DE2423592A1

DE2423592A1 - Ausgangsschaltung fuer einen ultraschallgenerator

Info

Publication number: DE2423592A1
Application number: DE19742423592
Authority: DE
Inventors: Alain Manzo
Original assignee: Mecasonic SA
Current assignee: Mecasonic SA
Priority date: 1974-05-02
Filing date: 1974-05-15
Publication date: 1975-11-20
Also published as: FR2269381B1; DE2423592B2; IT1029158B; FR2269381A1; GB1506174A; DE2423592C3

Description

MECASONIC S.A.
Ba,s~Monthoux

74 100 Annemasse (Frankreich)

Ausgangsschaltung für einen Ultraschallgenerator

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen von Ultraschallgeneratoren, wie sie zum Schweißen, zur Bearbeitung, zum Reinigen oder auf anderen Gebieten Verwendung finden. Sie erstreckt sich insbesondere auf die Schaffung eines Ausgangsschaltkreises für einen solchen Generator, der so entworfen ist, daß er eine selbsttätige Steigerung der Leistung in Abhängigkeit der Veränderung der Impedanz der Belastung liefert.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachstehend ihre Anwendung auf eine Maschine zum Verschweißen von Kunststoffen durch Ultraschall gezeigt; dabei handelt es sich Jedoch nur um eine nicht-beschränkende beispielhafte Anwendung.

Im allgemeinen besteht eine solche Maschine aus drei wesentlichen Elementen:

- einem elektronischen Generator für die Lieferung elektrischer Energie mit hoher Frequenz für einen Schweißkopf;

- einem Schweißkopf, bestehend aus einem elektrostriktiven, magnetostriktiven oder anderen Wandler, einem mechanischen Verstärker und einem vibrierenden Werkzeug, das Sonotrode genannt wird;

- einem Gestell, das die Verschiebung des Schweißkopfes auf dem zu schweißenden Gegenstand erlaubt und das aus einem Spanntisch zur Aufnahme eines Spannfutters oder einer Drehplatte besteht.

Die Funktionsweise einer solchen Maschine ist wie folgt:

Während des Schweißzyklus kommt die Sonotrode zur Auflage auf dem zu schweißenden Objekt aus Kunststoff. Die Vibration des Schweißkopfes erzeugt auf dem Objekt eine Relativbewegung zu dem Stück, das mit dem vibrierenden Kopf in Kontakt ist, während das angepresste andere Stück in Ruhe bleibt, so daß durch Reibung eine Verschweißung erzielt wird.

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Während dieses Verfahrens ändert sich die geeignete Impedanz des Schweißkopfes um einen Verhältniswert der Größenordnung 1 bis 20, und gerade dann, wenn die Impedanz am größten ist, muS ein Maximum an Leistung geliefert werden. Es ist speziell dieses Problem, auf das sich die Erfindung bezieht.

Nach der Beschreibung der Arbeitsmittel zur Erzielung eines solchen Ergebnisses, soll kurz der Aufbau der Ausgangsschaltkreise erläutert werden, die im allgemeinen für Generatoren verwendet werden, die eine konstante Impedanz speisen.

Nachstehend sind drei verschiedene Typen bekannter Schaltkreise unter Bezugnahme auf die Schaltbilder der Fig. 1 bis -3 beschrieben.

1 - Fiffur 1:

In dieser bekannten Ausbildung besteht der Ausgangsschalt kreis aus einem Ausgangstransformator T₁, dessen Primärkreis in Gegentaktschaltung mit dem Mittelpunkt verbunden ist und dessen Sekundärkreis einen elektrostriktiven Wandler speist, der hier in Form einer Kapazität C^ darge stellt ist, die von einer in Serie geschalteten Selbstinduktionsspule L. kompensiert wird.

2 - Figur 2t

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Diese Ausbildung ist mit der in Fig. 1 beschriebenen identisch, die einzige Änderung liegt darin, daß die Kompensation durch eine Selbstinduktionsspule Lp erfolgt,

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die parallel zum Wandler Cj geschaltet ist. 5 - Figur 3:

Bei dieser Ausführungsform ist der Ausgangstransformator Τ-," mit seinem Primärkreis in Gegentakt mit dem Hittelpunkt geschaltet, und eine Kompensationskapazität C₂ ist parallel zur Primärwicklung geschaltet. Wie im Beispiel nach Fig. 1, kann im Sekundärkreis eine in Reihe geschaltete Selbstinduktionsspule L, vorhanden sein. Die bekannten Schaltungen geben im allgemeinen ihre Maximalleistung bei einer bestimmten vorgegebenen Impedanz ab, aber wenn die mechanische Impedanz des Kopfes sich im Verhältnis 1:20 ändert, wie es bei einem Schweißkopf für Kunststoff der Fall ist, liefern die bekannten Generatoren eine Leistung, die mit steigender Impedanz abnimmt. In Fig. 4 zeigt die Kurve 1 die Leistung "P, die vom Generator abgegeben wird, als Funktion der Last C.

