DE1238702B - Ultraschall-Generator zum Erregen eines piezoelektrischen Elementes - Google Patents

Description

DEUTSCHES ^WVSSS" PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: 42 s -1/00

Nummer: 1238 702

Aktenzeichen: J 26703IX a/42 s

1 238 702 Anmeldetag: 15.Oktober 1964

Auslegetag: 13. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Generator zur elektrischen Erregung eines piezoelektrischen Elementes, das einen elektrostriktiven oder magnetostriktiven Effekt aufweist. Sie betrifft insbesondere diejenigen Elemente, die bestimmt und besonders geeignet sind zur Erzeugung von Ultraschall. Dabei kommt der Erfindung besondere Bedeutung bei der Werkstoffprüfung, insbesondere bei dem Aufsuchen von Homogenitätsfehlern in Werkstoffen, wie z. B. in Metallstücken, zu.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Ultraschall-Generator einfacher und mit weniger Aufwand zu realisieren, insbesondere ihn so auszulegen, daß er mit verhältnismäßig niedriger Spannung gespeist werden kann. Das Gerät soll vor allem auch tragbar und billig sein.

Erfindungsgemäß wird ein Transistor verwendet, dessen Kollektorstrom bei einer bestimmten Kollektorspannung plötzlich auf einen hohen, praktisch nur durch den äußeren Stromkreis und die Gleichspannungsquelle begrenzten Wert ansteigt, wobei die Kollektorspannung sehr schnell auf einen niedrigen Wert springt, und daß dieser Spannungssprung zur Erregung des piezoelektrischen Elementes dient.

Bei Verwendung eines npn-Transistors wird vorzugsweise der Kollektor über einen ersten Widerstand an den positiven Pol und der Emitter über einen zweiten Widerstand und die Basis dieses Transistors unmittelbar an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen und das piezoelektrische Element einerseits mit dem Kollektor, andererseits mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Der negative Pol kann dabei geerdet sein.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ebenfalls mit einem npn-Transistor arbeitet, ist das piezoelektrische Element zwischen dem Emitter und dem Minuspol der Gleichspannungsquelle angeschlossen und der Kollektor über einen Widerstand mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle und über einen Kondensator mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Die Kapazität dieses Kondensators ist dabei vorzugsweise größer als die des piezoelektrischen Elementes.

Die zuletzt genannte Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn das piezoelektrische Element auch als Empfänger dient und die von ihm erzeugten Signale über ein Koaxialkabel zu einem Auswertungssystem geleitet werden müssen. In diesem Fall kann der Abschlußwiderstand des Koaxialkabels direkt als Löschwiderstand dienen, der dann zwischen dem Mittelleiter des Kabels und dem negativen Pol der Ultraschall-Generator zum Erregen eines
piezoelektrischen Elementes

Anmelder:

Institut de Recherches de la Siderurgie Frangaise, Saint Germain-en-Laye, Seine-et-Oise
(Frankreich)

Vertreter:

Dr.-Ing. Ε. Maier, Patentanwalt,
Stuttgart 1, Werastr. 24

Als Erfinder benannt:
Marcel Cheques, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 24. Oktober 1963 (951686)

Gleichspannungsquelle liegt. Außerdem ist es vielfach zweckmäßig, die Basis des Transistors an einen veränderbaren Abgriff eines Widerstandes zu legen, der einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle so parallel geschaltet ist, daß dieser Abgriff gegenüber dem Minuspol der Gleichspannungsquelle negativ ist. Auch hat es sich als zweckmäßig erwiesen, in den Entladestromkreis des piezoelektrischen Elementes eine Drossel zu schalten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Figuren beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.

