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Die
Erfindung betrifft einen HF-Chirurgiegenerator zur Erzeugung von
Ausgangsleistungen mit hohem Wirkungsgrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 mit einer ersten Stufe zur Erzeugung einer HF-Leistung, die mit
einer zweiten Stufe gekoppelt ist, wobei die zweite Stufe einen
Eingang (A, B) und einen Ausgang (C, D) aufweist, und wobei sich zwischen
dem Eingang (A, B) und dem Ausgang (C, D) der zweiten Stufe ein
Serienresonanz-Schaltkreis befindet.
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Die
stetige Entwicklung der HF-Chirurgie in den letzten Jahren führte zu
Verfahren zur Kontaktkoagulation (Tumordevitalisierung), zu Methoden
für (Unterwasser-)Gewebeschnitte
und für
(Unterwasser-)Gewebevaporisation. Zur Durchführung dieser Verfahren werden
HF-Generatoren eingesetzt, die mit hohen Dauerleistungen und mit
sehr hohen Pulsleistungen und/oder langen Aktivierungszeiten arbeiten.
Zugleich steigen jedoch auch die Anforderungen an die elektromagnetische
Verträglichkeit
(EMV) der eingesetzten HF-Generatoren, weil die Störung anderer
elektromedizinischer Geräte,
beispielsweise für das
Patientenmonitoring oder zur Diagnostik, immer weniger akzeptabel
wird. Die notwendigen Maßnahmen
zur Gewährleistung
der Eigenstörfestigkeit
solcher HF-Generatoren, die trotzdem die geforderten hohen HF-Leistungen
erzielen, sind dadurch nur noch unter einem hohem entwicklungstechnischen Aufwand
zu realisieren.
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Aus
der
DE 39 04 558 A1 ist
es bekannt, zur HF-Leistungserzeugung Schaltungsanordnungen bestehend
aus Serien- und/oder Parallelresonanzkreisen zu verwenden, die von
Leistungshalbleitern im Schaltbetrieb gespeist werden. Für die Ausgangscharakteristik
der HF-Generatoren sind neben den Netzteileigenschaften (inklusive
ggf. vorhandener Regelungen) vor allem die Gestaltung dieser Resonanzkreise
und die Art ihrer Speisung – die
ebenso als Stellgröße für Regelungen
dienen kann – von
entscheidender Bedeutung. Dabei ist bekannt, dass die Resonanzfrequenz
sowie der Eingangswiderstand und mithin das Übersetzungsverhältnis solcher
Resonanzkreise im wesentlichen von dem Lastwiderstand abhängig sind.
Dies führt
bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen
zur Realisierung von HF-Generatoren
mit Resonanzkreisen dazu, dass sich je nach Betriebsart bei einer
bestimmten Frequenz die Resonanz aufspaltet, da die im HF-Generator
verwendeten Serien- und Parallelresonanzkreise ab einem bestimmten
Lastwiderstandsbereich miteinander interagieren. Um dennoch die
geforderte hohe Ausgangsleistung zu erzielen, wären jedoch unter anderem ungünstig hohe Netzteilströme notwendig.
Dies wirkt sich einerseits negativ auf den Wirkungsgrad des HF-Generators aus
und führt
andererseits zu einem Betrieb des HF-Generators mit nicht-sinusförmigen Eingangsstrom,
wodurch sich auch die EMV-Eigenschaften des HF-Generators verschlechtern.
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Die 4a und 5a zeigen
verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Topologien von Resonanzkreisen,
wie sie zur Erzeugung von HF-Leistungen eingesetzt werden. In diesen
Fällen lässt sich
für eine
zusätzliche
lastwiderstandsunabhängige
Impedanztransformation durch die Struktur Lp,
L2 ein (streuungsbehafteter) Transformator
integrieren.
