DE102016118721A1

DE102016118721A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben von Schallwandlern

Info

Publication number: DE102016118721A1
Application number: DE102016118721.6A
Authority: DE
Inventors: Ralf Broszeit
Original assignee: Weber Ultrasonics GmbH
Current assignee: Weber Ultrasonics Ag De
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05
Also published as: WO2018065470A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallschwingers, bei dem der Ultraschallschwinger mittels eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Anregungssignals zu Schwingungen angeregt wird, welches pulsbreitenmodulierte Anregungssignal durch signaltechnische Verknüpfung eines elektrischen Anregungssignals mit einem Pulsbreitenmodulationssignal erzeugt wird, und bei dem das Pulsbreitenmodulationssignal in Abhängigkeit von einer vorgegebenen an den Ultraschallschwinger zu übertragenen Leistung angepasst wird, welches Verfahrens sich dadurch auszeichnet, dass a) ein Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals über die Zeit verändert wird; und/oder b) ein Umschalten des Pulsbreitenmodulationssignals zwischen einem hohen und einem niedrigen Signalpegel in Zeitpunkten erfolgt, die außerhalb eines lokalen Maximums oder eines lokalen Minimums des Anregungssignals oder einer Hüllkurve des Anregungssignals liegen. Auf diese Weise lassen sich Schaltverluste in zur Verfahrensdurchführung verwendeten elektronischen Bauteilen reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Betreiben eines Ultraschallschwingers, bei dem der Ultraschallschwinger mittels eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Anregungssignals zu Schwingungen angeregt wird, welches pulsbreitenmodulierte Anregungssignal durch signaltechnische Verknüpfung eines elektrischen Anregungssignals mit einem Pulsbreitenmodulationssignal erzeugt wird, und bei dem das Pulsbreitenmodulationssignal in Abhängigkeit von einer vorgegebenen an den Ultraschallschwinger zu übertragenen Leistung angepasst wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 zum Betreiben eines Ultraschallschwingers mittels eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Anregungssignals, mit einer Signalerzeugungseinheit, welche Signalerzeugungseinheit dazu ausgebildet und vorgesehen ist, ein Anregungssignal zu erzeugen, und mit einer Steuerungs- oder Regelungseinheit, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, das modulierte elektrische Anregungssignal zwecks Steuerung einer mittels des modulierten Anregungssignals an den Ultraschallschwinger übertragenen mittleren zeitlichen Leistung aus dem Anregungssignals durch Modulieren des Anregungssignals mit einem Pulsbreitenmodulationssignal zu erzeugen.
Außerdem betrifft die Erfindung ein periodisches, elektrisches Signal zum Betreiben eines Ultraschallschwingers.
In der Hochleistungs-Ultraschalltechnik, welche bis in einen Leistungsbereich von mehreren Kilowatt eingesetzt wird, kommen unterschiedliche Schallarten zum Einsatz. Hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs einer Intensität des erzeugten Ultraschalls unterscheidet man üblicherweise zwischen Gleichschall, Doppelhalbwellenschall und Impulsschall. Zur Erzeugung eines üblicherweise zum Betreiben von Schallwandlern (Ultraschallschwingern) eingesetzten Doppelhalbwellensignals wird ein wechselgerichtetes Netzsignal gleichgerichtet, beispielsweise mittels eines Brückengleichrichters. Optional kann das gleichgerichtete Netzsignal mittels einer Siebschaltung geglättet werden. Um den Ultraschallwandlern als Leistungsquelle zu dienen, wird das gleichgerichtete Netzsignal anschließend mittels eines Frequenzumrichters an eine Betriebsfrequenz der Ultraschallwandler angepasst und somit in ein Anregungssignal für die Ultraschallwandler umgewandelt.
Im Rahmen des Betriebs der Ultraschallwandler kann es notwendig sein, die von den Ultraschallwandlern an ihre Umgebung abgegebene (Schall-)Leistung zu variieren. Dabei hängt die abgegebene (Schall-)Leistung der Ultraschallwandler von der vom Anregungssignal an die Ultraschallwandler übertragenen (elektrischen) Leistung ab. Zur Variation der von den Ultraschallwandlern abgegebenen (Schall-)Leistung wird daher die von dem Anregungssignal an die Ultraschallwandler übertragene elektrische Leistung variiert.
In der Regel wird zu diesem Zweck eine sogenannte Pulsbreitenmodulation (abgekürzt: PWM, von engl. Pulse Width Modulation) eingesetzt. Dabei wird das Anregungssignal durch ein (periodisches) Pulsbreitenmodulationssignal modifiziert, indem es zum Beispiel mit diesem multipliziert wird. Üblicherweise wechselt das Pulsbreitenmodulationssignal innerhalb seiner Periode einmal zwischen einer logischen Eins (hoher Signalpegel) und einer logischen Null (niedriger Signalpegel). Das Verhältnis zwischen einer Dauer der logischen Eins und einer Periodendauer des Pulsbreitenmodulationssignals wird als Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals bezeichnet. Durch eine Verringerung des Tastgrads kann ein zeitlicher Mittelwert der Amplitude des Anregungssignals verringert werden. Dadurch kann auch die von dem durch das Pulsbreitenmodulationssignal modifizierten (modulierten) Anregungssignal im zeitlichen Mittel an die Ultraschallwandler übertragene Leistung variiert werden.
Die Ultraschallwandler selbst folgen in ihrem Schwingungsverhalten aufgrund der Trägheit ihrer Masse dem – bedingt durch die Pulsbreitenmodulation – sprunghaft verlaufenden modifizierten Anregungssignal nicht unmittelbar, sondern im Wesentlichen nur dessen zeitlichem Mittelwert. Gegenüber einer schaltungstechnisch deutlich aufwändigeren und verlustbehafteteren Spannungsregelung ist die Pulsbreitenmodulation ein bevorzugtes Mittel, um die von den Ultraschallwandlern an ihre Umgebung, z.B. ein Reinigungsmedium, abgegebene (Schall-)Leistung quasi stufenlos zu variieren.
Zur Erzeugung des modifizierten Anregungssignals bedient man sich häufig Halbleiterbauelementen wie Transistoren, die das Anregungssignal entsprechend sperren oder durchlassen. Bedingt durch die vergleichsweise hohen Leistungen, die zur Anregung der Ultraschallwandler von dem modifizierten Anregungssignal übertragen werden müssen, müssen die Halbleiterbauelemente im Verlauf einer Periode des Anregungssignals teilweise bei hohen Stromstärken schalten. Hierdurch kommt es zu thermischen Verlusten in den Halbleiterbauelementen. Neben dem verminderten Wirkungsgrad der Pulsbreitenmodulation können die thermischen Verluste zu einer Verringerung der Lebensdauer der Halbleiterbauelemente führen.
