CH678404A5 - - Google Patents

Description

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CH 678 404 A5

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Ultraschallgeneratoren. insbesondere befasst sie sich mit der Erzeugung von Ultraschallsignalen zur Verwendung in Ultraschallreinigungssystemen.

Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung ist ein Uitraschaligeneratorsystem geschaffen worden, das eine Reihe deutlicher Vorteile im Vergleich zu vorhandenen Systemen aufweist. Es ist ein Ziel der Erfindung, eine konstante Ultraschallausgangsleistung vom Generator zum Reinigungsbehälter sicherstellen zu können. Es ist erwünscht, dass der Generator in der Lage sein sollte, die ausgegebene Leistung trotz Änderungen der Flüssigkeitshöhe im Behälter, Temperatur und Netzspannung innerhalb 1 dB konstant zu halten.

Dies wird erfindungsgemäss mittels eines Ultraschallgenerators erreicht, umfassend einen Oszillator, eine von einer Netzversorgung gespeiste Ausgangsstufe, die Signale vom Oszillator empfängt und zum Liefern eines Ultraschallausgangssignals angeordnet ist, und eine Leistungssteuereinrichtung, umfassend eine Abtasteinrichtung zum Überwachen der Netzversorgung zur Ausgangsstufe oder des Ausgangssignals aus der Ausgangsstufe und eine lmpulsbreltenmodulationsein-richtung> die mit der Abtasteinrichtung verbunden und so angeordnet ist, dass sie an die Ausgangsstufe ein Korrektursignal liefert, um den Netzversorgungsstrom oder die abgegebene Ultraschalleistung für eine konstante Netzversorgungsspan-nung konstant zu halten.

Die Abtasteinrichtung überwacht den von der Ausgangsstufe entnommenen Strom.

Die Abtasteinrichtung kann einen Transformator oder Stromwandler umfassen, der in eine Netzversorgungsleitung zur Ausgangsstufe angeschlossen ist.

Der Ultraschallgenerator ist auch für die Frequenzabstimmung vorgesehen. Dies kann durch das Vorsehen einer Frequenzsteuereinrichtung erreicht werden, die so angeordnet ist, dass sie den Strom im Ausgangssignal aus der Ausgangsstufe abtastet und den Generator für einen maximalen Strom in diesem Ausgangssignal abstimmt.

Vorzugsweise wird dies mittels einer Frequenzsteuereinrichtung erreicht, die einen PLL-Kreis, d.h. Phase-Locked-Loop-Kreis, umfasst. Durch diese Einrichtung kann ein sauberes und konsistentes bzw. reproduzierbares Rückkopplungssignal der Korrekturphasenbeziehung selbst dann erhalten werden, wenn das tatsächliche Rückkopplungs-signal vorübergehend auf Null abfällt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Frequenzsteuereinrichtung besteht darin, dass durch diese voluminöse Hochspannungsbauteile, wie z.B. eine Lei-stungsdrosselspule oder ein Kondensator fortfallen.

Es ist erwünscht, dass der Ultraschallgenerator den Startvorgang erleichtern sollte und dass die Ausgangsstufe dabei unabhängig für die besten Betriebsbedingungen optimiert werden kann. Dies ist bei einer in derartigen Generatoren verwendeten herkömmlichen, freischwingenden bzw. selbsterregenden Leistungsstufe nicht möglich. Gemäss einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist dieses Ziel mittels eines Ultraschallgenerators erreicht worden, der einen Oszillator und eine separate Ausgangsstufe umfasst. Hierdurch Ist der Startvor-gang in gewünschter Weise erleichtert, da eine Schwingung ohne anfängliches Vorhandensein eines Rückkopplungssignals auftreten wird. Dies bedeutet auch, dass die Ausgangsstufe unabhängig vom Oszillator für optimale Betriebsbedingungen leicht eingestellt werden kann.

Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Ausgangsstufe des Generators eine Direct-Offline-Ausgangsstufe, z.B. eine unabhängige Gleichstromausgangsstufe, und vorzugsweise eine Schaltausgangsstufe der Klase D sein sollte. Diese weist den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades auf und es wird kein voluminöser Netztransformator benötigt.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal des erfindungsgemässen Generators besteht darin, dass er eine Weich-Start-Einrichtung aufweist, die einen Stoss bzw. eine Erschütterung von Netz- oder Leistungsbauteilen beim anfänglichen Einschalten verringert und vernachlässigbare Strom- bzw. Span-nungsstösse beim Einschalten erzeugt. Dies bedeutet, dass die Nennleistungen von Schützen oder Relais zugeordneter Einrichtungen, die den Generator mit Leistung versorgen, nicht so konservativ bzw. vorsichtig ausgelegt werden müssen, wie dies gewöhnlich der Fall ist.

Der erfindungsgemässe Generator ist auch in der Lage, eine Kurzschlusslast zu überstehen, und gewöhnlich ist ein Stromunterbrechungskreis eingebaut, um die Leistung zu verringern, wenn das Lastsystem getrennt wird.

Die Erfindung ist nachfolgend zum besseren Verständnis anhand eines derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Ultraschallgenerators und unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Ultraschallgenerators;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild, in dem die Frequenzsteuerschleife des Generators mehr im einzelnen dargestellt ist, und

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild, in dem die Leistungssteuerschleife des Generators mehr im einzelnen dargestellt ist.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der der erfindungsgemässe Ultraschallgenerator an drei Wandler 10a, 10b und 10c angeschlossen dargestellt Ist, die an der Wand eines Reinigungsbehälters 12 angebracht sind. Die Wandler 10a, 10b und 10c sind mit einer amplitudenmodulierten Ultraschallwellenform über Ausgangsleitungen 14a und 14b aus einer Schaltausgangsstufe 16 der Klasse D des Generators gespeist. Die Ausgangsstufe 16 der Klasse D ist mit dem Ausgang eines Gleichrichters 18 verbunden, der über Leitungen 20a und 20b mit einer Wechselstrom-Netzversor-gung verbunden ist. Der Ultraschallgenerator umfasst einen Kleinsignal- oder Low-Level-Oszillator

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22, dessen Ausgangssignal einem Impulsbreitenmodulationskreis 24 zugeführt wird, der an die Schaltausgangsstufe 16 der Klasse D Ausgangsimpulse abgibt. Der Generator enthält zwei Rückkopplungsschleifen; eine bei 26 allgemein angedeutete Lei-? stungssteuerschleife und eine bei 28 allgemein an gedeutete Frequenzsteuerschleife. Die Leistungssteuerschleife 26 umfasst einen Gleichrichter und ein Tiefpassfilter 30 und einen Integrator 32. Das Eingangssignal des Gleichrichters und des Tief-passfiiterkreises 30 wird von einem Transformator bzw. Stromwandler 34 abgeleitet, der in die Netz-versorgungseingangsleitung 20a angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Integrators 32 wird dem Impulsbreitenmodulationskreis 24 zugeführt. . Die Frequenzsteuerschleife 28 umfasst einen PLL-Kreis 36. Das Eingangssignal zum PLL-Kreis 36 wird abgeleitet, indem der Storm in der Ausgangsleitung 14a zum Reinigungsbehälter abgetastet wird, und das Ausgangssignal des PLL-Kreises 36 wird dem Oszillator 22 zugeführt.