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Die 4b,
c und 5b, c zeigen die zur jeweiligen
Topologie gehörigen
Verläufe
der Resonanzfrequenz fr, des Filtereingangswiderstandes
RE, sowie der maximalen Ausgangsleistung Pa,max und -spannung
Ua,max als Funktion des Lastwiderstandes RL.
Die beiden letzteren sind zusätzlich
von der Art der Speisung abhängig.
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Hier
wurde eine Speisung mit einer Rechteckspannung der entsprechenden
Resonanzfrequenz und ein Netzteil mit einer maximalen Ausgangsspannung
U0 und ei nem maximalen Ausgangsstrom I0 angenommen. Unter diesen Bedingungen transformiert
sich der optimale Lastwiderstand Ropt = U0/I0 in den optimalen
Filtereingangswiderstand REopt = 8/pi^2·Ropt.
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Für RE < REopt arbeitet
das Netzteil in der Strombegrenzung und für RE > REopt in der Spannungsbegrenzung. In
Anlehnung an die Eigenschaften idealer Resonanzkreise werden Resonanzstellen,
an welchen sich das Filter wie ein Serienresonanzkreis (SRK) bzw.
Parallelresonanzkreis (PRK) verhält,
als Serienresonanzen (SR) bzw. Parallelresonanzen (PR) bezeichnet.
In den 4b, c und 5b,
c sind Serienresonanzen mit unterbrochener Linie und Parallelresonanzen
mit durchgezogene Linie dargestellt.
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Darüber hinaus
zeigen die 4b und 5b jeweils
alle für
das Filter möglichen
Resonanzstellen, aber nur die bei der jeweils gewählten Art
der Frequenzrückkopplung
tatsächlich
auftretenden Betriebsfrequenzen sind mit durchgehender Linie dargestellt.
Nur für
diese Frequenzen sind in den 4c und 5c der
Filtereingangswiderstand RE mit durchgehender Linie sowie die maximale
Ausgangsleistung Pa,max mit unterbrochener
Linie und die maximale Ausgangsspitzenspannung Uamaxp mit strichpunktierter
Linie dargestellt.
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Zur
Charakterisierung der Kurvenverläufe sind
die belasteten Güten
der Einzelresonanzkreise Q1 = 1/RL·sqrt(L1/C1), Q2 = 1/RL·sqrt(L2/C2)
und Qp = RL·sqrt(Cp/Lp)
hilfreich.
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Die
Verzweigung der Resonanzkurven findet beim Lastwiderstand RO statt, der sich in 4b aus Qp
= Q2 und in 5b aus Qp = Q1 + Q2 ergibt.
Die Verzweigung findet, wie hier dargestellt, dann genau in einem
Punkt statt, wenn die Resonanzfrequenzen der Einzelresonanzkreise übereinstimmen.
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Die 4a zeigt
einen aus dem Stand der Technik bekannten Resonanzkreis zur Erzeugung von
Ausgangsleistungen mit einem am Eingang A, B liegenden Parallelresonanzschwingkreis
(PRK) bestehend aus einer Kapazität Cp und
einer Induktivität Lp, einem Serienresonanzschwingkreis mit einer
Induktivität
L2 und Kapazität C2 und
einer Last RL am Ausgang C, D. Diese Anordnung
ist in Zusammenhang mit der gängigerweise
angewandten Spannungsspeisung ungeeignet zur Erfüllung der Anforderungen nach
hoher HF-Leistungsabgabe und gutem Wirkungsgrad, weil sich dabei
ein stark nichtsinusförmiger
Eingangsstrom einstellt. Zwar würde hier
eine Stromspeisung entsprechende Abhilfe schaffen. Die Speisung
mit einer Stromquelle ist jedoch vergleichsweise aufwändig.
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Aus
der 4b ist ersichtlich, dass sich die Resonanzfrequenz
für kleine
Lastwiderstände
aufspaltet, weil der Parallelresonanzschwingkreis PRK und Ausgangs-Serienresonanzschwingkreis
SRK interagieren. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz mit
abnehmendem Lastwiderstand.