Beispielhaft ist dies in den 2 bis 5 dargestellt: 2 zeigt die Hüllkurve eines Stromstärkesignal, wie es regelmäßig zur Anregung von Schallwandlern bzw. Ultraschallschwingern verwendet wird. Der Buchstabe I bezeichnet die Amplitude (Stromstärke), der Buchstabe t die Zeit. Das Signal gemäß 2 hat – ohne Beschränkung – eine Frequenz von 100 Hz (Periodendauer: 10 Millisekunden) und geht aus einer Netzfrequenz von 50 Hz durch Gleichrichtung hervor, wie dem Fachmann bekannt ist. Die in 3 noch erkennbaren Schwingungsverläufe unterhalb einer maximalen bzw. oberhalb einer minimalen Amplitude sind in 2 nur aus darstellungstechnischen Gründen nicht enthalten.
3 zeigt – zeitlich aufgelöst – die Entwicklung einer Hüllkurve analog 2 für den Fall, dass zur Leistungsanpassung eine Modifizierung oder Modulation des Anregungssignals mit einer Pulsbreitenmodulation (PWM) mit zeitlich konstanten Eigenschaften, insbesondere zeitlich konstantem Tastgrad, vorgenommen wird. Der mit der Angabe I = I* bezeichnete Pfeil in 3 markiert einen Schaltzeitpunkt, in dem das Anregungssignal aufgrund der PWM zwecks Leistungsanpassung de facto abgeschaltet wird. Dies ist in der Regel gleichbedeutend damit, dass das modulierende PWM-Signal von einem hohen Pegel (1) auf einem niedrigen Pegel (0) wechselt. Gemäß dem in 3 gezeigten Stand der Technik ergibt sich hierbei ein relativ hoher Schaltstrom von – ohne Beschränkung – 25 A, was zu entsprechenden (thermischen) Verlusten in den eingesetzten Schaltelementen führt. 3 bezeichnet I* den vorstehend beschriebenen, relativ hohen Schaltstrom.
4 zeigt in einer anderen Darstellung einen vergleichbaren Sachverhalt wie 2. 5 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung aus 4, wiederum für den Fall einer PWM mit zeitlich konstanten Eigenschaften. Zu Zwecken der Illustration ist in 5 gestrichelt der Verlauf des PWM-Signals schematisch dargestellt. Wiederum ergibt sich an der jeweiligen rechten, fallenden Flanke des High-Level-Pulses ein relativ hoher Schaltstrom von – ohne Beschränkung – 30 A. Das gestrichelte PWM-Signal betrifft nur die positive Halbwelle des Anregungssignals (Stromsignal); für die negative Halbwelle kommt entsprechend ein invertiertes, das heißt um 180 Grad phasenverschobenes PWM-Signal zum Einsatz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben eines Ultraschallschwingers anzugeben, das eine verlustarme Steuerung einer an die Schallwandler übertragenen Leistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie durch ein periodisches, elektrisches Signal mit den Merkmalen des Anspruchs 17 oder 18. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.
Seitens der Anmelderin ist erkannt worden, dass ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallschwingers, bei dem der Ultraschallschwinger mittels eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Anregungssignals zu Schwingungen angeregt wird, welches pulsbreitenmodulierte Anregungssignal durch signaltechnische Verknüpfung eines elektrischen Anregungssignals mit einem Pulsbreitenmodulationssignal erzeugt wird, und bei dem das Pulsbreitenmodulationssignal in Abhängigkeit von einer vorgegebenen an den Ultraschallschwinger zu übertragenen Leistung angepasst wird, besonders vorteilhaft ist, wenn a) ein Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals über die Zeit verändert wird; und/oder b) ein Umschalten des Pulsbreitenmodulationssignals zwischen einem hohen und einem niedrigen Signalpegel in Zeitpunkten erfolgt, die außerhalb eines lokalen Maximums oder eines lokalen Minimums des Anregungssignals oder einer Hüllkurve des Anregungssignals liegen. In beiden Fällen ist es möglich, Verluste durch hohe Schaltströme zu verhindern und so die Effizienz der Leistungssteuerung zu verbessern.
Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der Übersichtlichkeit von Ultraschallwandlern (Ultraschallschwingern) als speziellen Schallwandlern gesprochen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs hierauf beschränkt. Vielmehr eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren sowie die vorteilhaften Weiterbildungen ebenso für andere Schallwandlerarten, beispielsweise Megaschallwandler.
Bei dem Anregungssignal und dem modifizierten Anregungssignal handelt es sich vorzugsweise um Stromstärkesignale. Für die Anwendung der Erfindung macht es keinen Unterschied, ob das Anregungssignal bzw. das modifizierte Anregungssignal im Laufe seiner Periode einen Vorzeichenwechsel erfährt oder nicht. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich beispielsweise gleichermaßen für ein gleichgerichtetes Anregungssignal und für ein wechselgerichtetes Anregungssignal verwenden, auch für ein geglättetes gleichgerichtetes Anregungssignal (sog. Gleichschall).
Bei der im Rahmen der Erfindung verwendeten Pulsbreitenmodulation wechselt das eingesetzte Pulsbreitenmodulationssignal vorzugsweise innerhalb seiner Periode ein einziges Mal zwischen einer logischen Eins (hoher Pegel) und einer logischen Null (niedriger Pegel). Bei der logischen Eins kann das Anregungssignal zur Erzeugung des modifizierten Anregungssignals für die Dauer der logischen Eins durch die Pulsbreitenmodulation unverändert gelassen werden, während bei der logischen Null das Anregungssignal für die Dauer der logischen Null vollständig gesperrt werden kann.
Es ist aber im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass das Anregungssignal für die Dauer der logischen Eins zu einem geringeren Anteil als 100% zur Erzeugung des modifizierten Anregungssignals zur Anregung der Ultraschallwandler verwendet wird. Wesentlich ist, dass der Durchlassungsgrad bei der logischen Eins höher ist als bei der logischen Null.
Von einem zeitlichen Zusammenhang zwischen dem periodischen Anregungssignal und dem Pulsbreitenmodulationssignal im Rahmen einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens spricht man zum Beispiel, wenn die beiden genannten Signale zeitlich synchronisiert werden. Aus Praktikabilitätsgründen kann z.B. ein exakter zeitlicher Verlauf des Anregungssignals durch Berechnung oder Messung ermittelt und das Pulsbreitenmodulationssignal synchron dazu erzeugt sowie mit dem Anregungssignal in Verbindung gebracht werden.
Eine genaue Kenntnis der relativen (zeitlichen) Lage von Anregungssignal und Pulsbreitenmodulationssignal erlaubt eine besonders vorteilhafte zeitliche Lage der Schaltvorgänge im Rahmen der an dem Anregungssignal vorgenommenen Pulsbreitenmodulation. Konkret bedeutet dies, dass das Pulsbreitenmodulationssignal gemäß Variante b) derart mit dem Anregungssignal in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht wird, dass für die im Zuge der Pulsbreitenmodulation in einem Modulator, vorzugsweise Multiplikator, bewirkten Schaltvorgänge Zeitpunkte gewählt werden, in welchen Zeitpunkten das Anregungssignal kein globales Maximum aufweist, vorzugswiese zusätzlich kein lokales Maximum.
