented as follows:

1. Упрощают конструкцию КС; КС может представлять лишь два связанных контура, первым из которых выступает СС, последним ЭКУП с его элементом связи, охарактеризованным в разделе “Уровень техники”.1. Simplify the design of the COP; The CS can represent only two connected circuits, the first of which is the SS, the last ECAP with its communication element, described in the section "prior art".

2. Детектируют фазу именно на входе КС с использованием указанной фильтрации.2. Detect the phase at the input of the COP using the specified filtering.

Замысел обоснован следующим. В результате действия СФАПЧ как отрицательной обратной связи устанавливается частота ПГ УМКР, соответствующая РЧ на входе КС. При этом приведенный ко входу КС импеданс минимален для ПГ и максимален для ВГ, то есть обеспечивается максимум фильтрующей способности КС. Этим достигается сохранение свойства экономичности для УМКР при значительном отклонении РЧ ЭКУП от РЧ СС, взятой, как в прототипе, отдельно. Отсюда видно, что точка подключения СФАПЧ место детектирования фазы, выступает как существенный признак. Наряду с достижением максимальной фильтрующей способности КС минимизируется расстройка ЭКУП. Наш анализ для двухконтурной КС, подтвержденный измерениями, приводит к выражениюThe idea is justified by the following. As a result of the action of the PLL as a negative feedback, the frequency of the UMCR GHG is set, corresponding to the RF at the input of the CS. At the same time, the impedance reduced to the CS input is minimal for the GHG and maximum for the SH, that is, the maximum filtering ability of the CS is ensured. This achieves the preservation of the property of profitability for UMCR with a significant deviation of the RF ECAP from the RF SS, taken, as in the prototype, separately. From this it can be seen that the connection point of the PLL is the phase detection site, acts as an essential sign. Along with the achievement of the maximum filtering ability of the CS, ECU mismatch is minimized. Our analysis for a dual-circuit CS, confirmed by measurements, leads to the expression

где

- минимальный угол расстройки ЭКУП;Where

- the minimum angle of detuning ECAP;

х - остаточное реактивное сопротивление ЭКУП;x is the residual reactance of the ECAP;

r - его активное сопротивление, обусловленное, в основном, технологическими энергозатратами;r is its active resistance, due mainly to technological energy consumption;

- добротность КС, приведенная к контуру СС;

- Q factor of the COP, reduced to the circuit SS;

ρ - волновое сопротивление контура СС.ρ is the wave impedance of the SS circuit.

Из первой формулы видно, что даже в случае весьма низкой добротности, когда УП эффективно нагружен на технологический процесс, например Θ~5, tgΨ<0,1, то есть остаточная расстройка ЭКУП мала, УП практически работает на РЧ.It can be seen from the first formula that even in the case of a very low quality factor, when the UE is effectively loaded on the technological process, for example, Θ ~ 5, tgΨ <0.1, that is, the residual mismatch of the ECAP is small, the UE practically works on RF.

Изложенный замысел позволяет достичь технический результат в части п.1. Существенно, что этот результат превышает сумму положительных эффектов, достигаемых использованием УМКР и САПЧ по отдельности; в прототипе они находятся во взаимообратном отношении.The stated concept allows to achieve a technical result in part 1. It is significant that this result exceeds the sum of the positive effects achieved by using CMD and SADS separately; in the prototype they are inversely related.

Замысел реализован в следующем устройстве.The idea is implemented in the following device.

Генератор содержит УМКР и САПЧ. УМКР нагружен на КС из, по крайней мере, двух связанных контуров, первым из которых является СС, а последним ЭКУП. Это признаки - общие с признаками прототипа. Генератор отличается тем, что САПЧ выполнена в виде СФАПЧ и подключена на входе КС.The generator contains UMKR and SAPH. The CMRD is loaded on the CS from at least two connected circuits, the first of which is the SS, and the last ECAP. These signs are common with those of the prototype. The generator is different in that the PLL is made in the form of a PLL and connected at the input of the CS.