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5a zeigt
einen aus dem Stand der Technik bekannten Resonanzkreis zur Erzeugung
von Ausgangsleistungen mit einem am Eingang A, B liegenden Serienresonanzschwingkreis
SRK bestehend aus einer Induktivität L1 und
einer Kapazität
C1, einem Parallelresonanzschwingkreis PRK
mit einer Kapazität
Cp und einer Induktivität Lp,
einem Serienresonanzschwingkreis SRK mit einer Induktivität L2 und Kapazität C2 und
einer Last RL am Ausgang C, D.
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Diese
Schaltungstopologie ist zwar für
eine Spannungsspeisung geeignet, sie besitzt jedoch den Nachteil,
dass sich für
große
Lastwiderstände
die Serienresonanz aufspaltet und dadurch stark verschiebt, wie
dies aus 5b ersichtlich ist, da der Eingangs-SRK
und PRK miteinander interagieren und die zugehörigen Eingangswiderstände dabei derart
kleine Werte annehmen, dass ungünstig
große Netzteilströme nötig wären, um
die gewünschte
Ausgangsleistung zu erzielen. Um dies zu vermeiden ist eine Umschaltung
auf Parallelresonanz nötig.
Dies führt
jedoch zu einem Betriebsmodus mit nichtsinusförmigem Eingangsstrom, der die
EMV-Eigenschaften
der Anordnung negativ beeinträchtigen
würde.
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Wie
obenstehend erläutert,
bestehen also die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen
zur Minimierung der genannten Nachteile bislang darin, die Schaltungsanordnung
eines HF-Generators je nach Anwendungsfall entweder mit einer Strom-
oder einer Spannungsspeisung zu versehen. Die schaltungstechnische
Realisierung dazu ist jedoch oftmals aufwändig.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen
HF-Generator zur
Erzeugung von Ausgangsleistungen derart weiterzubilden, dass die
aus dem Stand der Technik bekannten und oben diskutierten Probleme
und Nachteile vermindert und insbesondere eine hohe HF-Leistungsabgabe mit
hohem Wirkungsgrad in einem möglichst
großen Lastwiderstandsbereich
bei gleichzeitig guten EMV-Eigenschaften erreicht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
HF-Generator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
bei dem parallel zum Eingang (A, B) eine Induktivität (Lp) und parallel zum Ausgang (C, D) eine Kapazität (Cp) geschaltet sind, so dass der HF-Generator über einen
breiten Lastwiderstandsbereich in Resonanz betreibbar ist.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass durch die parallele
Induktivität
am Eingang die Wirkung eines sonst üblicherweise an ihrer Stelle
eingesetzten Parallelresonanzkreises (PRK) und damit die Aufspaltung
der Resonanzen bei einer bestimmten Betriebsfrequenz verhindert
wird und dass die Kapazität,
die parallel zum Ausgang geschaltet ist, eine Serienresonanz auch über einen breiten
Lastwiderstandsbereich gewährleistet.
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In
einer besonderen Realisierung des HF-Generators ist es vorgesehen,
dass die Ausgangskapazität
Cp eine Kapazität aufweist, die betragsmäßig groß ist gegenüber der
Kapazität
eines Kondensators C2 des Serienresonanz-Schaltkreises. Diese
Dimensionierung erlaubt es, dass die Generatorfrequenz nur eine
geringe Abhängigkeit
von dem Lastwiderstand aufweist. Aufgrund der betragsmäßigen Größe der Ausgangskapazität Cp gegenüber
in der Praxis auftretenden kapazitiven Lasten, wie sie beispielsweise
durch Ausgangsleitungen oder Endoskope verursacht werden, tritt
insbesondere auch keine wesentliche Abhängigkeit der HF-Generatoreigenschaften
bei unterschiedlicher kapazitiver Belastung auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des HF-Generators ist
es vorgesehen, dass die erste Stufe eine Rechteckspannung erzeugt,
deren Phasenlage mit einem in den Eingang (A, B) der zweiten Stufe
hineinfließenden
Eingangsstrom synchronisiert ist. Dadurch wird erreicht, dass der
HF-Generator im gewählten
Lastwiderstandsbereich in Resonanz betrieben werden kann und ein
Nullspannungs- und Nullstromschalten (ZVS und ZCS) der Leistungshalbleiter
durch eine minimale induktive Verstimmung gewährleistet wird. Die Phasensynchronisation
kann dabei auf einfache Weise mit einer PLL-Schaltung realisiert
werden.