F i g. 1 zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektorspannung eines Spezialtransistors, der erfindungsgemäß zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen herangezogen wird; in

F i g. 2 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt;

F i g. 3, 4 und 5 zeigen Weiterbildungen dieses Ausführungsbeispiels;

F i g. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Es ist bekannt, zur elektrischen Erregung eines piezoelektrischen Kristalls, der zur Emission von Ultraschall, insbesondere zur diskontinuierlichen Emission bestimmt ist, Hochvakuum oder Gasentladungsröhren zu verwenden, die mit sehr hohen Spannungen gespeist werden müssen, die in der Größenordnung von mehreren tausend Volt liegen.

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Es war daher notwendig, einen besonderen Hochspannungsgenerator zu verwenden, der von der eigentlichen Ultraschallquelle getrennt war und mit ihr über ein spezielles Kabel verbunden werden mußte. Diese Verbindung hatte eine Verzerrung des übertragenen Signals und eine Schwächung der Energie zur Folge. Außerdem waren diese bekannten Apparate umfangreich, schwer und teuer.

Diese Nachteile lassen sich durch Anwendung der Erfindung vermeiden, deren Wesen in der Anwen- to dung eines Mesatransistors zur Erzeugung einer plötzlichen Spannungänderung besteht, die auf das piezoelektrische Element übertragen wird.

Bei einer großen Anzahl von Transistoren fehlt dieses Phänomen der plötzlichen Spannungsänderung. Es tritt aber bei bestimmten Transistoren auf, die meist unter der Bezeichnung Mesatransistor bekanntgeworden sind.

Zur Erläuterung dieses Phänomens wird auf F i g. 1 Bezug genommen, wo eine Kennlinie gezeigt ist, die den Verlauf des Kollektorstromes abhängig von der Kollektorspannung wiedergibt. Dabei ist eine Basis-Emitter-Spannung vorausgesetzt, deren Wert und Vorzeichen so gewählt ist, daß der Transistor in einem Sperrzustand gehalten wird. Bei pnp-Transistören kann diese Spannung positive, leicht negative Werte aufweisen oder auch Null sein. Bei npn-Transistoren kann die Spannung negativ, Null oder leicht positiv sein.

Aus der Darstellung nach Fig. 1 erkennt man, daß der Differentialquozent der Kurve bei einem Kollektorspannungswert V₂ unendlich groß und anschließend sogar negativ wird. Das bedeutet, daß der Kollektorstrom sehr hohe Werte, insbesondere mehrere Ampere, annehmen kann, sobald die Kollektorspannung diesen Wert V₂ erreicht, wobei gleichzeitig die Kollektorspannung ganz plötzlich auf einen Wert V₁ abfällt.

Diese plötzliche Spannungsänderung wird ganz oder teilweise, auf direktem oder indirektem Wege, dem Kristall zur Erregung zugeführt.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in F i g. 2 dargestellt ist, wird dieser Spannungsimpuls in voller Größe und unmittelbar dem Kristall 1 zugeführt, der zwischen dem Kollektor 2 und dem negativen Pol der einen Gleichspannungsquelle 4 liegt. Der Kollektor 2 ist über einen Widerstand 5 mit dem positiven Pol dieser Gleichspannungsquelle verbunden. Die Basis 6 des npn-Transistors 3 liegt unmittelbar an dem negativen Pol dieser Gleichspannungsquelle. Der Emitter 7 ist dagegen über einen Widerstände mit diesem negativen Pol verbunden.

Zunächst ist der Transistor vollkommen gesperrt, da seine Basis direkt und sein Emitter über einen Widerstand mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind. Die Spannung der Quelle 4 lädt zunehmend den Kondensator, der durch den Kristall gebildet wird, auf. Sobald die Spannung an dem Kristall, die ja zugleich auch an der Kollektorstrecke des Transistors liegt, den Wert V₂ erreicht, wird der Transistors voll leitend, und der "von dem Kristall gebildete Kondensator entlädt sich über die Emitter-Kollektor-Strecke, und, wenn die Zunahme des Kollektorstromes größer als die Abnahme der Emitter-Kollektor-Spannung ist, dann wächst der Strom schlagartig sehr stark an und wird nur noch durch den Widerstand 8 begrenzt, wobei diese Ent-

ladung außerordentlich schnell vor sich geht. Dabei vermindert sich die Spannung an den Klemmen des Kristalls von dem Wert V₂ auf den Wert V₁ in außerordentlich kurzer Zeit, die in der Größenordnung von Nanosekungen (10~⁹ Sekunden) liegt.

