Elektronischer Oszillator mit einer durch ihn betriebenen Belastung mit mindestens einer Resonanzfrequenz Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroni schen Oszillator mit einer durch ihn betriebenen Be lastung und mindestens einer Resonanzfrequenz. Die Belastung kann ein Schwingungswandler sein, der dazu vorgesehen ist, Eingänge von Wechselspannung auf oder oberhalb Tonfrequenzen zu empfangen und Ausgänge von relativ hohen mechanischen Verschie bungen vorzusehen. Durch einen solchen Schwin gungswandler können z. B. Flüssigkeiten zerstäubt werden.
Es ist den Fachleuten wohlbekannt, dass die Zer- stäubung von Flüssigkeiten durch Benutzung von Ton frequenzenergie bewirkt werden kann. Eine in Be tracht kommende Bezugnahme ist der Artikel ecUltra- sonic Atomization of Liquids von J.
N. Antonewich, erschienen auf Seiten 6 bis 12 der Transactions an Ultrasonics, Februar 1959, veröffentlicht durch das Institute of Radio Enigineers. Ein Tonfrequenz-Lei- stungsgerät, welches für die Zerstäubung von Flüssig keiten benützt worden ist, weist einen Schwingungs- wandler auf, der einen Körper aus keramischem piezo- elektrischem Material,
wie Bariumtitanat, aufweist, welcher auf eine flache Fläche an der im Durchmesser breiteren Stirnseite eines kegelstumpfförmigen Reso- nators aus elastischem und elektrisch leitendem Mate rial, wie Aluminium, angebracht ist.
Ein Tonfrequenz-Energiewandler ist wie viele an dere in Wechselstromkreisen benutzte Teile durch eine allgemein mit Q bezeichnete Gütezahl charakteri siert. Diese Zahl stellt das Verhältnis der in dem Teil gespeicherten Energie zu der darin während gleichen Zeitintervallen einer Arbeitsperiode verlorenen Ener gie dar. Bei einem Schwingungswandler mit einer Scheibe aus Barumtitanat, die auf die Grundfläche eines konischen Aluminiumresonators fest angebracht ist, wird das ganze oder zusammengesetzte Q bis auf den Wert von 2500 ansteigen.
Dies ist ein verhält nismässig hoher Wert und bedeutet, dass der Schwin gungswandler eine ganz scharfe Resonanzspitze hat, das heisst, seine Erregungsfrequenz durch Eingangs spannungen von der Schwingungserzeugungsvorrich- tung muss auf einem relativ sehr schmalen Bereich oder engen Band liegen, um eine im wesentlichen maximale Längsvibrationsamplitude zu erreichen. Im Verlauf des Betriebes eines Tonfrequenz-Ener- giewandlers, z.
B. für Flüssigkeitszerstäubung, kann die Resonanzfrequenz des Wandlers infolge Temperatur änderungen oder anderer Ursachen wenigstens etwas schwanken. Wenn die Schwingungserzeugungsvorrich- tung, die dem Schwingungswandler eine Wechselspan nung aufdrückt, ihre eigene Ausgangsfrequenz nicht ändern kann, um der sich verschiebenden Resonanz frequenz des Wandlers zu folgen, so passen die letz tere Vorrichtung und die Schwingungserzeugungsvor- richtung für beste Betriehsbedingungen,
dias heisst bezüglhth maximaler Ausgangsverschiebungen) des Wandlers und maximalen Stromfluss im Stromkreis der Schwingungserzeugungsvorrichtung und Wandlers, schlecht überein.
Gemäss der Erfindung ist ein elektronischer Oszil- lator mit einer durch ihn betriebenen Belastung mit mindestens einer Resonanzfrequenz, gekennzeichnet durch eine Vakuumröhre mit einer Anode und einem Gitter und durch einen Gitterabstimmkreis, der auf eine Resonanzfrequenz der Belastung abgestimmt ist, jedoch weniger scharf definierte Resonanzfrequenz als die Belastung hat, wobei die Anode mit der Belastung über einen Kondensator und eine Spule in Reihe ge schaltet ist, welche Spule mit der Spule des Gitter abstimmkreises auf solche Weise festgekoppelt ist,
dass eine positive Rückkopplungsspannung am Gitter erzeugt wird und die Frequenz des Oszillators auf rechterhalten bleibt.