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Als
vorteilhaft für
den erfindungsgemäßen HF-Generator
ist es, wenn der HF-Chirugiegenerator einen
Spannungsregler zur Überwachung
einer Ausgangsspannung UA am Ausgang (C,
D) der zweiten Stufe aufweist. Denn insbesondere für große Lastwiderstände steigt
die maximale Ausgangspannung stark an, was durch eine entsprechende
Schaltungsanordnung verhindert werden muss. Eine, jedoch nicht darauf
beschränkte
Möglichkeit
besteht darin, die Netzteilspannung entsprechend zu reduzieren. Der
Spannungsregler kann also zur Regelung eines Netzteils verwendet
werden, welches die erste Stufe versorgt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des HF-Generators
ist es darüber
hinaus vorgesehen, dass eine Überspannungs-Schutzeinrichtung, die
als Varistor ausgebildet sein kann, zwischen dem Verknüpfungspunkt
von L2 und C2 sowie
der Patientenmasse (D bzw. B) eingefügt wird. Auf diese Weise wird
dafür Sorge
getragen, dass bei einem plötzlichen
Lastabfall zum Schutz vor Überspannung
die Ausgangsspannung UA bis zum Wirksamwerden
eines Reglereingriffs auf unkritische Werte begrenzt wird.
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Als
besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist ein chirurgisches
System mit einem HF-Chirugiegenerator mit einem chirurgischen Gerät zur Behandlung
von Gewebe vorgesehen, das eine Last (RL)
mit kapazitivem Anteil darstellt, die am Ausgang (C, D) der zweiten
Stufe anliegt. Dabei ist die Kapazität des Ausgangskondensators
(Cp) betragsmäßig groß gegenüber dem kapazitiven Anteil
der Last (RL). Durch eine derartige Dimensionierung
wird sichergestellt, dass das chirugische System mit dem HF-Chirugiegenerator über einen
breiten Lastwiderstandsbe reich in Resonanz betrieben werden kann. Zudem
wird dadurch eine Verringerung der Abhängigkeit der Generatoreigenschaften
bei unterschiedlicher kapazitiver Belastung erreicht.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
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Hierbei
zeigen:
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1a–1c eine
Topologie eines Resonanzkreises zur HF-Leistungserzeugung und den
dazugehörigen
Verläufen
verschiedener Ausgangsgrößen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
detaillierte Schaltung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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3a–3b einen
Resonanzfrequenzverlauf und die Ausgangscharakteristik des erfindungsgemäßen HF-Generators
gemäß 2.
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4a–4c eine
aus dem Stand der Technik bekannte Topologie eines Resonanzkreises zur
HF-Leistungserzeugung mit einem Eingangs-Parallelresonanzschwingkreis mit den
dazugehörigen Verläufen verschiedener
Ausgangsgrößen; und
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5a–5c eine
aus dem Stand der Technik bekannte Topologie eines Resonanzkreises zur
HF-Leistungserzeugung mit einem Eingangs-Serienresonanzschwingkreis mit den dazugehörigen Verläufen verschiedener
Ausgangsgrößen;
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1a zeigt
einen Resonanzkreis gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer am Eingang A, B parallel liegenden Induktivität Lp, einem Serienresonanzschwingkreis SRK mit
einer Induktivität
L2 und Kapazität C2 und
einer am Ausgang C, D parallel liegenden Kapazität Cp und
einer Last RL.
