DE2006260C3 - Generator zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen, der einen Schwingkreis und einen mit diesem gekoppelten Wandler sowie eine Gleichstromquelle enthält, deren Ausgangsstrom über zwei unter Zwischenschaltung eines regelbaren Oszillators gesteuerte Schalter in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dem erwähnten Schwingkreis zugeführt wird, dessen Ausgangsenergie auf den Wandler übertragen wird, und wobei ein Steuerkreis vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Oszillatorausgangsfrequenz derart geregelt wird, daß die auf den Wandler übertragene Energie maximal ist.

Ein derartiger Generator ist bekannt, so z. B. aus der US-PS 29 17 691. Dabei liefert der Steuerkreis ein Steuersignal, das durch einen Vergleich der Phasen von Spannung und Strom an einem Wandler erzeugt wird. Da aber die Spannung und dieser Strom sich mit der Abstimmung des Oszillators in der Frequenz ändern, muß der zur Erzeugung des Steuersignals benutzte Phasendetektor für ein breites Frequenzband ausgelegt

Derartige Ultraschallgeneratoren finden z.B. in Reinigungsapparaturen Anwendung, wobei der Wandler mit einem Gefäß verbunden ist, das teilweise mit einer für diesen Zweck geeigneten Flüssigkeit gefüllt ist und in dem die zu reinigenden Gegenstände angeordnet werden. Dabei liefert der Generator im Betriebszustand einen Strom einer bestimmten Frequenz, der auf den Wandler, d. h. das Glied, das die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen umwandelt, übertragen wird. D'e Frequenz bestimmt dabei die von dem Wandler gelieferte Energie, und diese Frequenz wird normalerweise derart gewählt, daß diese Ausgangsenergie maximal ist. Die Frequenz, bei der die Ausgangsenergie maximal ist, ändert sich aber mit der Menge im Gefäß vorhandener Flüssigkeit. Um die Ausgangsenergie maximal zu halten, soll daher die Frequenz des Oszillatorstromes stets wieder den momentanen mechanischen Eigenschaften des Gefäßes und seines Inhalts angepaßt werden. Dies kann dadurch erzielt werden, daß der Oszillator stets von Hand aufs neue eingestellt wird. Dabei kann es aber leicht vorkommen, daß eine Änderung der optimalen Situation nicht erkannit wird, daß die Einstellung des richtigen Frequenzwertes unterlassen wird oder daß eine falsche Einstellung gewählt wird.

Es sei hier bemerkt, daß es aus der FR-PS 15 57 404 an sich bereits bekannt ist, die Frequenz von für Reinigungsapparate benutzten Ultraschallgeneratoren automatisch nachzustellen. Aus dieser Patentschrift ist es überdies auch an sich bekannt, die Frequenz des Generators mit einer wesentlich tieferen Frequenz als der Generatorfrequenz zu modulieren.

Die Erfindung bezweckt, einen Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Phasendetektor nur für ein schmales Frequenzband ausgelegt sein muß. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Steuerkreis einen im Wechselstromkreis liegenden Widerstand sowie eine zwischen dem Oszillatorausgang und den Schaltern liegende Modulationsvorrichtung enthält zum Modulieren des Oszillatorausgangssignals mit einem Signal, dessen Frequenz niedriger als die des Oszillatorsignals ist, und damit zur Erzeugung eines an dem Widerstand auftretenden modulierten Signals mit einer Frequenzkomponente bei der niedrigeren Frequenz, und eine mit dem Widerstand gekoppelte Vergleichsvorrichtung zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, deren Polarität von der Phasenbeziehung zwischen der Signalkomponente und dem genannten modulierten Signal niedrigerer Frequenz abhängig ist, und daß diese Ausgangsspannung dem regelbaren Oszillator als Steuersignal zugeführt wird.

Dabei kann die Modulationsvorrichtung vorteilhafterweise einen Signalgenerator und einen Frequenzmodulator enthalten, in dem das Oszillatorausgangssignal vom Ausgangssignal des Signalgenerators frequenzmoduliert wird.

Auch kann die Vergleichsvorrichtung einen Phasendetektor enthalten mit einem ersten Eingang, der über ein Tiefpaßfilter zum Ausfiltern des modulierenden Signals mit dem Wechselstromkreis verbunden ist, und mit einem zweiten Einpang, der mit dem Ausgang des Signalgenerators verbunden ist, während.der Ausgang

des Phasendetektors mit dem Steuereingang des regelbaren Oszillators verbunden ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform eines UltrascUllgenerators nach der Erfindung und

F i g. 2 den Verlauf des Oszillatorstromes als Funktion der Frequenz des Steuersignals.