Dabei kann die Belastung ein elektromechanischer Wandler sein.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise erläutert.
Auf der beiliegenden Zeichnung ist ,eirn Schaltungs schema eines elektronischen Oszillators gezeigt, der an einen Tonfrequenz-Schwingungswandler ange schlossen ist.
In der Zeichnung sind T1 und T2 Eingangsklem men, über welche dem Oszillatorkreis von einer nicht gezeigten Quelle eine Wechselspannung zugeführt wird. Bei einem praktisch angeführten Beispiel, für das die Werte der Teile der Schaltung nachstehend angegeben werden, wurde eine Speisespannung von 115 Volt Wechselstrom von 60 Perioden benutzt. Das Anlegen dieser Spannung an die Schaltung wird durch einen zweipoligen Schalter 10 gestattet oder verhin dert, der in seiner Offenlage gezeigt ist.
R1 ist ein 20-Ohm-Widerstand, welcher den Stromfluss durch den Gleichrichter 12 infolge des Ruf ladens des Kondensators Cl begrenzt. R2 ist ein 450- Ohm-, 10-Watt-Widerstand, welcher den Stromfluss durch die Kathodenheizung der Vakuumröhre V1 be grenzt und diesen Strom auf einem passenden Be triebswert von ungefähr 150 Miniampere hält.
Cl ist ein 40-Mikrofarad-, 150 Volt elektrolytischer Kon densator, welcher eine Speicherkapazität für pulsie rende Gleichstromleistung vom Gleichrichter 12 er gibt. Dieser Gleichrichter ist eine Siliziumdiode der Type M-150.
Sie lässt nur die positiven Halbperioden der Wechselspannung der Quelle durch, um einen pulsierenden Gleichspannungsausgang zu ergeben. L1 ist eine 30-Millihenry-, 20-Ohm-Gleichrichterstrom- spule, welche zwischen der Stromquelle und der Anode der Vakuumröhre V1 einen Gleichstromweg von niedrigem Widerstand darstellt. Umgekehrt bil det er einen Weg von hohem Widerstand für Hoch frequenz-Wechselstrom, das heisst für Ströme, welche eine Frequenz in der Grössenordnung von 50 Kilo hertz und mehr haben.
Die Vakuumröhre V1 ist eine Leistungstetrode mit einer 50-Volt-Heizung von Type 50L6. C2 ist ein 0,1-Mikrofarad-Kondensator, welcher verhindert, dass die Gleichspannung an der Anode der Vakuum röhre V1 die Klemmen des Tonfrequenz-Wandlers 14 erreicht.
Anderseits wirkt dieser Kondensator als Kopplungselement, welches einen niedrigen Wider standsweg für die Strömung von Hochfrequenz wechselstrom von der Anodenseite der Röhre zu den Wandlerklemmen ergibt. C3 ist ein 0,005-Mikrofarad- Kondensator, der als Blockorgan wirkt, welches einen Gleichstromkurzschluss des Steuergitters der Vakuum röhre V1 über die Gitterabstimmspule L2 gegen Ende verhindert,
jedoch einen niedrigen Widerstandsweg für den Fluss von Hochfrequenz-Wechselstrom von der Spule L2 zum Steuergitter bildet.
R3 ist ein 47-Kiloohm-Widerstand, welcher einen Weg für den Fluss von im Steuergitterkreis durch das Vorhandensein von Hochfrequenz-Wechselstrom an der Gitterklemme induzierten Gleichstrom ergibt.
Die ser Widerstand erzeugt eine Steuergittervorspannung für die Vakuumröhre V1. C4 ist ein 0,1-Mikrofarad- Kondensator, welcher die Stromquelle von der Ge häuseerdung der Ausrüstung isoliert, jedoch als Kopp lungselement wirkt, um einen niedrigen Widerstands weg für den Fluss von Hochfrequenz-Wechselstrom zu den Klemmen des Frequenzwandlers 14 zu er halten.