Характеристика ограничительных признаков устройства дана в разделе “Уровень техники”. Охарактеризуем отличительные признаки.The characteristics of the limiting features of the device are given in the section "prior art". Characterize the distinguishing features.

В соответствии со своей функцией СФАПЧ регулирует частоту ПГ УМКР по принципу отрицательной обратной связи, а именно уменьшает частоту, когда нагрузка УМКР проявляет индуктивный характер, и увеличивает в случае емкостного характера. Нагрузкой в данном случае является КС. Характер нагрузки выявляется в виде знака и величины фазы на входе КС; именно здесь подключена СФАПЧ своими датчиками напряжения и тока. Только такое схемное решение, как показано выше в этом разделе, обеспечивает возможность получения основного технического результата (в части п.1).In accordance with its function, the PLLF regulates the frequency of the UMCR UHF according to the principle of negative feedback, namely, it reduces the frequency when the load of the UMCR is inductive, and increases in the case of a capacitive one. The load in this case is the COP. The nature of the load is revealed in the form of a sign and magnitude of the phase at the input of the CS; it is here that the PLL is connected by its voltage and current sensors. Only such a circuit design, as shown above in this section, provides the opportunity to obtain the main technical result (in part 1).

СФАПЧ имеет известную структуру (см., например, [2, с.149] и собрана из стандартных элементов на ИС, что обеспечивает получение сопутствующего технического результата (в части п.2). Структура представлена на чертеже, расшифровка обозначений элементов дана в следующем разделе.AFAPH has a well-known structure (see, for example, [2, p.149] and is assembled from standard elements on an IS, which provides the accompanying technical result (in part 2). The structure is shown in the drawing, the decoding of the element designations is given in the following section.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙLIST OF DRAWINGS

На чертеже приведена структурная схема генератора для УП. Аббревиатура наименований элементов соответствуют принятым в описании. Источники питания, как не упоминаемые в описании, не показаны.The drawing shows a structural diagram of a generator for UP. The abbreviation of the names of the elements correspond to those accepted in the description. Power supplies not mentioned in the description are not shown.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS OF THE INVENTION

Как показано на чертеже, генератор содержит сильноточную цепь, состоящую из УМКР (1) и КС (2). Последняя состоит, по крайней мере, из двух связанных контуров: СС (3) и УП (4) со своим элементом связи, охарактеризованном в разделе “Уровень техники”.As shown in the drawing, the generator contains a high-current circuit, consisting of UMKR (1) and KS (2). The latter consists of at least two connected circuits: SS (3) and UE (4) with its own communication element, described in the section “Prior art”.

Помимо сильноточной, генератор содержит слаботочную цепь, составляющую СФАПЧ, собранную по известной схеме, подключенную на входе КС (2). Подключение осуществлено с помощью датчиков сигналов напряжения и тока, с возможностью выделения (фильтрации) ПГ из частотного спектра сигналов.In addition to high-current, the generator contains a low-current circuit that makes up the PLL, assembled according to the well-known scheme, connected at the input of the CS (2). The connection was made using voltage and current signal sensors, with the possibility of isolating (filtering) the GHG from the frequency spectrum of the signals.

В качестве датчиков применены известные устройства. Датчик сигнала напряжения содержит аттенюатор напряжения (АН) (5), соединенный с активным фильтром нижней частоты сигнала напряжения (ФНЧН) (6). Датчик сигнала тока - трансформатор тока (ТТ) (7), также соединенный с активным фильтром нижней частоты сигнала тока (ФНЧТ) (8). ФНЧН и ФНЧТ собраны по известной схеме [2, с.63] на основе ИС, например, LM1458.Known devices are used as sensors. The voltage signal sensor comprises a voltage attenuator (AN) (5) connected to an active filter of the low frequency signal of the voltage signal (LPF) (6). The current signal sensor is a current transformer (CT) (7), also connected to an active low-frequency filter of the current signal (low-pass filter) (8). Low-pass filter and low-pressure filter are assembled according to the well-known scheme [2, p. 63] based on IP, for example, LM1458.

