DE2161160C3

DE2161160C3 - Circuit for exciting a load circuit containing an ultrasonic transducer used for cleaning objects

Info

Publication number: DE2161160C3
Application number: DE19712161160
Authority: DE
Inventors: William L. Dipl.-Ing. Trumbull Conn. Puskas (V.St.A.)
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1970-12-10
Filing date: 1971-12-09
Publication date: 1976-09-09

Description

Anordnung die erregende Frequenz, die ein geradzahliges Vielfaches der Eigenfrequenz der Schwinganordnung ist, auch auf den Schwingkörper geführt wird, während bei der Erfindung die Schwingungen mit der höheren Frequenz allein im Erregerkreis auftreten und nicht im Lastkreis. Auch von der Aufgabenstellung her besteht der wesentliche Unterschied, daß die bekannte Anordnung darauf abzielt, eine Arbeitsmaschine mit einer niedrigeren Frequenz zu betreiben, während mit der Erfindung eine Verbesserung des Wirkungsgrades erzielt werden soll.Arrangement the exciting frequency, which is an even number Is a multiple of the natural frequency of the oscillating arrangement, is also guided on the oscillating body, while in the invention the vibrations with the higher frequency occur only in the excitation circuit and not in the load circuit. In terms of the task, there is also the essential difference that the known Arrangement aims to operate a work machine at a lower frequency while using the invention aims to improve the efficiency.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden.Exemplary embodiments of the invention are to be explained in more detail below with reference to drawings.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bekannte Einrichtung zum Reinigen mit Ultraschall;1 shows schematically a known device for cleaning with ultrasound;

Fig. 2 zeigt schematisch ein Schaltbild Jer erfindungsgemäßen Schaltung;Fig. 2 shows schematically a circuit diagram of the circuit according to the invention;

Fig.3 zeigt Kurvenverläufe der Schaltung nach Fig. 2;3 shows the curves of the circuit according to Fig. 2;

F i g. 4 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.F i g. 4 schematically shows a circuit arrangement of a further embodiment of the invention.

F i g. 1 zeigt ein Gehäuse 12, das einen Metalltank 14 haltert, der mit einer Reinigungsflüssigkeit 16 gefüllt ist. Das Gehäuse 12 ruht auf einer Grundplatte 18, die mit Gummifüßen 20 versehen ist.F i g. 1 shows a housing 12 which holds a metal tank 14 which is filled with a cleaning liquid 16. The housing 12 rests on a base plate 18 which is provided with rubber feet 20.

Ein piezoelektrischer Kristall 22, der auch als Wandler bezeichnet werden soll, hat vorzugsweise die Form einer Scheibe und ist mit Hilfe einer Epoxydharzschicht 24 mit der Unterseite des Tanks 14 verbunden und überträgt Ultraschallenergie auf den Tank und die Reinigungsflüssigkeit 16. Der Wandler 22 ist über Leitungen 26 mit einer elektrischen Schaltungsanordnung 28 verbunden, die ihrerseits über ein Anschlußkabei 30 mit einem Wechselspannungsnetz verbunden ist.A piezoelectric crystal 22, which is also to be referred to as a transducer, preferably has the In the form of a disk and is connected to the underside of the tank 14 with the aid of an epoxy resin layer 24 and transmits ultrasonic energy to the tank and cleaning fluid 16. The transducer 22 is over Lines 26 connected to an electrical circuit arrangement 28, which in turn via a connection cable 30 is connected to an AC voltage network.

Die elektronische Schaltung, die den Wandler 22 in Resonanz versetzt, ist in F i g. 2 dargestellt. Über Klemmen 32 und 34 wird Wechselstrom auf einen Brückengleichrichter 36 gegeben, der mit einem Filterkondensator 38 verbunden ist und Gleichstrom erzeugt. Ein Transformator 40, der vorzugsweise einen Toroidkern aufweist, besitzt eine Primärwicklung 42, eine Sekundärwicklung 44 und eine Rückkoppelungswicklung 46. Die Primärwicklung 42 ist parallel zu einem Kondensator 43 geschaltet. Diese Parallelschaltung, die einen Oszillatorkreis bildet, ist mit einem Schalttransistor 50 verbunden, der durch ein von der Rückkoppelungswicklung 46 kommendes Signal zyklisch in den leitenden Zustand versetzt wird. Der Kondensator 48 bewirkt einen Phasenausgleich, und der Widerstand 49, der Gleichrichter 52 und der Widerstand 66 dienen zur Erzeugung des Vorspannungspotentials.The electronic circuitry that resonates transducer 22 is shown in FIG. 2 shown. Over Terminals 32 and 34, alternating current is fed to a bridge rectifier 36, which is connected to a Filter capacitor 38 is connected and generates direct current. A transformer 40, which is preferably a Has toroidal core, has a primary winding 42, a secondary winding 44 and a feedback winding 46. The primary winding 42 is connected in parallel to a capacitor 43. This parallel connection, the forms an oscillator circuit, is connected to a switching transistor 50, which is through one of the feedback winding 46 incoming signal is cyclically switched to the conductive state. The capacitor 48 causes a phase compensation, and the resistor 49, the rectifier 52 and the resistor 66 are used for Generation of the bias potential.

