DE2220462C3

DE2220462C3 - Oszillatorschaltung zum Betrieb eines Ultraschallerzeugers

Info

Publication number: DE2220462C3
Application number: DE2220462A
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: 1971-11-11
Filing date: 1972-04-26
Publication date: 1979-02-22
Also published as: GB1362505A; DE2220462B2; JPS5253454Y2; FR2159257A1; JPS4856127A; DE2220462A1; CA933647A; JPS5216321U; IT973486B; US3681626A; FR2159257B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung zum Betrieb eines Ultraschallerzeugers mit einer Gleichstromquelle, mit zwei in Reihe über deren Klemmen geschalteten Transistoren, mit einem Schwingkreis, der fest mit einer der Klemmen der Gleichstromquelle und mit dem zwischen den Transistoren liegenden Knoten verbunden ist und eine Parallelschaltung einer ersten Induktivität und eines ersten Kondensators aufweist, an der die Ausgangsspannung der Oszillatorschaltung abgegriffen wird, mit einer Rückkopplungsschleife, welche dem Strom durch den Schwingkreis proportionale Steuersignale entgegengesetzter Phase auf die Basisklemmen der Transistoren gibt, und mit den Basiskiemmen der Transistoren zugeordneten Vorspannkreisen, welche die Transistoren in Sperrichtung vorspannen.

Eine derartige Oszillatorschaltung ist in der US-PS 3 432 691 beschrieben. Dabei dient die Rückkopplung nicht nur der Selbstaufrechterhaltung der Schwir.-gung, sondern zugleich auch der Anpassung der von der Oszillatorschaltung abgegebenen Leistung an die vom Ultraschallerzeuger abgegebene Leistung. Damit

ίο schwingt der Ultraschallerzeuger im wesentlichen mit gleicher Amplitude, gleichgültig ob er an Luft oder an eine Last mit hoher Impedanz angekoppelt ist, so daß er vor Beschädigungen geschützt ist.

Bei dieser bekannten Oszillatorschaltung muß jedoch ein Ausgangstransformator vorgesehen werden und die in Reihe geschalteten Transistoren können kurzfristig beide zugleich im leitenden Zustand sein. Durch die Erfindung soll dagegen eine Oszillatorschaltung der eingangs geschilderten Art angegeben werden, bei der kein Ausgangstransformator erforderlich ist, und eine Überlappung des Durchsteuerns der beiden Transistoren vermieden ist. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 1.

z5 In der US-PS 3584244 ist zwar eine Oszillatorschaltung zum Betrieb eines Ultraschallerzeugers beschrieben, bei der der Rückkopplungstransformator einen durch das rückgekoppelte Signal sättigbaren Kern aufweist, um die von der Oszillatorschaltung abgegebene Leistung wiederum an die vom Ultraschallerzeuger seinerseits abgegebene Leistung anzupassen und so eine Beschädigung desselben zu vermeiden. Auch bei dieser Schaltung ist es aber möglich, daß beide Transistoren zu gleicher Zeit leiten.

Bei der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung werden die Transistoren dagegen unter idealen Bedingungen umgeschaltet, die Schaltung zeichnet sich daher durch einen hohen Wirkungsgrad und hohe Betriebssicherheit aus. Man erhält einerseits eine ideale Wellenform im Schwingkreis und andererseits gut geformte Schaltsignale zur Ansteuerung der Transistoren, die sicherstellen, daß der eine Transistor sicher sperrt, bevor der andere durchgeschaltet wird. In der Rückkopplungsschleife brauchen auch keine hoch belastbaren Widerstände vorgesehen zu werden, was ebenfalls zur Verbesserung des Wirkungsgrades beiträgt. Es werden die Vorteile des zum Ultraschallerzeuger parallelgeschalteten LC-Schwingkreises erhalten, nämlich die geringe Empfindlichkeit gegen lastseitige Kapazitätsänderungen, wie sie durch Veränderung der Anzahl der von der Oszillatorschaltung betriebenen Ultraschallerzeuger oder durch ein Ausfallen eines angeschlossenen Ultraschallerzeugers hervorgerufen werden können, ohne daß ein Ausgangstransformator erforderlich wäre. Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung ist daher auch recht unempfindlich gegenüber unterschiedlichen Belastungen, wie sie bei Ultraschallerzeugern für Ultraschallreinigungsanlagen auftreten, wenn der Wasserstand in einem Reinigungstank, das Reinigungsmittel oder die Beschickung des Reinigungstankes geändert wird. Mit der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung werden somit bezüglich der Herstellungskosten, der Belriebskosten, der Anpassung an verschiedene Lasten und der Betriebssicherheit Vorteile erzieh