Die Variation der von dem Anregungssignal im zeitlichen Mittel an die Ultraschallwandler übertragenen Leistung kann nahezu stufenlos erfolgen. Bekannt ist, dass ein Schalten des Anregungssignals zwischen der logischen Eins und der logischen Null zur Erzeugung des modifizierten Anregungssignals nicht vollkommen verlustfrei durchgeführt werden kann. Dabei ist die in den entsprechenden Schaltelementen des Modulators, beispielsweise Transistoren, erzeugte (thermische) Verlustleistung etwa proportional zu der Amplitude des Anregungssignals zum Zeitpunkt des durch die Pulsbreitenmodulation bewirkten Schaltvorgangs.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann effektiv verhindert werden, dass die durch die Pulsbreitenmodulation bzw. das entsprechende Pulsbreitenmodulationssignal bewirkten Schaltvorgänge bei hohen Amplitudenwerten des Anregungssignals, insbesondere eines Stromstärkesignals, erfolgen. Damit einhergehend können thermische Verluste, die in den hierfür verwendeten elektrischen oder elektronischen Schaltelementen des Modulators auftreten, deutlich verringert werden. Hierdurch können die Ultraschallwandler effizienter betrieben werden. Gleichzeitig kann die Lebensdauer der Schaltelemente des Modulators erhöht werden.
Ein Verhältnis zwischen der Dauer der logischen Eins und der Periodendauer des Pulsbreitenmodulationssignals wird – wie bereits erwähnt – als Tastgrad bezeichnet. Je niedriger der Tastgrad, desto weniger Leistung wird durch das modifizierte Anregungssignal in einem zeitlichen Mittel an die Ultraschallwandler übertragen. Die mittels des modifizierten Anregungssignals an die Ultraschallwandler übertragene mittlere Leistung kann somit durch eine Vorgabe des Tastgrades des Pulsbreitenmodulationssignals gesteuert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Variante a) kann vorgesehen sein, dass der Tastgrad verringert wird, wenn die Amplitude des Anregungssignals oder ein momentaner Wert der Hüllkurve des Anregungssignals d.h. ein Wert der Hüllkurve zu einem bestimmten Zeitpunkt relativ klein ist, vorzugsweise unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, und umgekehrt. Durch eine solche Wahl des Tastgrads können sowohl Amplitudenmaxima des Anregungssignals während der Schaltvorgänge der Pulsbreitenmodulation umgangen, als auch die gewünschte, vom modifizierten Anregungssignal in einem zeitlichen Mittel an die Ultraschallwandler übertragene Leistung auf einfache Art und Weise eingestellt werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Variante a) kann vorgesehen sein, dass der Tastgrad zwischen einem Minimum (minimaler Testgrad-Wert) und einem Maximum (maximaler Testgrad-Wert) verändert wird, vorzugsweise kontinuierlich, und höchst vorzugsweise wieder zurück von dem Maximum zu dem Minimum, wobei das Minimum vorzugsweise größer Null ist.
Vorzugsweise ist der Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals jederzeit, insbesondere also in jedem Teilbereich einer Periode des Anregungssignals, größer Null. Seitens der Anmelderin ist überraschenderweise erkannt worden, dass durch einen Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals, der immer größer Null ist, die nachfolgend beschriebenen Vorteile erzielt werden können:
Erstens sind die Ultraschallwandler einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt, da sie nicht aus einer Ruhelage heraus beschleunigt und in Schwingung versetzt werden müssen. Des Weiteren wird verhindert, dass durch ein mögliches komplettes Ausschalten (Tastgrad ist Null) des Anregungssignals für die Ultraschallwandler schädliche Nebenresonanzen angeregt werden. Zuletzt bringt die beschriebene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteil mit sich, dass keine oder zumindest deutlich weniger unerwünschte elektromagnetische Störsignale während des Betriebs der Ultraschallwandler abgestrahlt werden.
Bei wieder einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Hüllkurve des Anregungssignals einem periodischen Doppelhalbwellensignal entspricht, insbesondere einem Hochfrequenz-Stromsignal mit einer Frequenz, die einer Betriebsfrequenz des Ultraschallschwingers entspricht, vorzugsweise bei einer Resonanz desselben, höchst vorzugsweise bei dessen Parallelresonanz, oder dass eine Hüllkurve des Anregungssignals einem Gleichschallsignal entspricht. Für diesen Anwendungsfall ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren besonders relevante Effizienzsteigerungen. Wie vorstehend bereits angesprochen, bezieht sich der Begriff „Gleichschall“ auf die (zeitlich konstante, flache) Hüllkurve des Anregungssignals. Beim Doppelhalbwellenschall (Doppelhalbwellensignal) ist die Hüllkurve dagegen moduliert auf vorzugsweise 100 Hz (doppelte Netzfrequenz.
In einer alternativen Darstellung zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass durch die Veränderung des Pulsbreitenmodulationssignals – sei es durch eine Änderung der Signalform über die Zeit oder durch eine Verschiebung der PWM-Pulse (mit hohem Pegel) bezüglich einem Maximum einer Hüllkurve des Anregungssignals – eine Art Amplitudenmodulation oder ein betragsmäßiges Beschneiden einer Hüllkurve des Anregungssignals vorgenommen wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zeichnet sich dadurch aus, dass gemäß Variante a) zumindest zeitweise für eine Anzahl an Perioden des Anregungssignals oder dessen Hüllkurve wenigstens ein erster Zeitabschnitt mit einem relativ größeren Tastgrad und wenigstens ein zweiter Zeitabschnitt mit einem relativ kleineren Tastgrad gewählt wird, was eine spezielle Form der bereits beschriebenen zeitlichen Veränderung des Tastgrads darstellt.
Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Zeitabschnitt und der zweite Zeitabschnitt in der Summe gerade einer Periodendauer des Anregungssignals oder dessen Hüllkurve entsprechen.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass der erste Zeitabschnitt bezüglich eines Scheitels der Hüllkurve verschoben gewählt wird, wobei vorzugsweise der Scheitel außerhalb des ersten Zeitabschnitts liegt. Dies stellt eine spezielle Realisierung der weiter oben allgemein beschriebenen Variante b) dar.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine zeitliche Dauer des ersten Zeitabschnitts und eine zeitliche Dauer des zweiten Zeitabschnitts und ein mittlerer Tastgrad in dem ersten Zeitabschnitt und ein mittlerer Tastgrad in dem zweiten Zeitabschnitt zwecks Leistungsanpassung aufeinander abgestimmt werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zusätzlich zur Leistungssteuerung eine Frequenz des Anregungssignals auf einen Wert in einem Bereich zwischen einer Serienresonanz und einer Parallelresonanz des Ultraschallschwingers eingestellt wird, welcher Bereich die genannten Resonanzfrequenzen mit umfasst, obwohl grundsätzlich ein Betrieb bei oder nahe der Parallelresonanz des Ultraschallschwingers bevorzugt ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das Pulsbreitenmodulationssignal und das Anregungssignal mittels einer Erfassung von Zeitpunkten innerhalb einer Periode des Anregungssignals, in welchen Zeitpunkten das Anregungssignal einen bestimmten Wert aufweist, insbesondere den Wert Null, synchronisiert. Diese Methode ist schaltungstechnisch einfach zu realisieren, wodurch die Betriebs- und Realisierungskosten für das erfindungsgemäße Verfahren gesenkt werden können.