Объектом управления для СФАПЧ выступает УМКР (1). Ко входу управления, например, к базам его коммутирующих элементов, подключен задающий генератор, управляемый напряжением (ГУН) (9).The object of control for the AFAP is UMCR (1). A voltage controlled oscillator (VCO) is connected to the control input, for example, to the bases of its switching elements (9).

Применен стандартный ГУН в виде ИС, например ICL8038 [2, с.142-146], подключенный ко входу УМКР выводом прямоугольного напряжения. Ко входу частотной модуляции (ЧМ) ГУН подключен выход блока формирования управляющего сигнала (БУС) (10), имеющий известную структуру с двумя входами, подключенными, соответственно, к выходам датчика технологической частоты (ДТЧ) (11) и фазового детектора (ФД) (12). Применен известный линейный вариант ФД; его входы в виде детекторов пересечения нуля подключены к выходам ФНЧН (6) и ФНЧТ (8). Таким образом замкнута СФАПЧ.A standard VCO in the form of an IC was used, for example, ICL8038 [2, p.142-146], connected to the input of the UMCR by a rectangular voltage output. The output of the control signal generating unit (BSC) (10) is connected to the VCO frequency modulation (FM) input (10), which has a known structure with two inputs connected, respectively, to the outputs of the process frequency sensor (DTC) (11) and phase detector (PD) ( 12). The well-known linear version of the PD is applied; its inputs in the form of zero crossing detectors are connected to the outputs of the low-pass filter (6) and low-pass filter (8). In this way, the PLL is closed.

Все перечисленные элементы слаботочной цепи, составляющие СФАПЧ, представляют стандартные устройства на ИС [2, 3] с дополнительным подключением необходимых источников питания и внешних элементов - диодов, конденсаторов и резисторов. Этим обеспечивается достижение сопутствующего технического результата (в части п.2).All of the listed low-current circuit elements that make up the PLL are standard IP devices [2, 3] with additional connection of the necessary power sources and external elements - diodes, capacitors and resistors. This ensures the achievement of the concomitant technical result (in part 2).

Переходим к обоснованию достижения основного технического результата.We proceed to the rationale for achieving the main technical result.

В состоянии поставки в генераторе все контуры КС (2), в том числе СС (3) и УП (4), настроены на технологическую частоту (например, 22 кГц). Эта частота задается напряжением на выходе ДТЧ (11). При этом фаза равна нулю и, соответственно, сигнал с выхода ФД (12) также равен нулю. ГУН (9) и вместе с ним УМКР (1) генерируют прямоугольное напряжение с ПГ этой частоты. КС (2) на “холостом ходу” УП (4) характеризуется высокой добротностью Θ, так что внесенный импеданс, приведенный ко входу КС (2), близок к нулю для ПГ и к бесконечности для ВГ. УМКР (1) практически идеально согласован с УП (4) по ПГ, а для ВГ вход КС (2) представляет разомкнутую цепь; токи ВГ отсутствуют и их мощность нигде не выделяется.In the state of delivery in the generator, all the circuits of the CS (2), including the SS (3) and the control unit (4), are tuned to the technological frequency (for example, 22 kHz). This frequency is set by the voltage at the output of the DTCH (11). In this case, the phase is equal to zero and, accordingly, the signal from the output of the PD (12) is also equal to zero. VCO (9) and with it UMKR (1) generate a rectangular voltage with a GHG of this frequency. KS (2) at idle unitary enterprise (4) is characterized by a high Q factor Θ, so that the introduced impedance reduced to the input of KS (2) is close to zero for SG and to infinity for SH. UMKR (1) is almost ideally coordinated with UE (4) for GHG, and for VG the input of KS (2) represents an open circuit; SH currents are absent and their power is not allocated anywhere.