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachslehend wird die Erfindung an Hand eines

Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ultraschallreinigungsanlage,

Fig. 2 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung, und

Fig. 3 A bis 3 G grafische Darstellu. igen der Strome und Spannungen an verschiedenen Punkten der Oszillatorschaltung nach Fig. 2 in Abhängigkeit von der Zeit.

EinGehÜJse 10 (Fig. IJ enthält eine oder mehrere der in Fig. 2 gezeigten elektronischen Schaltungen. Das Gehäuse 10 isl mit einem Netzkabei 12, einem Netzschalter 14 und einer Lampe 16 bestückt, die anzeigt, daß Spannung anliegt. Ein Kabel 18 gibt Hochfrequenz, normalerweise von 25 kHz an eine Anzahl von Ultraschallerzeugern 20 ab, die zueinander parallelgeschaltet sind und mechanisch mit der Unterseite eines Tanks 22 verbunden sind, der ein geeignetes Reinigungsmittel 24 enthält. Die Ultraschalierzeuger 20 können nach der US-PS 3 066 232 gebaut sein. Sie enthalten eine oder mehrere piezoelektrische Scheiben, die bei Einspeisung hochfrequenzter elektrischer Energie Schwingungsenergie abgeben, und sind mit geeigneten Mitteln wie Epoxydharz mit der Unterseite des Tanks 22 verklebt. Beim Schließen des Netzschalters 14 gelangt Hochfrequenz über das Kabel 18 an die piezoelektrischen Scheiben der Ultraschallerzeuger 20, welche wiederum in mechanische Resonanzschwingungen versetzt werden und dadurch Schwingungsenergie an das Reinigungsmittel 24 übertragen, um in diesem Kavitationen zu erzeugen; diese Vorgänge sind bekannt.

Das Gehäuse 10 kann mehrere der in Fig. 2 gezeigten Oszillator-Schaltungen enthalten, deren Eingangs- und Ausgangsklemmen parallelgeschaltet sind, um eine größere Ausgangsleistung abzugeben, als es mit einem einzigen Schaltbaustein möglich wäre. In Fig. 2 gelangt Netzspannung mit Netzfrequenz über den Netzschalter 14 und die Sicherung 30 an den Brückengleichrichter 32, der seinerseits mit einem aus den beiden Kondensatoren 34 und 36 sowie der Spule 38 gebildeten Filter verbunden ist. Durch die Gleichrichtungentsteht eine Gleichspannung, deren positive Komponente an der Klemme 40 und deren negative Komponente an der Klemme 42 anliegt. Diese Gleichspannungsquelle speist die erfindungsgemäßc Oszillatorschaltung. Zur Ansteuerung eines Schwingkreises der Oszillatorschaltung ist ein Schaltkreis vorgesehen, der aus zwei in Reihe geschalteten Transistoren 44 und 46 besteht, die zu den Klemmen 40 und 42 parallelgeschaltet sind. Die Transistoren sind als Halbbrückenschaltung geschaltet, wobei der Strom abwechselnd durch den Transistor 44 und dann durch den Transistor 46 fließt, wie nachstehend nähe erläutert wird.