Dieser plötzliche Spannungssprung erregt in dem Kristall Schwingungen, deren Frequenz in dem Ultraschallbereich liegt.

Nach Entladung wird der Strom wieder sehr klein, und der Transistor sperrt erneut. Diesem Zustand entspricht in F i g. 1 der Arbeitspunkt B. Damit beginnt erneut die Aufladung des Kristalls aus der Spannungsquelle 4 über den Widerstand 5, und das zuvor geschilderte Spiel wiederholt sich periodisch.

Mitunter soll der Kristall Ultraschallimpulse von kurzer Dauer liefern, so z. B. wenn es darum geht, sehr genaue Ultraschallschweißungen durchzuführen. In solchen Fällen kann man die Schwingungen des Kristalls auslöschen, z. B. mit mechanischen Hilfsmitteln beliebiger Form, aber auch auf elektrische Weise, indem man parallel zum Kristall einen Löschstromkreis legt. Ausführungsbeispiele solcher Löschstromkreise sind in den F i g. 3 und 4 abgebildet.

Der erste dieser Stromkreise, in F i g. 3 dargestellt, besteht lediglich aus einem Widerstand 11, der mit einem Kondensator 12 in Serie geschaltet ist, dessen Kapazität viel kleiner als die des Kristalls 1 ist und eine sehr kleine Impedanz bei seiner Resonanzfrequenz aufweist.

Der zweite in F i g. 4 dargestellte Löschstromkreis enthält außer dem Widerstand 11 und dem Kondensator 12 noch eine Drossel 13, wobei alle diese Elemente in der Serie geschaltet sind und auf die Resonanzfrequenz des Kristalls abgestimmt sind.

Wenn man den Kristall 1 nicht nur zur Schwingungserzeugung sondern auch als Empfänger für Ultraschallschwingungen benutzen will, dann kann man den Kristall über Koaxialkabel an ein der Verstärkung und Auswertung dienendes System anschließen, wobei das Kabel zweckmäßig in geeigneter Weise mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen ist. Eine solche Anordnung ist in F i g. 5 gezeigt, wobei das Verstärkersystem mit 14, das Koaxialkabel mit 15 und der Abschlußwiderstand mit 16 bezeichnet ist. Letzterer muß mit einem Kondensator 17 in Serie geschaltet werden, damit durch ihn die Wiederaufladung des Kristalls über den Widerstand 5 nicht beeinträchtigt wird. Dieser Widerstand 16 spielt hierbei vorzugsweise auch die Rolle eines Löschstromkreises, wie er in F i g. 3 oder 4 dargestellt ist.

In dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kristall 1 nicht mehr der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors parallel geschaltet, sondern er liegt zwischen dem Emitter 7 und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 4. Zwischen dem Kollektor des Transistors 3 und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 4 liegt ein zusätzlicher Kondensator 18. Auch hier ist der Kollektor 2 des Transistors über einen Widerstand 5 mit dem positiven Pol dieser Gleichspannungsquelle 4 verbunden. Außerdem ist auch hier ein Koaxialkabel 15 vorhanden, das mit seinem charakteristischen Widerstand 16 abgeschlossen ist und zur Übertragung der von dem Kristall erzeugten elektrischen Signale zu einer Auswerteinrichtung 14 dient, sofern der Kristall als Empfänger arbeitet.