Технологическое нагружение УП (4), а также температурные дрейфы вызывают расстройку резонанса УП. По связям контуров расстройка передается на вход КС (2). Это проявляется в отклонении фазы от нуля и изменении импедансов для ПГ и ВГ. Падение напряжения ПГ и появление токов ВГ соответственно вызывает уменьшение мощности, поступающей в УП (4) и выделение мощности ВГ на коллекторах коммутирующих элементов УМКР (1). Эффективность и к.п.д. генератора резко падают. Как обосновано в разделе “Сущность изобретения”, это предотвращается применением СФАПЧ, включенной на входе КС (2). Происходит следующее.Technological loading of UE (4), as well as temperature drifts cause mismatch of UE resonance. Through the links of the circuits, the detuning is transmitted to the input of the CS (2). This is manifested in the phase deviation from zero and the change in impedances for the GHG and the SH. The drop in the GHG voltage and the appearance of SH currents, respectively, causes a decrease in the power supplied to the unitary enterprise (4) and the allocation of the SH power on the collectors of the switching elements of the UCRM (1). Efficiency and efficiency generator drop sharply. As justified in the section "Summary of the invention", this is prevented by the application of the PLL, included at the input of the COP (2). The following happens.

С помощью описанных датчиков сигналов напряжения и тока в структуре линейного ФД (12) производится детектирование фазы ПГ, присвоение ей знаков, противоположных в случаях индуктивного и емкостного характеров входа КС (2), и запоминания наибольшего (по модулю) значения. Детектирование производится непрерывно, через определенный промежуток времени. Затем формируется напряжение, пропорциональное алгебраической разности указанного наибольшего и текущего значений фазы (с их знаками). Этому напряжению присваивается знак, определяемый требованием отрицательности обратной связи СФАПЧ. В таком виде напряжение с выхода ФД (12) вместе с напряжением с ДТЧ (11) поступают на вход БУС (10), где они алгебраически суммируются с образованием УС, управляющего частотой ГУН (9). Следствием наличия отрицательной обратной связи является такое изменение частоты, при котором происходит уменьшение текущей фазы. УС линейно стремится к новой постоянной величине, равной алгебраической сумме напряжения технологической частоты и напряжения, пропорционального отмеченному наибольшему значению фазы. Фаза на входе КС (2) при этой новой частоте ПГ вновь равна нулю. Так производится автоподстройка частоты на резонанс на входе КС с реализацией присущих ему отмеченных положительных моментов, с той оговоркой, что технологическое нагружение УП (4) неизбежно связано с уменьшением добротности ΘКС (2). Это проявляется в конечных величинах расстройки УП (4) и потерь на ВГ в УМКР (1).Using the described sensors of voltage and current signals in the linear PD structure (12), the GH phase is detected, its characters are assigned, which are opposite in the cases of inductive and capacitive character of the CS input (2), and the maximum value (modulo) is stored. Detection is carried out continuously, after a certain period of time. Then a voltage is formed proportional to the algebraic difference of the indicated largest and current phase values (with their signs). This voltage is assigned a sign, determined by the requirement of negative feedback of the PLL. In this form, the voltage from the output of the PD (12), together with the voltage from the DTCH (11), is supplied to the input of the BUS (10), where they are algebraically summed to form a DC controlling the frequency of the VCO (9). The consequence of the presence of negative feedback is such a change in frequency at which the current phase decreases. The DC linearly tends to a new constant value equal to the algebraic sum of the voltage of the technological frequency and the voltage proportional to the marked maximum phase value. The phase at the CS input (2) at this new GH frequency is again zero. This is how the frequency is automatically tuned to the resonance at the CS input with the implementation of the marked positive aspects inherent to it, with the caveat that the technological loading of the unitary enterprise (4) is inevitably associated with a decrease in the Q factor of the CS (2). This is manifested in the final values of the UE mismatch (4) and the hepatitis A loss in UMCR (1).