Der an den Schaltkreis gekoppelte Schwingkreis umfaßt die aus folgenden Bauteilen bestehende Reihenschaltung: Spule 50, Gleichspannungskoppelkondensator 52, Primärwicklung 54 eines Rückkopplungstransformators 56 sowie eine Parallelschaltung aus einer Spule 58 und einem Kondensator 60. Zur Primärwicklung 54 des Rückkopplungs-Transformators ist eine Hilfsinduktivität 62 zur Phasenkorrektur des Rückkopplungssignals parallelgeschaltet, wobei dieses Signal gegenüber dem den Schwingkreis durchfließenden Strom einen leicht voreilenden Phasenwinkel hat. Der Rückkopplungs-Transformator 56 ist mit zwei Sekundärwicklungen 64 und 66 bestückt, welche über Spannungsbegrenzer Rückkopplungssignale an jeweils einen der Transistoren 44 und 46 abgeben. Die mit den Sekundärwicklungen in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzer umfassen zu Gleichrichtern 72 parallelgeschaltete Kondensatoren 70. Ferner ist ein herkömmlicher Anlaßwiderstand 74 zwischen die Basis und den Kollektor eines jeden Transistors geschaltet.

ίο Die Oszillatorschaltung hat Ausgangsklemmen 80 und 82, an die die Ultraschallerzeuger 20 angeschlossen sind. Die Anzahl der letzteren ist veränderlich: im Normalfall können zwischen einem und acht Ultraschallerzeuger an die in Fig. 2 gezeigte Oszillator-Schaltung angeschlossen werden. Die Kapazitäten und induktivitäten müssen so gewählt werden, daß der kapazitive Gesamt-Blindwidersiand X₁ der Schaltung gleich ihrem induktiven Blindwiderstand X₁, und daß die elektrische Resonanzfrequenz der Schaltung im wesentlichen einen Wert hat, der der mechanischen Resonanzfrequenz der Ultraschallerzeuger 20 angepaßt ist. Zur Erhöhung der Stabilität der Oszillator-Schaltung und um an die Ausgangsklemmen 8C und 82 eine unterschiedlich große Anzahl von Ultraschallerzeugern anschließen zu können, ist der Wert des Kondensators 60 so gewählt, daß seine Kapazität mindestens gleich, aber vorzugsweise doppelt so groß ist wie die addierte Klemmkapazität der Ultraschallerzeuger 20. Die Sekundärwicklungen 66 und 64 sind so in Pnase gesetzt, daß die Transistoren 44 and 46 in abwechselnden Halbperioden der Schwingkreiszyklen durchgesteuert werden.

Die oben beschriebene Oszillatorschaltung arbeitet folgendermaßen: Während der ersten Halbperiode steuert der Transistor 44 durch, und es fließt Strom von der positiven Klemme 40 über den Transistor 44 zum Knoten 86, der mitten zwischen den beiden in Reihe geschalteten Transistoren 44 und 46 liegt. Zu diesem Zeitpunkt sperrt der Transistor 46. Vom Knoten 86 fließt der Strom über die Spule 50, die aus der Spule 58, dem Kondensator 60 und den angeschlossenen Ultraschallerzeugern bestehende Parallelschaltung, über den Gleichspannungskoppelkondensator 52, die Primärwicklung 54 und die hierzu parallel geschaltete Hilfsinduktivität 62 zur negativen Klemme 42. Während der nächsten Halbperiode steuert der Transistor 46 durch, und der Transistor 44 sperrt, so daß der Strom in umgekehrter Richtung vom Knoten 86 aus über den Transistor 46, die Primärwicklung 54, die parallelgeschaltete Hilfsinduktivität 62, den Kondensator 52, die Parallelschaltung aus der Spule 58, dem Kondensator 60 und den Ultraschallerzeugern 20 sowie die Spule 50 fließt. Der Wechselstrom Λ, im Schwingkreis hat somit die in Fig. 3A gezeigte Wellenform. Die abwechselnden Perioden der Durchsteuerung der Transistoren 44 und 46, d.h. die Ströme /, und I₂, sind in den Fig. 3 B und 3C gezeigt. Fig. 3D stellt den Wechselstrom /_s in der Primärwicklung 54 des Rückkopplungstransformators dar.

Es ist zu beachten, daß die Oszillatorschaltung die Ultraschallerzeuger 20 ohne Verwendung des bekannten und normalerweise eingesetzten Aasgangstransformators betreibt. Die erforderliche Aufwärtstransijrmation der Spannung zum Aniiltb der Ultraschallerzeuger 20 wird durch geeignete Dimensionierung der in Reihe geschalteten Spule 50 erzielt, wodurch man die erforderliche Spitzenspannung er-

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hält. D'c'sc Spule dient auch zur Unterdrückung der höheren Harmonischen.