Die Basis 6 des Transistors ist hierbei nicht direkt mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 4,

Claims (8)

5 6 sondern mit einem Abgriff eines regelbaren Wider- lässige Werte zu begrenzen. Hierzu kann man z. B. Standes 19 verbunden, der einer PBlfsgleichspan- wie in Fig. 2 gezeigt, einen Widerstand 8 in den nungsquelle 20 derartig parallel geschaltet ist, daß Emitterkreis legen. Den gleichen Zweck kann man der Abgriff negativ gegenüber dem mit dem negati- aber auch mit einer Drossel 23 erreichen, wie z. B. in ven Pol der Gleichspannungsquelle 4 verbundenen 5 F i g. 6 dargestellt, die ebenfalls in dem EntladeEnde des Widerstandes ist. Dadurch wird der Über- Stromkreis, sei es emitter- oder kollektorseitig, eingegang von dem leitenden in den sperrenden Zustand schaltet wird. Bei den beschriebenen Ausführungsbeschleunigt, beispielen läßt sich beispielsweise die Folgefrequenz Dieses in F i g. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel von diskontinuierlich abgegebenen UItraschallsignazeichnet sich gegenüber dem in F i g. 2 wiedergege- io len bei gegebenen Kapazitäten durch Erniedrigung benen Ausführungsbeispiel vor allem dadurch aus, des Wertes des Widerstandes 5 oder auch durch Erdaß der Anpassungswiderstand 16 unmittelbar dem höhung der Spannung der Quelle 4 erreichen. Die Kristall parallel geschaltet werden kann, ohne Zu- erstere Lösung ist zwar einfach, aber der Wert des hilfenahme einer Kapazität 17, wie in Fig. 5 bei- Widerstandes 5 darf einen bestimmten Mindestwert spielsweise dargestellt. Dies ist ohne weiteres mög- 15 nicht unterschreiten, damit der Strom, der nach dem lieh, da der Ladestromkreis des Kondensators 18 Durchschalten des Transistors fließt und durch den durch den nichtleitenden Transistor sowieso vom Widerstand 5 bestimmt ist, auf zulässige Werte beKristall 1 getrennt ist. Ein weiterer Vorteil besteht grenzt bleibt. Diese Voraussetzungen sind jedoch darin, daß der Widerstand 16 zugleich auch die Rolle nicht immer erfüllt. In solchen Fällen genügt es, eine eines Löschwiderstandes übernehmen kann, wenn 20 Drossel in den Entladestromkreis einzuschalten. In der Kristall 1 als Schwingungserzeuger arbeitet. diesem Fall setzt sich die einmal eingeleitete Ent- Bei dem in F i g. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ladung über die Drossel nach den klassischen Geläßt sich jedoch nicht die gesamte Spannungsände- setzen über die Entladung eines Kondensators in HingF2-F1 zur Erregung des Kristalls ausnutzen. einem Stromkreis, bestehend aus einer Selbstinduk-Bezeichnet man beispielsweise die Kapazität des Kri- 25 tion und einem Widerstand in Serienschaltung, so stalls mit C und die des Kondensators 18 mit C und lange fort, bis die Spannung an der Emitter-Kollekdie Spannung an dem Kristall 1 am Ende der Ent- tor-Strecke einen Wert erreicht, der unter dem ladung mit V3, dann gelten folgende Gleichungen, Wert V1 liegt, und sein Arbeitspunkt in die Nähe des wenn man dabei davon ausgeht, daß die Ladungen Punktes B auf der Kennlinie in F i g. 1 zurückfällt, vor und nach dem Schaltvorgang gleich sein müssen, 30 Die in den Fig. 2 und 6 gezeigten Ausführungsund dabei die sehr kleinen, durch den Widerstand 16 beispiele wurden mit großem Erfolg für die Erzeuwährend des außerordentlich kurzen Schaltvorganges gung von diskontinuierlichen Ultraschallimpulsen verursachten Verluste vernachlässigt: eingesetzt. Dabei wurde eine Gleichspannungsquelle 4 verwendet, die eine Spannung von nur C V2 = C Vs + C'(V1 + V3), 35 85 Volt liefert und als Transistor 3 ein Mesatransi-C'(V3 — V1) = (C + C") V3. stor ^er pnp-Type aus Silicium, 2 N 706 A. Das Verhältnis der plötzlichen Spannungsänderung V2-V1 zu der tatsächlich an dem Kristall auftretenden Spannungsänderung ergibt sich dann zu vs_ _ c'V2-V1 ' CtC' Man sieht, daß die Spannungsänderung an dem 4S Kristall um so größer ist, je größer der Wert von C bzw. je kleiner der von C ist. Man ist sehr daran interessiert, die Kapazität des Kondensators C wesentlich größer als die Kapazität C des Kristalls zu wählen: Wenn z.B. C gleich 4C ist, dann ergibt sich an dem Kristall eine Spannungsänderung, die vier Fünftel der Spannungsdifferenz V2-V1 entspricht. Es ist jedoch hervorzuheben, daß man in der Wahl der Größe des Kondensators C begrenzt ist, da dadurch zugleich die Folgefrequenz der Entladungen begrenzt wird. Macht man nämlich diesen Kondensator C sehr groß, dann wächst damit auch die notwendige Ladezeit, so daß die Frequenz der Impulsfolge begrenzt bleibt. In dem in Fig. 6 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Basis 6 des Transistors 3 über einen Entkopplungswiderstand 21 an einen Impulsgenerator 22 angeschlossen, der Synchronisierungsimpulse liefert, durch die sich die Entladung des Kondensators 18 steuern läßt. Man braucht also in diesem Fall nicht zu warten, bis die Kollektorspannung den Wert V2 erreicht hat. Mitunter ist es erforderlich, den über den Transistor fließenden Entladestrom des Kristalls auf zu Patentansprüche:

1. Ultraschall-Generator zum elektrischen Erregen eines piezoelektrischen Elementes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalttransistor (3) verwendet wird, dessen Kollektorstrom bei einer bestimmten Kollektorspannung plötzlich auf einen hohen, praktisch nur durch den äußeren Stromkreis und die Gleichspannungsquelle begrenzten Wert ansteigt, wobei die Kollektorspannung sehr schnell auf einen niedrigeren Wert springt, und daß dieser Spannungssprung zur Erregung des piezoelektrischen Elementes (1) dient.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß — bei Verwendung eines npn-Transistors (3) — der Kollektor (2) über einen ersten Widerstand (5) an den positiven Pol und der Emitter (7) über einen zweiten Widerstand (8) und die Basis (6) unmittelbar an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle (4) angeschlossen sind und daß das piezoelektrische Element (1) einerseits mit dem Kollektor (2) andererseits mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (4) verbunden ist.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß — bei Verwendung eines npn-Transistors — das piezoelektrische Element (1) zwischen dem Emitter (7) und dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (4) angeschlossen ist,

daß der Kollektor (2) über einen Widerstand (5) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (4) und über einen Kondensator (18) mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle (4) verbunden ist.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (18) größer als die des piezoelektrischen Elementes (1) ist.

5. Generator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem piezoelektrischen Element (1) ein ohmscher Löschwiderstand (16) parallel geschaltet ist, der insbesondere als Abschlußwiderstand eines Koaxialkabels (15) ausgebildet ist, das zur Übertragung der von dem piezoelektrischen Element erzeugten Signale zu einem Empfänger (14) dient.

6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (6) des Transistors (3) an einem veränderbaren Abgriff eines Widerstandes (19) liegt, der einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle (20) so parallel geschaltet ist, daß der Abgriff negativ gegenüber dem Minuspol der Gleichspannungsquelle (4) ist.

7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel (23) in den Entladestromkreis des piezoelektrischen Elementes geschaltet ist.

8. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgenerator über einen Entkopplungsgenerator (21) an die Basis (6) des Transistors (3) angeschlossen ist, der periodisch Synchronisierungsimpulse liefert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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