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Die
Nachteile der in 4a und 5a beschriebenen
und aus dem Stand der Technik bekannten Topologien lassen sich mit
der Topologie gemäß 1a vermeiden,
indem die Wirkung eines PRK durch die Parallelinduktivität Lp ersetzt und damit die Aufspaltung der Resonanzen
verhindert wird. Durch das zusätzliche
Hinzufügen
der Kapazität
Cp wird ein Betrieb der Schaltung in Serienresonanz
auch für große Lastwiderstände RL gewährleistet
wird. Ein Eingangs-SRK ist dann nicht mehr zwingend nötig. Die
Serienresonanzkapazität
C2 kann teilweise und die Serienresonanzinduktivität L2 kann auch ganz unter Berücksichtigung
des Übersetzungsverhältnisses bei
einem vorhandenen Transformator auf dessen Primärseite verlagert werden. Die
durch die Verlagerung der Serienblindelemente C2 und
L2 auf die Primärseite eines Transformators
entstandenen Topologien zeigen prinzipiell keine anderen Eigenschaften und
sind im Sinne der Erfindung als gleichwirkend anzusehen.
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Die
in der 1a dargestellte Topologie weist
eine durchgängige
Serienresonanz auf, deren Lastabhängigkeit gering gehalten werden
kann, wenn Cp >> C2 gewählt
wird. Diese Ausführungsform des
Resonanzkreises kann beispielweise durch eine mit einer Halb- oder
Vollbrücke
erzeugten Rechteckspannung, deren Phasenlage mit dem Filtereingangsstrom
synchronisiert ist, im gesamten Lastwiderstandsbereich in Resonanz
betrieben werden. Durch eine minimal induktive Verstimmung wird
Nullspannungs- und Nullstromschalten (ZVS und ZCS) der Leistungshalbleiter
gewährleistet.
Die Phasensynchronisation kann auf einfache Weise mit einer PLL-Schaltung realisiert
werden.
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Alternativ
kann auch mit einer direkten Rückkopplung
des Stromsignals auf die Ansteuerung der Resonanzbetrieb gewährleistet
werden. Durch symmetrische, kontinuierliche Ansteuerung wird ein
Ausgangssignal mit einem sehr geringen Klirrgrad erzeugt. Dies erlaubt
die Auswertung von Oberwellen als Messgröße für Gewebeeigenschaften und zur
Sicherung einer hohen Prozeßqualität.
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Darüber hinaus
lassen sich durch geeignete Dimensionierung hohe Ausgangsleistungen
speziell bei kleinen Lastwiderständen
und damit hohe Ausgangsströme
erzielen, wie sie etwa für
Verfahren in der Urologie und zur bipolaren Gefäßkoagulation benötigt werden.
Gleichzeitig lässt
sich für
den gesamten relevanten Lastwiderstandsbereich, insbesondere für den oberen
Bereich, ein relativ großer
Filtereingangswiderstand realisieren. Dadurch sind keine allzu großen Netzteilströme erforderlich,
was eine wesentliche Voraussetzung für den hohen Wirkungsgrad ist.
Günstiges
EMV-Verhalten des HF-Generators kann dadurch gewährleistet werden, da Nullspannungs-
und Nullstromschalten (ZCS und ZVS-Betrieb) der Leistungshalbleiter
möglich
ist und sich im gesamten Betriebsbereich ein sinusförmiger Eingangsstrom
einstellt.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen HF-Generator.