Vorzugsweise erfolgt die Synchronisierung von Anregungssignal und Pulsbreitenmodulationssignal derart, dass eine Periodendauer des Anregungssignals ein ganzzahliges Vielfaches einer Periodendauer des Pulsbreitenmodulationssignals ist. Dadurch ist eine zeitliche Abstimmung der beiden Signale besonders einfach durchzuführen.
Vorteilhafterweise wird der Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals nach einer Anzahl von durchlaufenen Perioden des Anregungssignals geändert. Die Änderung des Tastgrades nach einer Anzahl von durchlaufenen Perioden des Anregungssignals kann insbesondere im Rahmen einer Rückmeldung der tatsächlich während der Schaltvorgänge an den Schaltelementen anliegenden Amplitude des Anregungssignals erfolgen. Hierdurch können etwaige geringfügige Fehler bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der zeitlichen Synchronisierung, erkannt und beseitigt werden.
Bevorzugt wird das Anregungssignal dadurch erzeugt, dass a) ein Netzsignal mittels einer Gleichrichtungsschaltung, vorzugsweise mittels eines Brückengleichrichters, in ein gleichgerichtetes Signal gewandelt wird; b) optional das gleichgerichtete Signal mittels einer Siebschaltung geglättet wird; c) das gleichgerichtete, optional geglättete Signal mittels einer Wechselrichterschaltung in ein wechselgerichtetes Signal gewandelt wird, wobei eine Frequenz des wechselgerichteten Signals an eine Betriebsfrequenz der Schallwandler, vorzugsweise Ultraschallwandler, angepasst wird; und d) das wechselgerichtete Signal mittels eines für die Betriebsfrequenz der Schallwandler geeigneten Transformators in seiner Amplitude angepasst wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Ultraschallschwingers mittels eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Anregungssignals, mit einer Signalerzeugungseinheit, welche Signalerzeugungseinheit dazu ausgebildet und vorgesehen ist, ein Anregungssignal zu erzeugen, und mit einer Steuerungs- oder Regelungseinheit, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, das modulierte elektrische Anregungssignal zwecks Steuerung einer mittels des modulierten Anregungssignals an den Ultraschallschwinger übertragenen mittleren zeitlichen Leistung aus dem Anregungssignals durch Modulieren des Anregungssignals mit einem Pulsbreitenmodulationssignal zu erzeugen, zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungs- oder Regelungseinheit weiterhin dazu ausgebildet und vorgesehen ist, a) einen Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals in Abhängigkeit von einer Eigenschaft des Anregungssignals über die Zeit zu verändern; und/oder b) ein Umschalten des Pulsbreitenmodulationssignals zwischen einem hohen und einem niedrigen Signalpegel in Zeitpunkten zu veranlassen, welche Zeitpunkte außerhalb eines lokalen Maximums oder eines lokalen Minimums des Anregungssignals oder einer Hüllkurve des Anregungssignals liegen.
Eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Steuerungs- oder Regelungseinheit weiterhin dazu ausgebildet und vorgesehen ist, den Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals in Abhängigkeit von einer Amplitude einer Hüllkurve des Anregungssignals zu verändern.
Eine zweite Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Steuerungs- oder Regelungseinheit weiterhin dazu ausgebildet und vorgesehen ist, den Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals von einem vorgegebenen minimalen Tastgrad-Wert bis zu einem vorgegebenen maximalen Tastgrad-Wert zu verändern, vorzugsweise kontinuierlich, und höchst vorzugsweise anschließend von dem vorgegebenen maximalen Tastgrad-Wert zurück zu dem vorgegebenen minimalen Tastgrad-Wert.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Anregungssignal ein periodisches Signal ist, vorzugsweise ein Hochfrequenz-Stromsignal, und eine entsprechende Periodendauer aufweist.
Auf die entsprechenden Vorteile wurde weiter oben bereits hingewiesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein periodisches, elektrisches Signal zum Betreiben eines oder mehrerer Schallwandler, insbesondere Ultraschallwandler, bzw. zum Betreiben eines Ultraschallschwingers, welches Signal gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Verfahrens aus dem (nicht modifizierten) Anregungssignal erzeugt wurde, insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung betrifft ein periodisches, elektrisches Signal zum Betreiben eines oder mehrerer Schallwandler, insbesondere Ultraschallwandler, bzw. zum Betreiben eines Ultraschallschwingers, welches periodische elektrische Signal eine Hüllkurve aufweist, die innerhalb einer Periode des Signals an wenigstens einer ersten Stelle und einer zweiten eine Unstetigkeit aufweist, wobei die erste Stelle und die zweite Stelle in aufsteigender Reihenfolge zeitlich aufeinander folgen. Ein solches Signal kann durch eine Art Amplitudenmodulation oder ein betragsmäßiges Beschneiden der Hüllkurve des Anregungssignals entstehen – sei es durch eine Änderung der Signalform des PWM-Modulationssignals über die Zeit und/oder durch eine Verschiebung der PWM-Pulse (mit hohem Pegel) bezüglich einem Maximum einer Hüllkurve des Anregungssignals.
Das Signal kann sich weiterhin dadurch auszeichnen, dass in einem Zeitintervall zwischen den Unstetigkeitsstellen eine maximale oder zeitlich gemittelte Amplitude der Hüllkurve größer ist als in einem verbleibenden Zeitintervall der Periode des Signals.
Weitere bevorzugte Merkmale und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
1 zeigt eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung;
2 zeigt die Hüllkurve eines elektrischen Anregungssignals zum Anregen von Ultraschallschwingern;
3 zeigt das Signal gemäß 2 bei Anwendung einer vorbekannten PWM;
4 zeigt eine andere Darstellung eines Signals analog 2;
5 zeigt eine Veränderung des Signals aus 4 bei Anwendung einer Vorbekannten PWM;
6 zeigt eine Veränderung des Signals aus 2 bei Anwendung einer erfindungsgemäßen PWM;
7 zeigt eine alternative Darstellung des Signalverlaufs aus 6;
8 verdeutlicht die Auswirkung der Erfindung auf den resultierenden Schaltstrom;
9 zeigt eine mögliche Pulsfolge einer im Rahmen der Erfindung verwendeten PWM;
10 zeigt zu unterschiedlichen Zeiten eine zeitliche Variation des eingesetzten PWM-Signals zusammen mit einem zu modulierenden Anregungssignal;
11 definiert verschiedene Parameter eines Signals analog 6; und
12 zeigt eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Beeinflussung eines Signals gemäß 2.