In Fig. 2 ist die Frequenzsteuerschleife 28 mehr im einzelnen dargestellt. Die Frequenzsteuerung im Generator wird auf folgende Weise ausgeführt. Der Ultraschallstrom in der Ausgangsleitung 14a zum Behälter wird abgetastet und die Frequenzsteu-errückkopplungsschleife stimmt den Generator für maximalen Strom in der Leitung 14a ab. Zur Abtastung des Stroms in der Leitung 14a wird ein allgemein bei 38 angedeuteter, kleiner ringförmiger Körper, z.B. eine Ringspule, verwendet. Ein Kondensator 40 ist parallel zur Ringspule angeschlossen und wirkt als Tiefpassfilter, wobei auf diese Weise eine Ausgangsspannung mit sauberen Wellenformeigen-schaften geliefert wird, die einem einen Teil des PLL-Kreises 36 bildenden Phasendetektor 42 zugeführt wird. Ein wesentliches Merkmal der den Abtastring 38 und den Kondensator 40 umfassenden Kombination besteht darin, dass diese eine Phasenverschiebung von etwa 90 Grad am Signal vorsieht. Der sich hieraus ergebende Vorteil wird im folgenden offensichtlich. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 42 wird mittels eines Tiefpassfilters 44 einem spannungsgeregelten Oszillator (VCO) 46 zugeführt. Der aus dem Phasendetektor 42, dem Tiefpassfilter 44 und dem spannungsgeregelten Oszillator 46 bestehende PLL-Kreis ist mit einem lokalen Rückkopplungspfad versehen, in dem ein durch zwei teilendes Netzwerk 48 eingebaut ist. Durch diese Einrichtung ist die Ausgangsfrequenz des PLL-Kreises verdoppelt. Dies ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erforderlich, um den speziellen ausgewählten integrierten Kreis anzusteuern, der die Sägezahn- und Treiberkreise für den Kleinsignal-Oszillator 22 und für den Impulsbreitenmodulationskreis 24 enthält. Der PLL-Kreis weist eine schmale Verriegelungs- und Fangbereichseinstellung, so dass auf eine Frequenz konsistent bzw. fest verriegelt werden kann. Der PLL-Kreis kann durch ein Potentiometer abgestimmt werden und liefert wirksam eine feine Frequenz- oder Phasenabstimmung. Das Tiefpassfilter 44 liefert eine fortlaufende Gleichspannungssteuerung am spannungsgeregelten Oszillator 46 und stellt stets eine stabile Ausgangsfrequenz sicher.

Als Versorgungsspannung für die Ausgangsstufe 16 ist lediglich eine gleichgerichtete Netzversorgung vorgesehen und ist nicht geglättet. Das Ultraschallausgangssignal zum Behälter auf den Leitungen 14a und 14b ist mit einer Rate von 100 Takten bzw. Perioden pro Sekunde amplitudenmoduliert. Das Ultraschallrückkopplungssignal in der Frequenzsteuerschleife fällt somit periodisch auf Null ab. Das Tiefpassfilter 44 behält jedoch eine Steuerspannung bei und hält die Frequenzsteuerschleife während dieses vorübergehenden Rückkopplungsverlustes in Abstimmung bzw. Resonanz. Der verwendete PLL-Kreis 36 weist eine eigene 90-Grad-Phasenverschiebung an der Mittenfrequenz auf. Mit der am Eingangssignal zum PLL-Kreis vorgesehenen 90-Grad-Phasenverschiebung verbunden wird im Rückkopplungspfad insgesamt eine 180-Grad-Phasenverschiebung erreicht. Das Ausgangssignal des spannungsgeregelten Oszillators 46 wird einem monostabilen Kreis 50 zugeführt, der für den Kleinsignal-Oszillator 22 im Vorwärtspfad schmale Synchronisierimpulse (SYNC-Impulse) erzeugt.

In Fig. 3 sind Einzelheiten des Leistungssteuer-kreises dargestellt. Die Leistungssteuerung wird durch Überwachung des von der Ausgängsstufe 16 gezogenen Netzstroms und durch Steuerung der Impulsbreite des Ultraschalltreibersignals zur Ausgangsstufe 16 ausgeführt, um den Netzstrom konstant zu halten. Die entnommene Leistung ist zum Strom solange proportional, wie die Versorgungsspannung konstant bleibt. Die Netzspannung ist annehmbar konstant, aber es ist im Kreis eine Vorkehrung für das Verhalten bei typischen Netzschwan-kungen getroffen worden. Da die Ausgangsstufe 16 von der Klasse D und von Natur aus wirksam, in der Tat etwa 90% wirksam ist, kann angenommen werden, dass der gezogene Netzstrom zur Ul-traschailausgangsleistung proportional ist. Indem der Netzstrom konstant gehalten wird, kann somit auch die Ultraschallausgangsleistung konstant gehalten werden.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, weist der Transformator 34 im Sekundärkreis einen Kondensator C1, der jeden vorhandenen Ultraschallanteil entfernt, einen Gleichrichter 54 und einen geeignet dimensionierten Lastwiderstand RL auf. Auf diese Weise wird durch den Lastwiderstand eine zum Netzstrom in der Leitung 20a proportionale Signalspannung abgeleitet. Diese Signalspannung wird durch einen Widerstand R1 und einen Kondensator C2 weiter gefiltert und geglättet. Das Signal wird dann über einen Widerstand R2 an den Integrator 32 angelegt. Der Integrator 32 weist eine lange bzw. grosse Zeitkonstante im Vergleich zu der Bewegung auf, die im Inneren des Reinigungsbehälters 12 erzeugt wird, um ein proportionales Verstärkungssteuersignal zu erzeugen. Die resultierende Gleichspannungssteuerspannung auf der Leitung 54 wird in einen Impulsbreitenmodulationskreis 24 eingegeben (in Fig. 3 mit gestrichelten Linien dargestellt). Dieser Impulsbreitenmodulationskreis umfasst einen Komparator 56 und einen Sägezahngenerator 58. Der Sägezahngenerator 58 empfängt vom Oszillator 22 ein Eingangssignal und seine Ausgangssägezahnspan-