Im Gegensatz zu den Ausgangsschaltkreisen der bekannten Generatoren, wird erfindungsgemäß ej-n Ausgangsschaltkreis geschaffen, der eine selbsttätige Steigerung der Leistung P in Abhängigkeit der Impedanzänderung der Last C liefert.

Zu diesem Zweck besteht ein erfindungsgemäßer Ausgangsschaltkreis aus einem Ausgangstransformator des Generators mit einem bekannten im Gegentakt geschalteten Primärkreis und einem Sekundärkreis, der aus zwei Wicklungen besteht, wobei die eine einen elektrostriktiven Wandler und eine Kompensationsspule speist und die andere Wicklung die gleiche Kompensationsspule speist und mit einer starken Kapazität abgeglichen istj der Schaltkreis besteht des

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weiteren aus einem Rückkopplungssystem oder "feed back", das von zwei Wicklungen gebildet wird, die beide die Basis eines Transistors für einen Oszillator speisen, wobei die eine Wicklung mit der Wicklung der !Compensationsspule und die andere Wicklung mit dem Sekundärkreis des Ausgangstransformators verbunden ist.

Die weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend anhand der Fig. 5 und 6 beschrieben, die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen. Zunächst wird die Schaltung nach Fig. 5 behandelt.

Gemäß der Erfindung trägt der Ausgangstransformator T des Generators eine klassische im Gegentakt geschaltete Primärspule und auf der Sekundärseite zwei Spulen T¹^ und Τ'₂·

Die erste der zwei Spulen T'^ speist den Schweißkopf, der z.B. von einem elektrostriktiven Wandler C, gebildet wird, der von einer Spule L mit einer starken Reluktanz kompensiert wird, in der Weise, daß die nachstehende Gleichung erfüllt ist: T

(L + L_T,) C₁ O)² = 1 worin bedeuten:

L den Wert der Induktivität der Kompensationsspule L des Schweißkopfes;

L_T, den Wert der Induktivität der Spule T·¹«. des Sekundärkreises des Ausgangstransformators T;

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C₁ die Kapazität des Kopfes (Wandler C₁); OJ die Kreisfrequenz.

Die zweite Wicklung T'₂ speist die Kompensationsspule des Kopfes (L) und eine Kapazität C^f ₂, mit beträchtlichem Wert (C₁) nach folgender Beziehung:

(L + L_n,, )Co = 1 = Z

(C₁ +

in welcher bedeuten:

Lm, den Wert der Induktivität für die Spule der ι ₂

Sekundärwiddung T'₂ des Transformators; Cp die Kompensationskapazität und

Z die mechanische Impedanz des Schweißkopfes; die Bedeutung der anderen Parameter ist nachfolgend angegeben.

Das Wesen der Erfindung liegt also darin, daß man einen Ausgangstransformator T benutzt, dessen Sekundärkreis aus zwei Wicklungen T^ und T'₂ besteht, die man als eine abgeglichene Brücke ansehen kann, wenn man die Schaltung des Sekundärkreises alleine mit den Belastungen prüft, welchen sie angeschlossen ist. Zusätzlich zu dieser Schaltung wird durch die Erfindung ein "feed-back"-System geschaffen, das aus zwei in Serie geschalteten Wicklungen F₁ und F₂ besteht, wobei F₁ mit der Wicklung der Kompensationsspule L und F₂ mit dem Sekundärkreis des Ausgangstransformators T gekoppelt ist, wodurch eine Verbesserung der vom Generator abgegebenen Leistung erzielt wird, die

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proportional der Impedanzsteigerung des Schweißkopfes ist.

Tatsächlich ist die Kompensationsspule L auf einen Eisenkern mit großer Reluktanz gewickelt (beträchtliche Spaltbreite).. Der Ausgangstransformator T ist auf einen magnetischen Kern mit der Reluktanz Null gewickelt (Spaltbreite Null), damit die Leistungstransistoren im Viereck arbeiten.