1 zeigt eine Darstellung einer beispielhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird mittels einer Signalerzeugungseinheit 21, einem Multiplikator 22 und einer Steuerungs- oder Regelungseinheit 14 ein modifiziertes periodisches, elektrisches Anregungssignal 15 aus einem Netzsignal 6 erzeugt und dazu verwendet, Ultraschallwandler (Ultraschallschwinger) 1 in Schwingung zu versetzen. Diese geben aufgrund der Anregung Schallenergie in ein Ultraschallreinigungsbecken 16 ab, das mit einer Flüssigkeit 17, beispielsweise Wasser, gefüllt ist. Mittels der erzeugten Schallenergie werden in bekannter Weise in dem Ultraschallreinigungsbecken 16 befindliche Bauteile 18 oder dgl. von Verunreinigungen gereinigt. Bei den Ultraschallwandlern 1 kann es sich, ohne Beschränkung, um piezoelektrische Schwinger handeln.
Die Signalerzeugungseinheit 21 umfasst eine Gleichrichtungsschaltung 7, eine optionale Siebschaltung 9, eine Wechselrichtungsschaltung 11 und einen Transformator 13. Der Signalerzeugungseinheit 21 nachgeschaltet ist der Multiplikator 22. Der Multiplikator 22 weist darüber hinaus eine Verbindung mit der Steuerungs- oder Regelungseinheit 14 auf. Ein Ausgang des Multiplikators 22 ist mit den Ultraschallwandlern 1 verbunden.
Das Netzsignal 6 ist ein wechselgerichtetes, sinusförmiges Signal mit einer Schwingungsfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz. In der Gleichrichtungsschaltung 7 wird ein negativer Signalanteil des Netzsignals 6, d.h. eine negative Sinushalbwelle des Netzsignals 6 an der Amplituden-Nullachse gespiegelt, so dass eine Periodendauer des Netzsignals 6 halbiert wird und das Netzsignal 6 keine negativen Signalanteile mehr aufweist. Bildlich gesprochen wird die negative Sinushalbwelle innerhalb einer ursprünglichen Periode des Netzsignals 6 nach oben geklappt, so dass das Netzsignal 6 aus einer zeitlichen Aneinanderreihung von positiven Sinushalbwellen besteht (Doppelhalbwellensignal). Hierzu kann ein an sich bekannter Brückengleichrichter 7 verwendet werden, weshalb an dieser Stelle aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Beschreibung dessen Funktionsweise verzichtet wird.
Das durch den (Brücken-)Gleichrichter 7 gleichgerichtete Signal 8 kann anschließend mittels einer optionalen Siebschaltung 9 geglättet werden. Die Glättung erfolgt beispielsweise mittels eines dem (Brücken-)Gleichrichter 7 nachgeschalteten Kapazität. Durch die Glättung wird ein Wechselspannungsanteil des gleichgerichteten Signals 8 verringert. Bildlich gesprochen wird dabei ein Abfall der positiven Sinushabwelle des gleichgerichteten Signals 8 verringert, sodass das Signal 8 insgesamt „flachere“ Wellen aufweist. Man spricht auch von einer verringerten Welligkeit des gleichgerichteten Signals 8.
Wird keine Glättung des gleichgerichteten Signals 8 durchgeführt, so gelangt das Signal über eine alternative Signalleitung 8a direkt in die Wechselrichterschaltung 11. Das gleichgerichtete, optional geglättete Signal 10 wird mittels der Wechselrichterschaltung 11 in ein wechselgerichtetes Signal 12 gewandelt. Dabei wird eine Schwingungsfrequenz des wechselgerichteten Signals 12 an eine Betriebsfrequenz der Ultraschallwandler 1 angepasst. Die Betriebsfrequenz der Ultraschallwandler 1 kann, ohne die Erfindung darauf zu beschränken, in einem Bereich von mehreren kHz bis zu mehreren MHz liegen.
Eine Amplitude des wechselgerichteten Signals 12 wird mittels eines für die Betriebsfrequenz der Ultraschallwandler 1 geeigneten Transformators 13 angepasst, woraus das Anregungssignal 2 resultiert. Der Multiplikator 22 und die damit verbundene Steuerungs- oder Regelungseinheit 14 sind der Signalerzeugungseinheit 21 nachgeschaltet.
Im Anschluss wird das Anregungssignal 2 mittels einer Pulsbreitenmodulation und dem dazugehörigen Pulsbreitenmodulationssignal 3 modifiziert. Das Pulsbreitenmodulationssignal 3 wird dabei durch die Steuerungs- oder Regelungseinheit 14 erzeugt und in dem Multiplikator 22 mit dem Anregungssignal 2 multipliziert. Die Multiplikation erfolgt dabei mittels entsprechender Schaltelemente (nicht gezeigt) des Multiplikators 22, welche das Anregungssignal 2 gemäß Vorgabe durch das Pulsbreitenmodulationssignal 3 sperren oder durchlassen bzw. teilweise sperren/durchlassen.
In an sich bekannter Weise wird die Pulsbreitenmodulation dazu verwendet, eine mittlere, von dem modifizierten Anregungssignal 15 an die Ultraschallwandler 1 übertragene Leistung zu steuern. In den entsprechenden Schaltelementen (nicht dargestellt) des Multiplikators 22 kommt es während des Schaltens des Anregungssignals 2 zu thermisch bedingten Schaltverlusten, die durch das erfindungsgemäße Verfahren verringert werden können. Die Funktionsweise und der Ablauf der Pulsbreitenmodulation werden anhand der 6 bis 12 genauer beschrieben.
Über eine optional vorhandene Messleitung 19 kann die Steuerungs- oder Regelungseinheit 14 das aus dem Zusammenwirken von Anregungssignal 2 und Pulsbreitenmodulationssignal 3 resultierende periodische, elektrische Signal 15 überwachen und mittels einer geeigneten Regelung das Pulsbreitenmodulationssignal 3 anpassen. Zusätzlich kann eine Messleitung 20 von dem Ausgang des Transformators 13 zu der Steuerungs- oder Regelungseinheit 14 verlaufen, um beispielsweise eine zeitliche Erfassung des Anregungssignals 2 vorzunehmen. Hierdurch kann die Steuerungs- oder Regelungseinheit 14 eine zeitliche Synchronisierung von Anregungssignal 2 und Pulsbreitenmodulationssignal 3 durchführen. Diese kann zu einer besonders vorteilhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Weitere Informationen hierzu finden sich in der nachfolgenden Beschreibung der 6 bis 12.
Alternativ zur der exemplarischen Ausgestaltung gemäß 1 kann vorgesehen sein, auf einen separaten Modulator (bei Bezugszeichen 14) zu verzichten und mittels einer Steuerungs- und Regelungseinheit direkt auf eine Ansteuereinheit (bei Bezugszeichen 11) für eine Leistungsendstufe (vor dem Transformator 13) zuzugreifen. Der Transformator 13 (ausgenommen ein ggf. vorhandenes Anpassnetzwerk) ist der Leistungsendstufe nachgeschaltet, und die Leistungsendstufe schaltet das bereits modulierte (Anregungs-)Signal. Diese alternative Realisierung weicht also von der in 1 dargestellten Variante ab, wo nacheinander zunächst der Transformator 13, dann ein „Modulator“ 14 und schließlich der Ultraschallschwinger 1 dargestellt sind.