Der Wandler 22 ist parallel zu einer Induktivität 54 und zu der Sekundärwicklung 44 des Transformators geschaltet. Der Wandler 22, die Induktivität 54 und die Wicklung 44 bilden somit einen Parallelresonanzkreis, der den Kristall 22 zum Schwingen bringt, der seinerseits Ultraschallenergie der Reinigungsflüssigkeit mitteilt. Bei einem typischen Beispiel ist der Wandler so &, dimensioniert, daß seine Eigenschwingungsfrequenz im Bereich von 40 bis 60 kHz liegt. Es können jedoch genauso gut andere Frequenzen gewählt werden.The converter 22 is in parallel with an inductor 54 and with the secondary winding 44 of the transformer switched. The converter 22, the inductance 54 and the winding 44 thus form a parallel resonance circuit, which causes the crystal 22 to vibrate, which in turn causes the ultrasonic energy of the cleaning liquid notifies. In a typical example, the converter is &, dimensioned so that its natural oscillation frequency is in the range of 40 to 60 kHz. It can, however other frequencies can be chosen just as well.

Der Treiberteil der Schaltung, der von der Primärwicklung 42, dem Kondensator 43 und der übertragenen Reaktanz des Sekundärkreises gebildet ist, stellt einen Oszillatorkreis dar. Der Kondensator 43 ist so gewählt, daß die Resonanzfrequenz dieses Oszillatorkreises ein gerades, ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz des Wandlers 22 ist Bei einem typischen Beispiel ist die Resonanzfrequenz des Treiberteils viermal so hoch, wie die dss Parallelresonanzkreises, in dem sich der piezoelektrische Wandler 22 befindet. Wird daher der Kristall bei seiner Resonanzfrequenz mit etwa 45 kHz angesteuert, dann ist die Primärseite so abgestimmt, daß si« eine Resonanzfrequenz vcn 180 kHz aufweist.The driver portion of the circuit, that of the primary winding 42, the capacitor 43 and the transmitted Reactance of the secondary circuit is formed, represents an oscillator circuit. The capacitor 43 is chosen so that the resonance frequency of this oscillator circuit is an even, integer multiple of the resonance frequency of the transducer 22 is In a typical example, the resonance frequency of the driver part is four times as high as the dss parallel resonance circuit in which the piezoelectric transducer 22 is located. Therefore, the crystal will at its resonance frequency of about 45 kHz controlled, then the primary side is matched so that si «has a resonance frequency of 180 kHz.

Fig.3 zeigt typische Kurvenformen der Schaltungsanordnung nach F: g. 2. Durch den Kurvenverlauf 60 wird angedeutet, daß der Transistor 50 periodisch geschaltet wird. Wenn er zur Zeit ii leitend wird, fließt ein Strom von der Gleichstromquelle zur Primärwicklung 42 und über den Transistor 50 nach Masse. Wenn der leitende Zustand des Transistors zur Zeit to beendet ist, dann steigt die Spannung B-A am Kondensator 43 an. Die Primärwicklung 42 zusammen mit dem Kondensator 43 und der übertragenen Reaktanz der anderen Schaltungskomponenten bilden einen Oszillalorkreis, dessen Grundfrequenz viermal der Frequenz des Sekundärkreises ist, die den Wandler 22 enthält.3 shows typical curve shapes of the circuit arrangement according to F: g. 2. The curve 60 indicates that the transistor 50 is switched periodically. When it becomes conductive at time ii, a current flows from the direct current source to primary winding 42 and via transistor 50 to ground. When the conductive state of the transistor has ended at time to, the voltage BA across the capacitor 43 rises. The primary winding 42 together with the capacitor 43 and the transmitted reactance of the other circuit components form an oscillator circuit, the fundamental frequency of which is four times the frequency of the secondary circuit containing the transducer 22.