Während der Durchführung der Schweißung wächst die Impedanz des Kopfes gemäß dem Druck, den man auf das zu schweißende Stück ausübt. Diese Steigerung der Impedanz führt zu einer starken Erhöhung der Spannung auf die Wicklung F^, bis die Spannung an den Klemmen der Wicklung F₂ praktisch konstant bleibt. Die Differenz dieser beiden Spannungen wird auf die Basis Bmn des Transistors des Oszillators gegeben und, da das Signal der Impedanzänderung des Kopfes proportional ist, gibt der Oszillator eine Leistung ab, die proportional der Impedanz des Kopfes ist. Durch die Linie 2 in Fig. 4 ist die^Kurve der Leistungsveränderung als Funktion der Last gemäß der Erfindung wiedergegeben.

In der Variante, die in Fig. 6 wiedergegeben ist, findet man die gleichen Komponenten, der einzige Unterschied liegt darin, daß man die Sekundärwicklung T'₂ weggelassen hat. Die erfindungsgemäße Schaltung kann gleic.hermassen für einen elektrostriktiven, magnetostriktiven oder Wandler anderer Art verwendet werden. Die Art der verwendeten Schaltung oberhalb des Ausgangstransformators T kann eine Gegentaktschaltung, parallel oder in Serie oder eine Kombination

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beider sein. Von der Erfindung werden u.a. folgende Vorteile vermittelt:

- Erhalt einer Leistungssteigerung, proportional zur auf den Kopf angelegten Last gemäß der Kurve 2 der Fig. 4. Die Verbesserung der Leistung wird in allen Fällen durch eine gleichzeitige Steigerung des Stromes und der Spannung auf den Schweißkopf erreicht und dies obwohl die Impedanz steigt. Die gleichzeitige Steigerung des Stromes und der Spannung auf den Kopf wird in allen Fällen ohne Phasenänderung verwirklicht, unbeschadet des Extremteiles von Kurve 2, wo die maximale Leistungsgrenze des Generators erreicht wird;

- die Möglichkeit bei einer rein reaktiven Last schnelle Transistoren, epitaktische Technik oder multiepitaktische Technik zu verwenden. Die auf die Primärseite des Ausgangstransformators übertragene Impedanz ist in allen Fällen verarbeitbar zu einer Widerstandslast, so daß die Verluste des Transistors der Leistung praktisch auf Null reduziert sind. Man sieht den Vorteil der Schaltung infolge einer Benutzung eines schnellen Transistors unmittelbar daran, daß in allen vorliegenden Fällen bei der benutzten Frequenz eine viel größere dynamische Verstärkung als mit langsamen Transistoren homogener Basis erzielt wurde.

Die Erfindung soll durch die dargestellten Beispiele nicht beschränkt werden sondern soll sämtliche Variationsmöglichkeiten umfassen.

Patent an s d r üc h e: - 9 -

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Claims

Patentansprüche

yl A Ausgangsschaltkreis eines Ultraschallgenerators der Insbesondere zur Schweißung von Kunststoffkörpern geeignet ist, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Ausgangstransformator (T) mit einer im Gegentakt geschalteten Primärseite aufweist und eine Sekundärseite mit zwei Wicklungen (T¹., T^fp)» dessen eine (T',.) einen Wandler (C₁) und eine Kompensationsspule (L) speist und dessen andere (T'p) die gleiche Kompensationsspule (L) speist und durch eine starke Kapazität (C^! ₂) abgeglichen ist, daß die Schaltung weiterhin ein Rückkopplungssystem oder feed-back beinhaltet, das eine Doppelspule (F.,, Fp)

'aufweist, dessen eine Spule (F,.) mit der Wicklung der Kompensationsspule (L) gekoppelt ist und dessen andere Spule (Fp) mit der Sekundärseite des Ausgangstransformators gekoppelt ist und beide die Basis des Transistors des Oszillators speisen.
2. Ausgangsschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß seine,Komponenten so bemessen werden, daß die folgenden Gl'eichungen erfüllt sind:

(L + L_T, ) C₁ ² --= 1

(L + L_T, )Q = 1 = Z ² (C₁ + C₂)O/

Darin bedeuten:

L den Wert der Induktivität der Kompensationsspule (L);

Lm, den Wert der Induktivität der Sekundärspule T¹.; ¹ 1 ^Ί

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Cj. die Kapazität des Umformers; CJ die Kreisfrequenz;

Lm, den ¥ert der Induktivität der Spule der Sekundar-² wicklung T'₂;

Cρ die Kapazität der Kompensation und

Z die mechanische Impedanz des Umformers C₁..
3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet , daß die SekundärwicklungCT' )weggelassen
4. Schaltkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kompensationsspule (L) um einen Eisenkern mit großer Reluktanz gewickelt ist.
5. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgangstransformator (T) auf einen Magnetkern mit der Reluktanz Null gewickelt ist.

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