Wie aus den Fig. 3B und 3 C hervorgeht, beendet jeder Transistor die Halbperiode seiner Durchsteuerung, ehe der ander«¹ Transistor beginnt, durchzustcue^rn. Die Hilfsinduktivitäl 62 ist so dimensioniert, daß sie c'\nc genügend gmije Phasenverschiebung bewirk!, um dir an den Sekundärwicklungen 64 und 66 anliegende Spannung gegenüber dem Strom /₃ etwas voreilen zu lassen, um sicherzustellen, daß ein Transistor ..: Sperrichtung voll vorgespannt ist, eher der andere, nun durchgesteuerte Transistor in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. Die Bauteile der Vorspannkreise mit den Kondensatoren 70 und den Gleichrichtern 72 sorgen für eine Sperrspannung bis zum höchst zulässigen Pegel. Der Kondensator 70 ladt sich während der Durchsteuerungspei iode des xugi'ordnet"n Transistors auf. und di·.¹ an ihm anliegende Spannung wird :·^:; Hilfe der drei in Reihe geschalteten Glcichrich!. r auf 2,1 V gehalten, wi-lvi an jedem Gleichrichter ein vorwärtsgerichteter Spannungsabfall von 0,7 V auftritt. Die Sekundärwicklungen 64, 66 geben für jede Halbperiode eine Spitzenspannung vor 2,H V ab, d.h. ein Signal mit 5.6 V_ss. Während der Halbperiode, in der ein Transistor sperrt, wird die negative Spitzenspannung von 2,K Vdurchdie Vorspannung von 2,5 V (■höht, wodurch eine negative Spannung von 4,9 V abgegeben wird (Fig. 3G). Der Wert von minus 4,9 V ist etwas geringer als die Basis-Emitter-Durchbruchsspunnung.die in diesem Falle 5,0 V beträgt. Die Form der in der Rückkopplungsschleife fließenden Ströme /₍, und I₁ ist in den Fig. 3 E und 3 F gezeigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruchs.':

1. Oszillatorschaltung zum Betrieb eines Ultraschallerzeugers mit einer Gleichstromquelle, mit zwei in Reihe über deren Klemmen geschalteten Transistoren, mit einem Schwingkreis, der fest mit einer der Klemmen der Gleichstromquelle und mit dem zwischen den Transistoren liegenden Knoten verbunden ist und eine Parallelschaltung einer ersten Induktivität und eines ersten Kondensators aufweist, an der die Ausgangsspannung der Oszillatorschaltung abgegriffen wird, mit einer Rückkopplungsschleife, welche dem Strom durch den Schwingkreis proportionale Steuersignale entgegengesetzter Phase auf die Basisklemmen der Transistoren gibt, und mit den Basisklemmen der Transistoren zugeordneten Vorspannkreisen, welche die Transistoren in Sperrichtung vorspannen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschleife einen an sich bekannten Rückkopplungstransformator mit einer Primärwicklung (54) und zwei gegenläufigen Sekundärwicklungen (64, 66) aufweist, daß zur Primärwicklung (54) eine magnetisch entkoppelte Hilfsinduktivität (62) zur Erzeugung einer Phasenvoreilung der Steuersignale parallelgeschaltet ist, und daß die Vorspannkreise durch eine Parallelschaltung eines Kondensators (70) und einer Gleichrichteranordnung (72) gebildet sind, welche in Reihe mit der Basis-Emitterstrecke des durch sie angesteuerten Transistors (44, 46) über die Klemmen der zugeordneten Sekundärwicklungen (64, 66) geschaltet sind.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis ferner eine zweite Induktivität (50) und einen zweiten Kondensator (52) aufweist, die in Serie zu der die Ausgangsspannung bereitstellenden Parallelschaltung (58, 60) geschaltet sind.

3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung eine Mehrzahl in Serie geschalteter Gleichrichter (72) aufweist.

4. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glcichrichteranordnung (72) so ausgelegt ist, daß die maximale Sperrspannung während der Sperrphase etwas kleiner als die Durchbruchspannung der Basis-Emitterstrecke der Transistoren (44, 46) ist.