Die vorteilhaften Wirkungen der vorliegenden Anordnung beginnen mit der Zeit /1, wenn der Transistor leitend wird. Die Spannung an der Primärwicklung an den Punkten B-A hat in ihrer Schwingung einen niedrigen Zustand erreicht. Daher ist eine minimale Energie in dem Resonanzschwingungskreis gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt wird nur dieser minimale Betrag über den Transistor 50 nach Masse abgeleitet. Ferner wird während des Zeitintervalls, in dem der Transistor nicht leitend ist, die Schwingung hoher Frequenz an der Primärwicklung des Transformators auf die Last übertragen. Diese Vorgänge bewirken einen höheren Wirkungsgrad als die bisher bekannten Schaltungen.The advantageous effects of the present arrangement begin with time / 1 when the transistor becomes conductive. The voltage on the primary winding at points BA has reached a low state in its oscillation. Therefore, a minimal amount of energy is stored in the resonance circuit. At this point in time, only this minimal amount is diverted to ground via transistor 50. Furthermore, during the time interval in which the transistor is non-conductive, the high frequency oscillation on the primary winding of the transformer is transmitted to the load. These processes cause a higher degree of efficiency than the previously known circuits.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung beruht auf der Tatsache, daß der Transformator 40 dadurch, daß die Frequenz auf der Primärseite der Schaltungsanordnung höher ist als die Frequenz, die durch die Resonanz des Kristalls 22 bestimmt ist, kleiner und leichter und dem entsprechend weniger aufwendig hergestellt werden kann. Nicht zuletzt wird auch das Auftreten von Stromspitzen während des Schaltzyklus des Transistors vermieden, da die zum Zeitpunkt ii gespeicherte elektrische Energie minimal ist, wenn der Transistor leitend wird. Die Zuverlässigkeit des Transistors wird daher stark verbessert.Another advantage of the invention is based on the fact that the transformer 40 by the fact that the Frequency on the primary side of the circuit arrangement is higher than the frequency caused by the resonance of the Crystal 22 is intended to be made smaller and lighter and accordingly less expensive can. Last but not least, the occurrence of current peaks during the switching cycle of the transistor avoided because the saved at time ii electrical energy is minimal when the transistor becomes conductive. The reliability of the transistor will be therefore greatly improved.

Die in Fig.4 gezeigte Schaltungsanordnung ist gleich der in Fig. 2 gezeigten mit Ausnahme einer zusätzlichen Induktivität 62 und eines Kondensators 64. Die Induktivität 62 ist in Reihe mit dem Kondensator 43 geschaltet und verzögert vorübergehend den Beginn eines starken Stromes durch den Transistor, wodurch der Transistor zunächst in seinen Sättigungsbereich gehen kann, bevor der starke Strom durch ihn hindurchgeleitet wird. Diese Anordnung verhindert einen unerwünschten Energieverlust durch den Transistor. Die nicht im Transistor verbrauchte Energie wird im Kondensator 38 gespeichert und trägt somit zum besseren Wirkungsgrad bei. Wegen der geringeren Belastung des Transistors kann die obige Schaltungsanordnung z. B. dazu verwendet werden, zwei Wandler 22 mit einem einzigen Transistor 50 zu betreiben.The circuit arrangement shown in FIG. 4 is the same as that shown in FIG. 2 with the exception of one additional inductance 62 and a capacitor 64. The inductance 62 is in series with the capacitor 43 switched and temporarily delayed the start of a strong current through the transistor, whereby the transistor can first go into its saturation range before the strong current through it is passed through. This arrangement prevents undesirable energy loss through the transistor. The energy not consumed in the transistor is stored in the capacitor 38 and thus contributes to the better efficiency. Because of the lower load on the transistor, the above circuit arrangement z. B. can be used to operate two converters 22 with a single transistor 50.

Die Schaltungsanordnung nach F i g. 4 zeigt eine weitere Verbesserung. Eine übliche Ursache einer Betriebsstörung liegt in einem defekten Wandler 22, der z. B. durch Brechen der Keramikscheibe, der Leitung usw. hervorgerufen werden kann. Wenn der SchwingerThe circuit arrangement according to FIG. 4 shows a further improvement. A common cause of one Malfunction is in a defective converter 22, the z. B. by breaking the ceramic disc, the line etc. can be caused. When the transducer

22 in der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 einen Fehler aufweist, besteht auf der Ausgangsseite kein Parallelresonanzkreis mehr und die Schwingungen hören auf. Der Widerstand 66 spannt den Transistor in den leitenden Zustand vor, und der Kollektorstrom Ic wächst an, bis der Transistor 50 zerstört ist. Der Parallelkondensator 64 in F i g. 4 hält die Schallungsan Ordnung in einem Schwingungszustand höherer Frequenz, wenn der Wandler 22 ausfällt. Somit führt eir Ausfall des Wandlers nicht mehr zum Ausfall der ganzer Schaltung.22 in the circuit arrangement according to FIG. 2 has an error, there is no longer a parallel resonance circuit on the output side and the oscillations cease. The resistor 66 biases the transistor into the conductive state and the collector current Ic increases until the transistor 50 is destroyed. The parallel capacitor 64 in FIG. 4 maintains the sound arrangement in a higher frequency vibrational state if the transducer 22 fails. Thus, failure of the converter no longer leads to failure of the entire circuit.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Circuit for the excitation of an ultrasonic transducer used for cleaning objects containing load circuit with a predetermined resonance frequency with an excitation circuit fed by a DC voltage source, the Excited via a coupling part of the load circuit, and with a controllable switch through which the Excitation circuit feeding DC voltage is switched, characterized in that the Natural frequency of the excitation circuit (42, 43) is an integral multiple of the resonance frequency of the Load circuit (22,44,54) and that the controllable switch (50) from the load circuit (22, 44, 54) Control signal is supplied, the frequency of which is equal to the resonance frequency of the load circuit (22,44,54).