Однако в данном случае эти величины в совокупности значительно меньше относительно таковых в прототипе. Имеет место прирост положительных свойств, превышающих простую сумму следствий признаков. Достигается также основной технический результат (в части п.1). А именно благодаря тому, что УС формируют в слаботочной цепи с эффективной фильтрацией сигналов по ПГ, практически снимаются ограничения на диапазон изменения РЧ УП при сохранении свойства экономичности УМКР, а также ликвидируется возможность срыва работы генератора с переходом на какую-либо частоту ВГ или комбинационные частоты.However, in this case, these values in the aggregate are significantly smaller relative to those in the prototype. There is an increase in positive properties that exceed the simple sum of the consequences of the signs. The main technical result is also achieved (in part 1). Namely, due to the fact that DCs are formed in a low-current circuit with effective filtering of signals by GHGs, the restrictions on the range of RF RF changes are practically removed while maintaining the properties of the UMCR, and the possibility of disruption of the generator operation with a transition to any VG frequency or combination frequencies is eliminated .

Стендовые измерения с нагрузкой, эквивалентной УП, на технологической частоте 22 кГц, при колебательной мощности ~ 200 Вт, показали, что при отклонении собственной частоты нагрузки до 30% и уменьшении ее добротности на порядок генерация стабильна, а эффективность передачи активной мощности в нагрузку и электрический к.п.д. генератора практически не снижаются.Bench measurements with a load equivalent to UE at a technological frequency of 22 kHz, with an oscillating power of ~ 200 W, showed that when the natural frequency of the load deviates to 30% and its Q factor decreases by an order of magnitude, the generation is stable, and the efficiency of transferring active power to the load and electric efficiency generator practically do not decrease.

Генератор успешно применен для УПП и УПМ в медицинской технике для ультразвукового хирургического инструмента, и в технологии - в ваннах ультразвуковой очистки и устройствах поверхностной обработки изделий. Во всех указанных случаях изобретение обеспечило достижение высокой экономичности и надежности генератора.The generator has been successfully used for UPP and UPM in medical equipment for an ultrasonic surgical instrument, and in technology - in ultrasonic cleaning baths and surface treatment devices. In all these cases, the invention ensured the achievement of high efficiency and reliability of the generator.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Энергоиздат, 1982.1. Donskoy A.V., Keller O.K., Kratysh G.S. Ultrasonic electrotechnological installations. - Energy Publishing, 1982.

2. Уитсон Дж. 500 практических схем на ИС. - М.: Мир, 1992.2. Witson, J. 500 practical schemes on IP. - M.: Mir, 1992.

3. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоиздат, 1988.3. Gutnikov B.C. Integrated electronics in measuring devices. - L .: Energoizdat, 1988.

Claims (1)

Генератор для ультразвукового преобразователя с фазовой автоподстройкой частоты, содержащий усилитель мощности, который выполнен с возможностью работы в ключевом режиме и нагружен сильноточной цепью на колебательную систему, выполненную из, по крайней мере, двух связанных контуров, первым из которых является система согласования, а последним - электромеханический контур ультразвукового преобразователя, при этом система фазовой автоподстройки частоты содержит генератор, управляемый напряжением, вывод прямоугольного напряжения которого подключен ко входу усилителя мощности, а его вход модуляции частоты подключен к фазовому детектору через блок управляющего сигнала, снабженного датчиком технологической частоты, отличающийся тем, что на входах фазового детектора дополнительно включены активные фильтры нижней частоты тока и напряжения, своими входами подключенные к соответствующим датчикам тока и напряжения, включенным в сильноточную цепь, при этом датчик напряжения включен на входе указанных связанных контуров.A generator for an ultrasonic transducer with phase-locked loop, comprising a power amplifier, which is configured to operate in a key mode and loaded by a high-current circuit onto an oscillating system made of at least two connected circuits, the first of which is a matching system, and the last one the electromechanical circuit of the ultrasonic transducer, while the phase-locked loop contains a voltage-controlled generator, the output of the rectangular voltage of which ohm is connected to the input of the power amplifier, and its frequency modulation input is connected to the phase detector through a control signal block equipped with a process frequency sensor, characterized in that the active phase and voltage low-frequency filters are additionally included at the inputs of the phase detector, connected to the corresponding sensors by their inputs current and voltage included in the high-current circuit, while the voltage sensor is included at the input of these associated loops.