In F i g. 1 bezeichnet 1 eine Gleichstromquelle, deren Ausgangsstrom über eine Drossel 2 einem Schwingkreis zugeführt wird, der aus einem Kondensator 5 und der Primärwicklung 4 eines Transformators 3 besteht. Die Selbstinduktion der Drossel 2 ist dabei erheblich größer als die der Primärwicklung des Transformators, so daß der Strom nahezu konstant ist. Der Schwingkreis ist auf die Betriebsfrequenz abgestimmt. Der Strom wird von Schaltern getastet, die aus je einer Reihenschaltung eines Leistungstransistors 10 bzw. 11 und einer Diode 8 bzw. 9 bestehen. Die Dioden verhindern, daß ein Kurzschiußstrorn während der Zeit, in der die beiden Transistoren gleichzeitig leitend sind, fließen kann. Der Strom fließt abwechselnd über die Schalter 8,10 und 9, 11. Bei einem geeignet gewählten Q-Wert des Kreises ist die Ausgangsspannung sinusförmig. Statt der Primärwicklung 4 des Transformators 3 kann selbstverständlich auch die Sekundärwicklung des Transformators mittels de^. Kondensators 5 auf die Resonanzfrequenz abgestimmt werden. Der Transformator überträgt den Strom auf einen Wandler 6, der die elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen umwandelt Der Wandler 6 ist mit einem Gefäß 7 verbunden, in dem sich eine Reinigungsflüssigkeit 19 zur Reinigung darin eingetauchter Gegenstände befindet.

Die Transistoren 10,11 werden von einem Steuersignal eines regelbaren Oszillators 13 getastet. Weiterhin enthält der Generator eine Modulationsvorrichtung 25 zur Modulierung des erwähnten Wechselstroms und eine mit dieser Modulationsvorrichtung 25 und mit einem in den Wechselstromkreis aufgenommenen Parallelwiderstand 12 verbundene Vergleichsvorrichtung 26, die ein sich mit dem Vorzeichen des modulierenden Signals änderndes Ausgangssignal liefert, das als Steuersignal dem regelbaren Oszillator 13 zugeführt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Modulationsvorrichtung 25 durch einen Signalgenerator 15 und einen Frequenzmoaulator 14 gebildet, in dem das Ausgangssignal des regelbaren Oszillators 13 mit dem Ausgangssignal des erwähnten Signalgenerators 15 moduliert wird. Das vom Signalgenerator 15 gelieferte Modulationssignal hat eine Frequenz, die erheblich niedriger als die Frequenz des Ausgangssignals des regelbaren Oszillators 13 ist. Wenn die Frequenz dieses Ausgangssignals z. B. 20 kHz ist, kann für die Frequenz des Modulationssignals z. B. ein Wert von 50 Hz gewählt werden. Das Ausgangssignal des Signalgenerators 15 wird auch als Bezugssignal der Vergleichsvorrichtung 26 zugeführt Diese Vergleichsvorrichtung 26 wird bei der dargestellten Ausführungsform durch einen phasenempfindlichen Detektor 18 gebildet, von dem ein Ausgangskreis über einen Verstärker 17 und einen Tiefpaß 16 an den Verbindungspunkt des Widerstandes 12 und der Gleichstromquelle 1 angeschlossen ist In diesem phasenempfindlichen Detektor 18 wird das mit Hilfe des Tiefpasses 16 selektierte Modulationssignal nach Verstärkung im Verstärker 17 mit dem dem Signalgenerator 15 entnommenen Modulationssignal verglichen, wobei dieser phasenempfindliche Detektor 18 ein sich mit dem Vorzeichen des modulierenden Signals änderndes Ausgangssignal liefert, das als Steuersignal dem regelbaren Oszillator 13 zugeführt wird.

Zur weiteren Erläuterung sei auf die in F i g. 2 dargestellte Kurve verwiesen, die den Verlauf des Betriebsstroms Ib als Funktion der Frequenz angibt. Wenn die Leistung auf der Primärseite des Transformators 3 gemessen wird, kann diese Leistung als P= Ub ■ h da.gestellt werden, wobei die Betriebsspannung Ub konstant und gleich der Spannung der Gleichstromquelle ist und /iden mittlere". Wert des Gleichstroms in der Primärwicklung 4 darstellt. Infolge der im Frequenzmodulator 14 stattfindenden Modulation des Ausgangssignals des regelbaren Oszillators 13 weist der Betriebssti'om eine Wechselstromkomponente auf, deren Amplitude und Phase von dem durch die Frequenz bestimmten Punkt auf der Kurve / (f) abhängig sind. Wenn die Vorrichtung in dem Punkt der Kurve arbeitet, der der Frequenz A entspricht, ist die nach Differenzierung erhaltene Ableitung des Stromes / gleich 0 und wird keine Wechselstromkomponente erhalten. In diesem Punkt hat der Strom seinen Höchstwert und bei dieser Frequenz wird also die maximale Leistung abgegeben.