C5 ist ein 33-Mikrofarad-Kondensator, welcher eine negative Rückkopplung vom Ausgangskreis des Wandlers 14 anlas SteuergitterderVakuumröhrogestat- tet. Negative Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang eines Kreises hat im allgemeinen die Wirkung der Herab setzung des Ausgangs. Sie wird im vorliegenden Oszil- latorkreis benutzt, um eine Verbesserung des Lei stungsfaktors zu bewirken und im speziellen das Pha senverhältnis von Spannung und Strom zum Wandler 14 zu verbessern.
L2 ist eine 10-Millihenry-Gitterabstimmspule mit einem Q von wenigstens<B>100.</B> Co ist ein Gitterab- stimmkondensator mit einem Bereich bis zu 1000 Mikromikrofarad. Die durch: L2 und C,; erhakene Kom- binatn'on von: Induktivität unld: Kapazität wird auf die mechanische harmonische Frequenz abgestimmt, auf welcher der Wandler 14 arbeitet, z.
B. eine Frequenz von 70 000 Kilohertz. L3 ist eine 0,6-Mikrohenry- Stromrückkopplungsspule, welche vielmal weniger Windungen als die Gitterabstimmspule L2 hat. Die Spulen L2 und L3 sind jedoch elektromagnetisch fest miteinander gekoppelt. Der Ausgangsstrom von der Vakuumröhre V1 zum Wandler 14 fliesst durch die Spule L;, welche eine Spannung in Spule L2 induziert, die an dem Steuergitter der Röhre auftritt.
Die so auf tretende Spannung stellt eine positive Rückkopplung dar und bewirkt, dass die Schaltung sich selbst in einem Schwingungszustand hält. Diese rückkopp- lungs- und -schwingungserhaltende Wirkung tritt am wirksamsten auf, wenn die Gitterabstimmspule L2 und der Kondensator Co zusammen auf eine aktive mechanische harmonische Frequenz des Wandlers 14 abgestimmt sind.
Der gezeigte Schwingungswandler 14 weist eine verhältnismässig dünne Scheibe 16 aus piezoelektri- schem Material auf, die mit dem dickeren Ende eines metallischen und elektrisch leitenden Resonators 18 von Kegelstumpfform verbunden ist. Dieser Wandler hat ein durch beide Elemente 16 und 18 hindurch gehendes axiales Loch 20. Am piezoelektrischen Ele ment 16 ist mit diesem Loch ausgerichtet eine Flüssig keitszuführleitung 22 befestigt, in welcher sich ein Magnetsperrventil 24 befindet. Bei Abwesenheit von Erregerstrom in dessen Wicklung ist das Ventil 24 normalerweise geschlossen.
C7 ist ein 100-Mikrofarad-Kondensiator, und. R4 ist ein 10-Kiloohm-Widerstand. Hochfrequenz-Wechsel- spannung von der Vakuumröhre V1 tritt über den Kondensator C7 und Widerstand R4 in Reihe auf.
Der Kondensator C7 dient dazu, den Fluss von Gleich strom von der Anode der Vakuumröhre V1 und irgendeinen Niederfrequenz-Wechselstrom, der von einer schwach gesiebten Stromquelle kommen kann, zu sperren.
Eine beträchtliche Menge von Hochfre- quenz-Wechselstrom geht durch den Kondensator C7 hindurch, der als Kopplungselement zwischen dem Oszillatorkreis selbst und der Sicherheitsschaltung wirkt, die das Relais 26 aufweist, welches dazu dient, den zu zerstäubenden Flüssigkeitsstrom zum Wandler 14 zu verhindern, ausgenommen, wenn dem Wandler Antriebsleistung zugeführt wird.