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nung wird auf einen Eingang des ("Comparatore 56 gegeben, dessen anderes Eingangssignal das Spannungssignal auf der Leitung 64 ist Das impulsbreitenmodulierte Signal aus dem Ausgang des Kom-parators 56 wird, wie in Fig. 1 dargestellt, in die Ausgangsstufe 16 der Klasse Û eingegeben.

Der Integrator 32 erzeugt auch eine Signalum-kehrung und bewirkt somit eine negative Rückkopplung, Dies bedeutet, dass eine Zunahme des Netzstroms auf der Leitung 20a eine Verringerung der Impulsbreite erzeugt, die wiederum den Strom nach unten zum Einstellpunkt hin zieht. Ein Potentiometer 60 mit Einstellpunkt ist über eine nichtgeregelte Gleichstromversorgungsschiene 62 für die Kleinsi-gnal-Eiektronik angeschlossen. Daher werden Änderungen der Netzspannung in diesem Kreis reflektiert und in den Integrator hinein aufsummiert. Eine Zenerdiode 64 ist ausgewählt, um die optimale Änderung über das Potentiometer 60 mit Einstellpunkt zu reflektieren.

Es ist somit ersichtlich, dass im erfindungsgemässen Generator Leistung mit einer Netzrate abgetastet wird und ein Korrektursignal auf den Ultraschallkreis gegeben wird. Mit anderen Worten, es wird ein Netzwechselstrom abgetastet, wobei eine Kompensation der Netzspannungsschwankung durch Abtastung der Kleinsignal-Gleichspannungsschiene ausgeführt wird. Dies wird als bevorzugtes Verfahren zum Beibehalten einer konstanten Ausgangsleistung gegenüber Verfahren angesehen, bei denen ansprechend auf Netzstromänderungen die Teile der Netzwellenform entfernt werden. Es hat sich herausgestellt, dass das Entfernen eines Teils der Netzwellenform eine Verschlechterung der Reinigungswirkung in Lösungen auf Wasserbasis herbeiführt. Je grösser der entfernte Teil der Wellenform ist, um so nachteiliger wird die Reinigungswirkung hierdurch beeinträchtigt. In den meisten, wenn nicht in sämtlichen Ultraschallreinigungsgeneratoren, werden ungeglättete Leistungsversorgungen verwendet. Indem der glättende oder Speicherkondensator aus dem Kreis fort gelassen wird, werden deutlich verbesserte Reinigungsergebnisse erzielt, selbst wenn die mittlere Ultra-schalleistung unter solchen Umständen auf etwa die Hälfte abfällt. Das Spitzen-Mittenleistungsverhältnis ist für das Beibehalten einer guten Reinigungswirkung sehr wichtig. Daher die Verwendung unge-glätteter Versorgungen, Die Entfernung eines Teils der Netzperiodenwellenform hat klare Nachteile, und hierauf beruht die Aufnahme einer Ultraschallimpulsbreitensteuerung beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Leistung unter Verwendung des Netzstroms abgetastet. Alternativ könnte die Leistung unter Verwendung des Ultraschallstroms abgetastet werden, obwohl dies etwas weniger vorteilhaft ist. Dies würde bedeuten, dass dasselbe oder ein ähnliches Steuerelement zur Steuerung der Leistung und Frequenz verwendet werden, und dies könnte zu einer möglichen Wechselwirkung zwischen der Leistungssteuerschleife 26 und der Frequenzsteuerschleife 28 führen. Jedoch wird dieses alternative Steuerungsverfahren als nicht vom Bereich der Erfindung ausgeschlossen betrachtet.