6 zeigt ein Hüllkurvensignal (Hüllkurve eines Stromstärke-Anregungssignals für einen Ultraschallschwinger; vgl. 1) welches nach einem erfindungsgemäßen Verfahren verändert wurde. Wie der 6 zu entnehmen ist, weist das Anregungssignal bzw. dessen Hüllkurve periodisch wiederkehrende Bereiche mit relativ großer Amplitude A1 und dazwischen Bereiche mit relativ kleiner annähernd konstanter Amplitude A2 auf. Dies wird erfindungsgemäß durch eine zeitliche Veränderung des Tastgrads der zum modifizieren des Signals eingesetzten PWM erreicht. Im einfachsten Fall kann dies bedeuten, dass der in 6 mit den Bezugszeichen T bezeichnete Tastgrad des PWM-Signals in den Bereichen, das heißt in einem ersten Zeitabschnitt mit hoher Amplitude A1 über einem Schwellwert S liegt, und in den Bereichen, das heißt in einem zweiten Zeitabschnitt mit niedrigerer Amplitude A2 darunter. Grundsätzlich gilt aber in jedem Fall, dass in den Bereichen A1 der Tastgrads größer ist als in den Bereichen A2. Dabei kann die Veränderung des Tastgrads T auch kontinuierlich oder nach einem sonstigen Schema erfolgen, worauf exemplarisch weiter unten anhand von 10 noch genauer eingegangen wird.
Phänomenologisch ergibt sich auf diese Weise eine Art Amplitudenmodulation des Hüllkurvensignals mit periodisch wiederkehrenden Bereichen relativ hoher Amplitude A1 und dazwischenliegenden Bereichen mit niedriger Amplitude A2. Die Hüllkurve weist entsprechend an wenigstens zwei zeitlich aufeinander folgenden Stellen Unstetigkeiten auf, nämlich an den Wechselstellen zwischen Amplitude A1 und Amplitude A2. Die Summe der zugehörigen Zeitabschnitte t1 und t2 kann vorzugsweise gerade einer Periode des Hüllkurvensignals entsprechen.
Wie man der 6 noch entnimmt, ist der Tastgrad T auch in den Bereichen mit niedriger Amplitude A2 nicht Null, so dass für alle Zeitpunkte t gilt: T < 0. Auf diese Weise kommt es niemals zu einem kompletten Stillstand der Ultraschallschwinger, was sich nach Erkenntnissen der Anmelderin vorteilhaft auswirkt, worauf weiter oben bereits hingewiesen wurde.
7 zeigt eine andere Darstellung eines Signalverlaufs analog 6 in Form einer Art Amplitudenmodulation oder „Beschneidung“ der Hüllkurve gemäß 2, wiederum mit periodisch wiederkehrenden Bereichen großer Amplitude A1 und dazwischenliegenden Bereichen kleiner Amplitude A2 (A2 > 0).
8 zeigt eine Darstellung des erfindungsgemäß beschnittenen Hüllkurvensignals in zeitlicher Auflösung (vgl. den Stand der Technik gemäß 3). Wie man der 8 entnimmt, resultiert aufgrund der erfindungsgemäßen Beschneidung der Hüllkurve durch eine zeitlich variable PWM ein deutlich niedriger Schaltstrom, was in 8 mit I < I* bezeichnet ist, wobei I* den deutlich höheren Schaltstrom gemäß dem Stand der Technik angibt (vgl. 3). Dies führt zu einer deutlichen Reduktion von thermischen Verlusten (thermischer Belastung) der zum Schalten verwendeten Bauelemente.
Erreicht wird diese Verbesserung, wie bereits beschrieben, durch eine zeitlich veränderliche PWM. Ein entsprechendes PWM-Signal ist exemplarisch in 9 dargestellt – dort für die positive Halbwelle des Anregungssignals (Stromstärkesignal); das PWM-Signal für die negative Halbwelle wäre gegenüber dem Signal in 9 invertiert, das heißt um 180 Grad phasenverschoben. Die Beschaffenheit beider PWM-Signale ist vorzugsweise identisch; schaltungstechnisch kann vorgesehen sein, dass jedes der PWM-Signale ein gegensätzliches Transistorpaar der verwendeten Endstufe schaltet. Dadurch entstehen positive und negative Wellen, wovon bislang (der Einfachheit halber) nur die positiven explizit betrachtet wurden.
9 zeigt die zeitliche Abfolge von PWM-Pulsen bzw. einen entsprechenden Spannungsverlauf (Spannung V) über die Zeit t. Wie man der 9 leicht entnimmt, verändert sich der Tastgrad T von einem maximalen Wert (links in 9) hin zu einem minimalen Wert (rechts in 9), und umgekehrt. In den beiden Fällen bezeichnet das Bezugszeichen P eine (konstante) Periode des PWM-Signals, während Bezugszeichen H_max die zeitliche Dauer des hohen Signalpegels bei maximalen Tastgrad T_max und H_min die zeitliche Dauer des hohen Signalpegels bei minimalen Tastgrad T_min angibt. Wie einleitend definiert, ergibt sich der jeweilige Tastgrad gemäß T_max = H_max/P bzw. T_min = H_min/P. Gemäß 9 verändert sich Tastgrad kontinuierlich von T_max nach T_min und umgekehrt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt. Erfindungsgemäß fallen Abschnitte mit (im Mittel) größerem Tastgrad mit Abschnitten zusammen, in denen das Anregungssignal eine relativ große Amplitude aufweist. In diesen Bereichen können prinzipiell die größten Schaltverluste anfallen, und die erfindungsgemäße Vergrößerung des Tastgrades trägt dazu bei, derartige Schaltverluste zu vermeiden. Dagegen liegen Abschnitte mit relativ geringem Tastgrad erfindungsgemäß in solchen Signalabschnitten, in denen das zu modifizierende Signal eine relativ kleine Amplitude aufweist. Hier fallen Schaltverluste deutlich weniger ins Gewicht.
Vorzugweise sorgt eine vorgegebene Regelung automatisch für die Anpassung des Tastgrades, insbesondere gemäß 9, in Abhängigkeit von einer abzugebenden oder bereitzustellenden Leistung.
10 verdeutlicht anhand von Teilabbildungen a) bis c), die zeitlich aufeinander folgende Signalabschnitte darstellen, wie eine erfindungsgemäße zeitliche Veränderung des PWM-Signals aussehen kann. 10 bezeichnet t wiederum die Zeit, während I ein Stromstärkesignal (positive und negative Halbwellen) zur Anregung von Ultraschallschwingern bzw. dessen Amplitude bezeichnet. Bezugszeichen V bezeichnet den Signalpegel der (positiven) Rechteckpulse des PWM-Signals. Analog zu 9 ist wiederum nur das PWM-Signal für die positiven Halbwellen des Anregungssignals dargestellt; das PWM-Signal für die negativen Halbwellen ergäbe sich durch Invertierung (Phasenverschiebung um 180 Grad).