Der Widerstand R4 wirkt als Bemessungsvorrich tung in bezug auf den durch den Kondensator C7 hin durchgehenden Wechselstrom, um zu gestatten, dass genügend Strom dem Gleichrichter 28 zugeführt wird, um die Betätigungsbedingung des Relais 26 von un gefähr 2 Miniampere Gleichstrom zu erreichen, wel ches Relais über seine äusseren Klemmen normaler weise offen ist.
Der Gleichrichter 28 ist ein Germa- niumgerät Typ IN34, welches Wechselstrom von der Vakuumröhre V1 empfängt und einen pulsierenden Gleichstrom durchlässt, C$ ist ein 0,1-Mikrofarad- Kondensator, welcher als Speichervorrichtung für diesen pulsierenden Strom wirkt, der durch die Spu- lenwicklung des Relais 26 und auch durch den Wider stand R4 hindurchgeht.
Wenn eine entsprechende Menge von Hochfrequenz-Wechselstrom, der vom Oszillatorkreis verfügbar ist, am Kondensator C7 vor handen ist, wird das Relais 26 erregt, um die Klem men T3 und T4 zu schliessen. Beim Schliessen dieser Klemmen wird ein Stromkreis über die Wicklung des Magnetventils 24 geschlossen, um dieses Ventil zu öffnen und der Flüssigkeit zu erlauben, für Zerstäu- bung durch die Leitung 22 in den Wandler 14 zu strömen.
Der beschriebene Oszillator stellt ein Mittel zur Erreichung von relativ grossen Anodenströmen bei niedrigen Anodenspannungen in der Vakuumröhre V1 dar. Dies ergibt eine wirksame Kopplung für Wandler, wie den Tonfrequenzwandler 14, welche Belastungs widerstände im Bereich von etwa 100 bis 1000 Ohm haben. Die Schwingungsregelung wird durch den Wandler ausgeübt, und Änderungen der Resonanz frequenz des Wandlers z. B. infolge Temperatur änderungen hat entsprechende Änderungen der Be triebsfrequenz des Oszillators zur Folge.
Die Betriebsresonanzfrequenz des Leistungswand- lers 14 ist eine Reihenresonanzfrequenz. Demgemäss wird eine maximale Wandlerbetätigung oder Lei stungsfähigkeit in einem Zustand von maximalem Strom erhalten.
Wandlerstrom fliesst durch die Rück kopplungsspule L3, die mit der Abstimmspule L2 des Gitterstromes gekoppelt ist, um positive Rückkopp lung vorzusehen, und je höher daher der Wandler- oder Ausgangsstrom ist, umso höher ist die Steuer gitterspannung der Röhre Vi. Die Gittervorspannung an der Vakuumröhre des Oszillators wird auf einer mittleren Höhe ungefähr doppelt so viel als die Grösse aufrechterhalten, .die erforderlich ist,
danuit der An- odenstrom aufhört zu fliessen. Unter diesen Umständen fliesst bei Klasse-C-Betrieb Anodenstrom nur auf den positiven Spitzen der Gittererregerspannung.
Ein durch den beschriebenen Oszillator betrie- bener Wandler kann mehr als eine Resonanzfrequenz haben, das heisst, Längsvibrationen können darin auf mehr als einer mechanischen Harmonischen oder in einer Form, die als halbe Wellenlänge, ganze Wellen länge, drei halbe Wellenlängen usw. bezeichnet wird, aufrechterhalten werden.
Es ist erwünscht, eine dieser Harmonischen für den durch den Oszillator betrie benen Betätigungspunkt auszuwählen, welcher der in bezug auf Leistungsumwandlung im Wandler der wirksamste ist. Der die Spule L2 und den Kondensator C6 umfassende Abstimmkreis, welcher über Spule L3 mit dem Ausgangskreis gekoppelt ist, und mit dem Steuergitter der Röhre V1 verbunden ist, ist so einge stellt, dass eine verhältnsmässig breite Resonanz auf der ausgewählten mechanischen Harmonischen des Wandlers erhalten wird.
Eine solche Einstellung hat eine maximale Stromrückkopplung auf dieser einen Harmonischen zur Folge, und die Oszillatorbetätigung wird auf diesem Punkt aufrechterhalten.