Wenn die Vorrichtung infolge einer Änderung des Flüssigkeilspegels in dem Punkt arbeitet, der der Frequenz f\ entspricht, hat die Modulation mit dem Modulationssignal ±f_m zur Folge, daß ein Wechselstrom /ι erhalten wird. Dieser Wechselstrom hat eine Phase, die in bezug auf die Phase des Modulationssignals negativ ist. Wenn andererseits die Frequenz den Wert /2 hat, führt die Modulation mit dem Modulationssignal ±f_m einen Wechselstrom h herbei, dessen Phase in bezug auf die Phase des Modulationssignals positiv ist. Die Ströme /1 und /2 haben die gleiche Frequenz wie das Modulationssignal fm. Das dann auftretende Wechselstromsignal, ζ. B. /Ι oder /2, wird mit Hilfe des Tiefpasses 16 selektiert, dann im Verstärker 17 verstärkt und anschließend dem phasenempfindlichen Detektor 18 zugeführt. Diesem phasenempfindlichen Detektor wird auch das vom Signalgenerator 15 gelieferte Modulationssignal der Frequenz f_m als Bezugssignal zugeführt. In Abhängigkeit von der Phase, die das selektierte Signal in bezug auf die Phase des Bezugssignals hat, liefert der phasenempfindliche Detektor 18 eine positive oder eine negative Ausgangsspannung, die dem regelbaren Oszillator 13 zugeführt wird, wodurch die Frequenz des Ausgangssignals dieses Oszillators erhöht bzw. herabgesetzt wird, bis Phasengleichheit auftritt. Wenn Phasengleichheit auftritt, ist die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Detektors gleich 0. Der Betriebsstrom //,hat dann seinen Höchstwert angenommen. Die beschriebene Regelschleife bildet ein negativ rückgekoppeltes System, das derart eingerichtet ist, daß es die Frequenz stets auf einen Wert einstellt, bei dem der Strom maximal ist. Dieser Wert kann von der Belastung des die mechanischen Schwingungen liefernden Wandlers abhängig sein.

Dadurch, daß die in der Phase zu vergleichenden Signale in der Frequenz niedriger sind, z. B. 50 Hz, ergibt sich der angestrebie Vorteil eines nur
digen Phasendetektors.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Generator zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen, der einen Schwingkreis und einen mit diesem gekoppelten Wandler sowie eine Gleichstromquelle enthält, deren Ausgangisstrom über zwei unter Zwischenschaltung eines regelbaren Oszillators gesteuerte Schalter in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dem erwähnten Schwingkreis zugeführt wird, dessen Ausgangsenergie auf den Wandler übertragen wird, und wobei ein Steuerkreis vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Oszillatorausgangsfrequenz derart geregelt wird, daß die auf den Wandler übertragene Energie maximal ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis einen im Wechselstromkreis liegenden Widerstand (12) sowie eine zwischen dem Oszillatorausgang und den Schaltern liegende Modulationsvorrichtung (25) enthält zum Modulieren des Oszillatorausgangssignals mit einem Signal, dessen Frequenz niedriger als die des Oszillatorsignals ist, und damit zur Erzeugung eines an dem Widerstand (12) auftretenden modulierten Signals mit einer Frequenzkomponente bei der niedrigen Frequenz, und eine mit dem Widerstand (12) gekoppelte Vergleichsvorrichtung l(26) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, deren Polarität von der Phasenbeziehung zwischen der Signalkomponente und dem genannten modulierten Signal niedrigerer Frequenz abhängig ist, und daß diese Ausgangsspannung dem regelbaren Oszillator als Steuersignal zugeführt wird.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung (25) einen Signalgenerator (15) und einen Frequenzmodulator

(14) enthält, in dem das Oszillatorausgangssignal vom Ausgangssignal des Signalgenerators (15) frequenzmoduliert wird.

3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung (26) einen Phasendetektor (18) enthält mit einem ersten Eingang, der über ein Tiefpaßfilter (16) zum Ausfiltern des modulierten Signals mit dem Wechselstromkreis verbunden ist, und mit einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Signalgenerators

(15) verbunden ist, während der Ausgang des Phasendetektors (18) mit dem Steuereingang des regelbaren Oszillators (13) verbunden ist.

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