2. Circuit according to claim 1, characterized in that the control signal for the controllable Switch (50) is inductively derived from the current flowing in the load circuit (22, 44, 54).

3. A circuit according to claim 1 or 2, characterized by a phase-rotating component (48) which between the control electrode of the controllable switch (50) and the load circuit (22, 44, 54) is switched.

4. Circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resonance frequency of the excitation circuit (42, 43) is four times as large as that of the load circuit (22, 44, 54).

5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the resonance frequency of the excitation circuit (42, 43) is at least 2OkHz.

6. Circuit according to one of claims 1 to 5, wherein the coupling part is a transformer has, and the excitation circuit is arranged in parallel with the primary winding of the transformer Has capacitor, characterized in that the through the capacitor (43) and the primary winding the transformer (40) formed excitation circuit in series with the controllable switch (50) between the terminals of the DC voltage source (32 to 38) is connected.

7. Circuit according to claim 6, wherein the load circuit comprises the secondary winding of the transformer, to the terminals of which the ultrasonic transducer is connected, characterized in that a Inductance (54) is connected in parallel to the ultrasonic transducer (22).

8. A circuit according to claim 6 or 7, characterized in that the capacitor (43) has a Inductance (62) is connected in series and the primary winding (42) of the transformer (40) in parallel is connected to this series connection.

9. Circuit according to one of claims 1 to 8, characterized in that the controllable switch is a transistor (50), via the collector-emitter path of the excitation circuit (42, 43) with a of the terminals of the DC voltage source (32 to 38) is connected, and that the control signal of the base of the Transistor (50) is supplied.

10. Circuit according to one of claims 1 to 9, characterized in that a capacitor (64) is connected in parallel to the ultrasonic transducer (22).

The invention relates to a circuit for exciting a load circuit containing an ultrasonic transducer used for cleaning objects with a predetermined resonance frequency with an excitation circuit fed by a DC voltage source, which excites via a coupling part of the load circuit, and with a controllable switch through which the DC voltage feeding the excitation circuit is switched will. The invention is based on a known circuit (US-PS 31 52 295), in which the load circuit with the converter and the excitation circuit are operated at a higher frequency than the resonance frequency. The controllable switch should preferably be switched at a frequency that is not more than 25% above the resonance frequency of the load circuit. This results in a steeper voltage rise in the voltage at the controllable switch and a faster switch-off of the switch.
On the other hand, it is also known (US-PS 33 51 539) to trigger vibrations in the exciter circuit by means of a controllable switch, which are then transmitted in the form of a damped vibration via the coupling part to the load circuit. In such a circuit it is also known (US-PS 33 71 233) to design and control the transducers in such a way that they vibrate with as many frequency components as possible in addition to the resonance frequency in order to improve the cleaning effect.
In contrast, the invention is based on the object of achieving a considerable improvement in efficiency with a relatively simple circuit.

In the circuit of the type described at the outset, this object is achieved according to the invention in that the natural frequency of the excitation circuit is an integral multiple of the resonance frequency of the load circuit and that the controllable switch from the load circuit is supplied with a control signal whose frequency is equal to Is the resonance frequency of the load circuit.

The improvement in efficiency mediated by the invention is due to the fact that im Excitation circuit a minimum energy is stored, which is diverted to ground when the switch is turned on is transmitted to the load circuit while in the locked state of the switch vibrations of high frequency will. With the circuit according to the invention, which is relatively simple and only one requires a small number of components, so more stored energy is retained, which increases the efficiency increases. Because the frequency on the excitation circuit is higher than the frequency in the load circuit, which is caused by the resonance frequency of the transducer is determined, the coupling part can be made smaller and light. Furthermore, the occurrence of current peaks at the controllable switch is avoided, since they are when switched through stored energy of the switch is minimal. There are from a vibrating body to be excited, for. B. a vibrating machine, and an electromagnetic one serving as a vibration exciter Vibration generator existing oscillating arrangements known which are designed so that the exciting Frequency of the oscillation generator is an even multiple of the natural frequency of the oscillating arrangement is. This makes it possible to control vibrating machines with a significantly lower number of vibrations operate as the number of vibrations of the exciting frequency (DT-PS 9 44 157). The difference to the Invention consists in that in the known