In Teilabbildung a) von 10 ist zu erkennen, wie der Tastgrad des PWM-Signals von einem minimalen Tastgrad-Wert größer Null mit zunehmender Amplitude des Anregungssignals sukzessiven vergrößert wird bis auf einen vorgegebenen maximalen Tastgrad-Wert. Auf diese Weise lassen sich Schaltungsverluste bei der Modulation reduzieren, weil aufgrund der breiteren PWM-Pulse tendenziell der Schaltvorgang außerhalb eines Scheitelwerts bzw. einer maximalen Amplitude des Anregungssignals erfolgt.
Teilabbildung b) zeigt einen zeitlichen Abschnitt, in dem das Anregungssignal über einen längeren Zeitraum eine relativ große Amplitude aufweist, dementsprechend wird erfindungsgemäß dauerhaft ein relativ hoher Tastgrad für das PWM-Signal gewählt, der über den in Teilabbildung b) gezeigten Zeitbereich im Wesentlichen unverändert bleibt.
In Teilabbildung c) ist dann der zu Teilabbildung a) umgekehrte Fall dargestellt, wonach der Tastgrad des PWM-Signals sukzessive verringert wird, vorzugsweise bis auf einen minimalen Tastgrad-Wert (nicht gezeigt), während eine Amplitude des Anregungssignals entsprechend abnimmt.
11 zeigt einen Signalverlauf, wie er bereits weiter oben anhand von 6 und 7 exemplarisch beschrieben wurde, und dient zur Verdeutlichung bestimmter Parameter, die im Rahmen der Erfindung eine Rolle spielen können. In 11 bezeichnet t1 eine zeitliche Dauer der Abschnitte mit relativ großer Amplitude A1 des Anregungssignals, während t2 die zeitliche Dauer von Abschnitten des Anregungssignals mit relativ kleiner Amplitude A2 (nach Beschneidung der Hüllkurve) bezeichnet. Anders ausgedrückt: t1 bezeichnet die zeitliche Dauer von Abschnitten mit relativ großem Tastgrad, während t2 die zeitliche Dauer von Abschnitten mit relativ kleinem Tastgrad bezeichnet.
Durch Anpassen der genannten Parameter t1, t2 beziehungsweise A1, A2 relativ zueinander lässt sich die mittels des Anregungssignals abgegebene Leistung (Ausgangsleistung) gezielt verändern. Beispielhaft sei nachfolgend auf bestimmte Auswirkungen derartiger Parameteränderungen genauer eingegangen:
Eine Vergrößerung von t1 bei entsprechender Verringerung von t2 und einem Festhalten der Werte A1, A2 sorgt für mehr Ausgangsleistung.
Dagegen sorgt eine Verkleinerung von t1 bei entsprechender Vergrößerung von t2 und einem Festhalten von A1 und A2 für weniger Ausgangsleistung.
Ein Festhalten von t1 und t2 bei Vergrößerung von A1 und einem Beibehalten von A2 sorgt für mehr Ausgangsleistung.
Ein Festhalten von t1 und t2 bei Vergrößerung von A1 und Verringerung von A2 sorgt dafür, dass die abgegebene Leistung gleich bleibt oder sich vergrößert.
Ein Festhalten von t1 und t2 bei gleichzeitigem Festhalten von A1 und Vergrößerung von A2 sorgt wiederum dafür, dass mehr Ausgangsleistung bereitgestellt werden kann.
Schließlich bedeutet ein Festhalten von t1 und t2 bei gleichzeitigem Festhalten von A1 und eine Verringerung von A2, dass weniger Ausgangsleistung bereitgestellt werden kann.
Es zeigt sich, dass unterschiedliche Parameterverhältnisse dazu führen können, dass die Ausgangsleistung des entsprechenden Geräts, beispielsweise eines Ultraschallgenerators, gleich bleibt. Allerdings ändert sich dann die Spitzenleistung, was ein mögliches Ergebnis der Ultraschallabstrahlung, beispielsweise ein Reinigungsergebnis, beeinflusst. Es ist auf diese Weise möglich, die Impuls- bzw. Spitzenleistung unabhängig von einer mittleren Leistungsabgabe (Mittelwert) zu beeinflussen bzw. zu regeln.
12 illustriert eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Beeinflussung der Leistungsabgabe. In 12 sind rechts und links der mittleren gestrichelten Linie Ausschnitte aus einer Hüllkurve gemäß 2 dargestellt, bei denen jeweils ein Zeitabschnitt t1 bzw. t1* dargestellt ist, welcher analog zur Darstellung in 11 in dem Abschnitt mit relativ größerem Tastgrad entspricht. Eine Änderung der abgegebenen Leistung kann, wie die Anmelderin erkannt hat, auch durch eine zeitliche Verschiebung des genannten Bereichs mit größerem Tastgrad erzielt werden, da man hierbei den Scheitelwert des zeitlichen Verlauf (des Hüllkurvensignals) verlässt.
Im linken Teil der 12 ist der Zeitabschnitt t1 so gewählt, dass der Scheitelwert des zeitlichen Verlaufs des Anregungssignals genau in diesem Bereich fällt. Verschiebt man nun diesen Bereich, das heißt man wählt einen Zeitabschnitt t1*, wie im rechten Teil der Figur dargestellt, wobei man den Scheitelwert des zeitlichen Verlaufs verlässt, so reduzieren sich die Ausgangsleistung und zugleich der maximale Schaltstrom. Dies kann wiederum dazu beitragen, entsprechende Schaltverluste, beispielsweise einer (Leistungs-)Endstufe, zu reduzieren, was eine Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Verfahren darstellt.
Es sei abschließend angemerkt, dass der Signalverlauf beispielsweise gemäß 6, 7 oder 11 in der Darstellung einer an sich bekannten ASK-Modulation ähnelt. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf derartige Signalformen beschränkt: So kann der zeitliche Verlauf der Leistungsabgabe durch entsprechende Anpassung des verwendeten PWM-Signals auch andere Formen annehmen, beispielsweise eine Dreiecksform, eine Sinusform oder dergleichen.