Zusammengefasst bezieht sich somit die Erfindung auf einen Ultraschallgenerator, insbesondere zur Verwendung bei Ultraschallreinigungssystemen, der eine konstante Ultraschalleistungsausga-be für einen Reinigungsbehälter oder eine Reinigungskammer 12 liefert. Eine von einer ungeglätte-ten Netzleistungsversorgung 20a, 20b gespeiste Generatorausgangsstufe 16 empfängt Signale von einem Oszillator 22 über einen Impulsbreitenmodulationskreis 24. Eine leistungsgesteuerte Rückkopplungsschleife 26 überwacht den Netzstrom oder alternativ das Ausgangssignal der Ausgangsstufe und liefert ein Kompensationssignal an den Impuls-breitenmodulationskreis 24. Eine Frequenzsteuer-rückkopplungsschleife 28 tastet den Strom im Ausgangssignal aus der Ausgangsstufe 16 ab und stimmt den Generator für einen maximalen Strom in diesem Ausgangssignal ab.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Ultraschallgenerator, umfassend einen Oszillator (22), eine von einer Netzversorgung gespeiste Ausgangsstufe (16), die Signale aus dem Oszillator empfängt und zum Liefern eines Ultraschallausgangssignals angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Leistungssteuereinrichtung (26), umfassend eine Abtasteinrichtung (34,- 38) zum Überwachen der Netzversorgung (20a, 20b) zur Ausgangsstufe (16) oder des Ausgangssignals (14a, 14b) aus der Ausgangsstufe (16) und eine Impulsbreitenmodulationseinrichtung (24), die mit der Abtasteinrichtung verbunden und angeordnet ist, um ein Korrektursignal zur Ausgangsstufe (16) zu liefern, um den Netzversorgungsstrom oder die Ultraschalleisfungsabgabe für eine konstante Netzversorgungsspannung konstant zu halten.

2. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (34) den von der Ausgangsstufe (16) gezogenen Netzstrom (20a, 20b) überwacht.

3. Ultraschallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (34) einen Transformator umfasst, der in eine Netzversorgungsleitung (20a) zur Ausgangsstufe (16) angeschlossen ist.

4. Ultraschallgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Transformatorausgangssignal durch eine Gieichrichtereinrichtung (54) und eine Filtereinrichtung (R1, C2) zugeführt wird, um eine Signalspannung proportional zum Netzversorgungsstrom zu erzeugen, wobei die Signalspannung an eine Integratoreinrichtung (32) angelegt wird, die eine Steuerspannung für die Impulsbreitenmodulationseinrichtung (24) liefert.

5. Ultraschallgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung aus der Integratoreinrichtung (32) ein proportionales Verstärkungssteuersignal ist.

6. Ultraschallgenerator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Integratoreinrichtung (32) derart ist, dass eine Zunahme des Netzversorgungsstroms eine Verringerung der

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Breite der Ausgangsimpulse aus der Impulsbreitenmodulationseinrichtung (24) hervorruft.

7. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsstufe (16) eine Schaltausgangsstufe der Klasse D ist

8. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (22) von der Ausgangsstufe (16) getrennt ist, um hierdurch eine Anpassung der Ausgangsstufe unabhängig vom Oszillator zu gestatten.

9. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenzsteuereinrichtung (28) so angeordnet ist, dass sie den Strom im Ausgangssignal (14a, 14b) aus der Ausgangsstufe (16) abtastet und den Generator für einen maximalen Strom in diesem Ausgangssignal abstimmt.

10. Ultraschallgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass. die Frequenzsteuereinrichtung (28) einen PLL-Kreis (36) umfasst, dessen Eingangssignal von der Abtastung des Stroms im Ausgangssignal (14a) aus der Ausgangsstufe (16) abgeleitet ist und dessen Ausgangssignal dem Oszillator (22) zugeführt wird.

11. Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal aus der Ausgangsstufe (16) ein amplitudenmoduliertes Signal ist.

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