Dieser besteht aus einen Netzteil 7 und einer ersten Stufe 2, die
mit einer zweiten Stufe 3 gekoppelt ist. Die erste Stufe 2 weist
im dargestellten Ausführungsbeispiel eine
Treiberstufe 9, die als Vollbrücke ausgebildet ist und eine
Rechteckspannung erzeugt und eine PLL-Schaltung 11 zur
Phasensynchronisation der von der Treiberstufe erzeugten Rechteckspannung mit
einem Eingangsstrom Irk auf. Die zweite
Stufe 3 weist einen Eingang A, B und einen Ausgang C, D auf,
wobei sich zwischen dem Eingang A, B und dem Ausgang C, D der zweiten
Stufe 3 ein Serienresonanz-Schaltkreis 4 mit einer Induktivität L2 (200 μH) und
einer Kapazität
C2 (1 nF) befindet. Parallel zum Eingang
A, B liegt eine Induktivität
Lp (196 μH)
und parallel zum Ausgang C, D sind eine Kapazität Cp (4 nF)
angeordnet und eine Last RL geschaltet.
Zwischen dem Verknüpfungspunkt
von L2 und C2 sowie dem
Ausgang D befindet sich eine Überspannungsschutzeinrichtung 8 mit
einem Überspannungsschutz für Spannungen
bis zu 1 kV, die beispielsweise als Varistor ausgebildet sein kann.
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Über einen
Spannungsregler 6 wird die Ausgangsspannung UA am
Ausgang C, D überwacht.
Bei einem plötzlichen
Lastabfall begrenzt zunächst
der Überspannungs schutz 8 die
Ausgangsspannung UA bis zum Wirksamwerden
eines Reglereingriffs auf unkritische Werte. Die gezeigte Ausführungsform
sieht vor, dass der Spannungsregler 6 über die rückgekoppelte Ausgangsspannung
UA das Netzteil 7 regelt, welches
die erste Stufe 2 versorgt.
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3a und 3b zeigen
jeweils den Resonanzfrequenzverlauf und die Ausgangscharakteristik des
in 2 dargestellten HF-Generators. Die Parameter des
für die
Ausgangscharakteristik zugrunde gelegten Netzteils sind U0 = 300 V und I0 =
4 A. Der optimale Filtereingangswiderstand für max. Ausgangsleistung ergibt
sich zu: REopt = 60.8 Ω.
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Da
die Kapazität
Cp am Ausgang C, D groß gegenüber der Kapazität C2 des Serienresonanzkreises gewählt ist,
tritt nur eine relativ geringe Abhängigkeit der Generatorfrequenz
vom Lastwiderstand auf. Dadurch, dass die Kapazität Cp groß gegenüber in der
Praxis (durch Ausgangsleitungen oder Endoskope) auftretenden kapazitiven
Lasten gewählt
ist, tritt insbesondere auch keine wesentliche Abhängigkeit der
Generatoreigenschaften bei unterschiedlicher kapazitiver Belastung
auf. Das ist günstig
für die
Auslegung einer PLL-Schaltung und vereinfacht die Messung und Auswertung
der Ausgangssignale. Mit unterbrochener Linie ist in 3a ein
Toleranzschema für
die Ausgangsleistung eingetragen, wie es für einen Generator für die bipolare
TUR angestrebt wird. In der gespreizten Darstellung des unteren
Lastwiderstandsbereichs der 3b kann
man erkennen, dass das Toleranzschema erfüllt wird.
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- 1
- HF-Chirugiegenerator
- 2
- erste
Stufe des HF-Chirugiegenerators
- 3
- zweite
Stufe des HF-Chirugiegenerators
- 4
- Serienresonanz-Schaltkreis
- 5
- Eingangsstrom
- 6
- Spannungsregler
- 7
- Netzteil
- 8
- Überspannungs-Schutzeinrichtung
- 9
- Treiberstufe
- 11
- PLL-Schaltung
- A,
B
- Eingang
der zweiten Stufe
- C,
D
- Ausgang
der zweiten Stufe
- Cp
- Ausgangskapazität
- C2
- Kapazität des Serienresonanzkreises
- Ik
- Eingangsstrom
- Lp
- Induktivität
- L2
- Induktivität
- RL
- Lastwiderstand
- UA
- Ausgangsspannung
der zweiten Stufe