Bei einem gleichgerichteten und geglätteten Anregungssignal, beispielsweise der Zwischenkreisspannung eines Ultraschallgenerators, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, eine Signalform zu erzeugen, die in seiner Frequenz unabhängig von der Netzfrequenz ist. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn es bei hohen Generatorleistungen erforderlich wird, einen dreiphasigen Netzanschluss vorzusehen, da die benötigten Betriebsströme für einen einphasigen Netzanschluss zu groß wären. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können – anders als nach dem Stand der Technik – auch in einem solchen System die regelmäßig verwendeten Schallformen, wie ein „Doppel-Halbwellenschall“ nachgebildet und genutzt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallschwingers (1), bei dem der Ultraschallschwinger mittels eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Anregungssignals (15) zu Schwingungen angeregt wird, welches pulsbreitenmodulierte Anregungssignal (15) durch signaltechnische Verknüpfung eines elektrischen Anregungssignals (2) mit einem Pulsbreitenmodulationssignal (3) erzeugt wird, und bei dem das Pulsbreitenmodulationssignal (3) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen an den Ultraschallschwinger (1) zu übertragenen Leistung angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein Tastgrad (T) des Pulsbreitenmodulationssignals (3) über die Zeit (t) verändert wird; und/oder b) ein Umschalten des Pulsbreitenmodulationssignals (3) zwischen einem hohen und einem niedrigen Signalpegel in Zeitpunkten erfolgt, die außerhalb eines lokalen Maximums oder eines lokalen Minimums des Anregungssignals (2) oder einer Hüllkurve des Anregungssignals (2) liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Variante a) der Tastgrad (T) verringert wird, wenn die Amplitude des Anregungssignals (2) oder ein momentaner Wert der Hüllkurve des Anregungssignals (2) relativ klein ist, vorzugsweise unterhalb einer vorgegebenen Schwelle (S) liegt, und umgekehrt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Variante a) der Tastgrad (T) zwischen einem Minimum (T_min) und einem Maximum (T_max) verändert wird, vorzugsweise kontinuierlich, und höchst vorzugsweise wieder zurück von dem Maximum (T_max) zu dem Minimum (T_min), wobei das Minimum (T_min) vorzugsweise größer Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hüllkurve des Anregungssignals (2) einem periodischen Doppelhalbwellensignal entspricht, insbesondere einem Hochfrequenz-Stromsignal mit einer Frequenz, die einer Betriebsfrequenz des Ultraschallschwingers (1) entspricht, vorzugsweise bei einer Resonanz desselben, höchst vorzugsweise bei dessen Parallelresonanz, oder dass eine Hüllkurve des Anregungssignals (2) einem Gleichschallsignal entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Veränderung des Pulsbreitenmodulationssignals (3) eine Art Amplitudenmodulation oder ein betragsmäßiges Beschneiden einer Hüllkurve des Anregungssignals (2) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Variante a) zumindest zeitweise für eine Anzahl an Perioden des Anregungssignals (2) oder dessen Hüllkurve wenigstens ein erster Zeitabschnitt (t1) mit einem relativ größeren Tastgrad und wenigstens ein zweiter Zeitabschnitt (t2) mit einem relativ kleineren Tastgrad gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitabschnitt (t1) und der zweite Zeitabschnitt (t2) in der Summe einer Periodendauer des Anregungssignals (2) oder dessen Hüllkurve entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitabschnitt (t1*) bezüglich eines Scheitels der Hüllkurve verschoben gewählt wird, wobei vorzugsweise der Scheitel außerhalb des ersten Zeitabschnitts (t1*) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Dauer des ersten Zeitabschnitts (t1) und eine zeitliche Dauer des zweiten Zeitabschnitts (t2) und ein mittlerer Tastgrad in dem ersten Zeitabschnitt und ein mittlerer Tastgrad in dem zweiten Zeitabschnitt zwecks Leistungsanpassung aufeinander abgestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Frequenz des Anregungssignals (2) auf einen Wert in einem Bereich zwischen einer Serienresonanz und einer Parallelresonanz des Ultraschallschwingers (1) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal (2) dadurch erzeugt wird, dass a) ein Netzsignal (6) mittels einer Gleichrichtungsschaltung (7), vorzugsweise mittels eines Brückengleichrichters (7), in ein gleichgerichtetes Signal (8) gewandelt wird; b) optional das gleichgerichtete Signal (8) mittels einer Siebschaltung (9) geglättet wird; c) das gleichgerichtete, optional geglättete Signal (10) mittels einer Wechselrichterschaltung (11) in ein wechselgerichtetes Signal (12) gewandelt wird, wobei eine Frequenz des wechselgerichteten Signals (12) an eine Betriebsfrequenz der Schallwandler (1), vorzugsweise Ultraschallwandler (1), angepasst wird; und d) das wechselgerichtete Signal (12) mittels eines für die Betriebsfrequenz der Schallwandler (1) geeigneten Transformators (13) in seiner Amplitude angepasst wird.
Vorrichtung zum Betreiben eines Ultraschallschwingers mittels eines pulsbreitenmodulierten elektrischen Anregungssignals (15), mit einer Signalerzeugungseinheit (21), welche Signalerzeugungseinheit (21) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, ein Anregungssignal (2) zu erzeugen, und mit einer Steuerungs- oder Regelungseinheit (14), die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, das modulierte elektrische Anregungssignal (2) zwecks Steuerung einer mittels des modulierten Anregungssignals (15) an den Ultraschallschwinger (1) übertragenen mittleren zeitlichen Leistung aus dem Anregungssignals (2) durch Modulieren des Anregungssignals (2) mit einem Pulsbreitenmodulationssignal (3) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- oder Regelungseinheit (14) weiterhin dazu ausgebildet und vorgesehen ist, a) einen Tastgrad (T) des Pulsbreitenmodulationssignals (3) in Abhängigkeit von einer Eigenschaft des Anregungssignals (2) über die Zeit (t) zu verändern; und/oder b) ein Umschalten des Pulsbreitenmodulationssignals (3) zwischen einem hohen und einem niedrigen Signalpegel in Zeitpunkten zu veranlassen, welche Zeitpunkte außerhalb eines lokalen Maximums oder eines lokalen Minimums des Anregungssignals (2) oder einer Hüllkurve des Anregungssignals liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Steuerungs- oder Regelungseinheit (14) weiterhin dazu ausgebildet und vorgesehen ist, den Tastgrad (T) des Pulsbreitenmodulationssignals (3) in Abhängigkeit von einer Amplitude einer Hüllkurve des Anregungssignals (2) zu verändern.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Steuerungs- oder Regelungseinheit (14) weiterhin dazu ausgebildet und vorgesehen ist, den Tastgrad des Pulsbreitenmodulationssignals (3) von einem vorgegebenen minimalen Tastgrad-Wert (T_min) bis zu einem vorgegebenen maximalen Tastgrad-Wert (T_max) zu verändern, vorzugsweise kontinuierlich, und höchst vorzugsweise anschließend von dem vorgegebenen maximalen Tastgrad-Wert (T_max) zurück zu dem vorgegebenen minimalen Tastgrad-Wert(T_min).
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der vorgegebene minimale Tastgrad-Wert (T_min) größer Null ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der das Anregungssignal (2) ein periodisches Signal ist, vorzugsweise ein Hochfrequenz-Stromsignal, und eine Periodendauer (P) aufweist.
Periodisches, elektrisches Signal (15) zum Betreiben eines Ultraschallschwingers (1), das gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder mittels der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16 aus dem Anregungssignal (2) erzeugt wurde.
Periodisches, elektrisches Signal (15) zum Betreiben eines Ultraschallschwingers (1), welches periodische elektrische Signal (15) eine Hüllkurve aufweist, die innerhalb einer Periode des Signals (15) an wenigstens einer ersten Stelle und einer zweiten eine Unstetigkeit aufweist, wobei die erste Stelle und die zweite Stelle in aufsteigender Reihenfolge zeitlich aufeinander folgen.
Signal (15) nach Anspruch 18, bei dem in einem Zeitintervall (t1) zwischen den Stellen eine maximale oder zeitlich gemittelte Amplitude der Hüllkurve größer ist als in einem verbleibenden Zeitintervall (t2) der Periode des Signals (15).