DE2726249A1 - Ultraschallwellen-generator - Google Patents

Description

• U1 Ul traschallwellen-Generator Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwellen-Generator mit Oszillator, einen Leistungsverstärke, der das Wusgangssignal des Oszillators verstärkt und einen elektrostriktiven oder magnetostriktiven Wandler, der mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers verbunden ist. Der Ultraschallwellen-Generator enthält eine Gleichstromquelle, deren Ausgangsstrom unter Zwischenschaltung eines spannungsgesteuerten Oszillators durch gesteuerte elektronische Schalter in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dem Wandler-Schwingkreis zugeführt wird und seine Ausgangsenergie auf den Wandler überträgt.Im Generator ist ein Steuerkreis vorgesehen, mit dessen Hilfe die Oszillator-Ausgangsfrequenz auf die Wandler-Arbeitsfrequenz derart nachgeregelt wird, daß die auf den Wandler übertragene Energie maximal ist.
• Bekannt ist für diesen Steuerkreis nach der US-PS 291?691 der Phasenvergleich von Spannung und Strom des am Wandler erzeugten Steuersignals. Diese Spannung und dieser Strom ändern sich mit der Abstimmung des Oszillators in der Frequenz, so daß der Phasendetektor für ein breites Frequenzband ausgelegt sein muß. Dieses breite Frequenzband ist deshalb besonders für Ultraschall-Reinigung, jedoch nicht für vornehmlich Ultraschall-Kunststoff-Schweißung geeignet. Eine andere Auslegeschrift 2006260 weist aus, daß der Steuerkreis eine Modulations-Vorrichtung mit einem Signalgenerator enthält, in dem das Oszillator-Ausgangssignal vom Ausgangssignal des Signalgenerators frequenzmoduliert wird. In einer weiteren OS 2423592 wird angestrebt, durch Transformatoren mit mehreren Wicklungen und Hilfs-Schwingkreisen eine bessere Rückkopplungswirkung und damit Leistungserhöhung des Generators zu erzielen. Alle diese Vorrichtungen bedingen noch einen relativ großen Aufwand an Bauelementen, die in Form von Schwingkreisen mit Induktivitäten und Kapazitäten durch deren mögliche Frequenzdriften zusätzlich für eine weitere Störanfälligkeit der Schaltung sorgen.
• Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Ultraschallwellen-Generator zu schaffen, der unter Fortlassung der vorher erwähnten diskreten Schwingkreise mit ihren angeführten, möglichen, zusätzlichen Frequenzdriften so geeignet ist, daß durch den Fortfall dieser zusätzlichen Frequenzdriften die erzielbare Frequenzstabilität des Ultraschallwellen -Generators auch bei der rauhen Betriebsweise im Verpackungssektor mit einfacheren und damit unempfindlicheren Bauelementen das vornehmlich zum Kunststoffschweißen erforderliche, schmale Frequenzband gewährleistet wird.
• Der Ultraschallwellen-Generator gemäß dieser Erfindung benutzt einen spannungsgesteuerten Oszillator mit Komparator und Tiefpassfilter in integrierter Bauweise, so daß in kostensparender und raumsparender Anordnung unter Zuhilfenahme von integrierten Gattern für die Ansteuerung, die Frequenznachführung nach dem an sich bekannten PHASE LOCKED LOOP-Prinzip (KsI.-Verfahren) vorgenommen wird. Der spannungsgesteuerte Oszillator wird hierbei freischwingend so eingestellt, daß die durch Impedanzänderung entstehende Arbeitsfrequenz des Wandlers innerhalb des Fangbereiches der PLL-Schaltung bleibt.
• Durch den Haltebreich, der relativ elastisch ist, wird gewährleistet, daß bei weiteren, möglichen Impedanzänderungen im Verlauf des Arbeitsvorganges die ELL-Schaltung im Haltebereich verbleibt, so daß eine einwandfreie Frequenznachführung gewährleistet ist. Hinzu kommt, daß bei Benutzung eines geeig neten Komparators die ELL-Schaltung auch auf harmonische Frequenzen einrastet. Auch dadurch wird die Sicherheit der Frequenznachführung erhöht, da eine Fehlanpassung des Wan'dlers bei dessen Impedanzänderung hierbei nicht erfolgen kann.
• Bei abwendung des PLL-Verfahrens für diese Zwecke ist es erforderlich, daß die erreichbare Genauigkeit der Frequenznzahführung durch achaltungsinterne Störungen,verursacht z.HN durch Umwelteinflüsse während des erwähnten rauhen Betriebseinsatzes, beeinträchtigt wird.
• Der Ultraschallwellen-Generator gemäß dieser Erfindung sieht für diese Fälle vor, daß der vorn diesen äußeren Störungen hauptsächlich betroffene spannungsgesteuerte Oszillator durch eine Regel schaltung seine eingestellte, freischwingende Frequenz behält.
• Dadurch wird erreicht, daß das Verhältnis dieser Frequenz zur impedanzbedingten Frequenzänderung, verursacht durch den Wandler während seiner Arbeit, immer innerhalb des Fangbereiches der FLL-Schaltung bleibt. Diese erforderliche Regelung der freischwingenden Frequenz, immer auf dem eingestellten Wert zu bleiben, wird bei dieser Erfindung dadurch erreicht, daß die freischwingende Frequenz digital mit einem geeichten Zähler mit Torschaltung gemessen und durch elektronisch schaltbare Widerstände nachgeregelt wird. Zur Vereinfachung des Vorganges werden aber nur innerhalb einer geeigneten Dekade dieses Zählers lediglich drei Zählstufen als Ausgänge erfaßt. Diese drei Zählstufen-Ausgänge regeln die freischwingende Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators bei Bedarf nach.
• Die Erfindung wird nachfol%d eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbei£pieles, unter Weglassung für die Erläuterung unwichtiger Bauelemente, näher erläutert.
• Der im Prinzip-Schaltbild gazeigte Ultraschallwellen-Generstor weist hierin einen spannungsgesteuerten Oszillator 1 &uf, der mit dem Komparator 2 und dem Tiefpassfilter 3 eine Rückkopplungsschleife bildet (ELL-Verfahren). Das PAL-System steuert die Treiberstufen 13 und 14 an, die wiederum im Gegentakt geschaltete Endstufe mit den elektronischen Schaltern 15 und 16 über die Basis ihrer Transistoren schalten. Der in der Endstufe geschaltete Strom wird dem elektrostriktiven - bzw.
• magnetostriktiven Wandler 19 über den Transformator 17 mit der Kompensationsspule 18 zugeführt. Die durch die Impedanzänderung des elektrostriktiven oder magnetostriktiven Wandlers 19 während des Arbeitseinsatzes erzeugte neue Frequenz wird durch eine dargestellte Verknüpfungslogik dem PLL-Sy6tem zur direkten Frequenznachführung zugeführt.
• Um das Verhältnis von der freischwingenden Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators zum Fangbereich des El-Systemt über das Tiefpasifilter 3 zu gewährleisten, werden noch mögliche Frequenzdriften, wie nachfolgend erläutert, unmittelbar ohne Zwischenschaltung von Modulatoren mit folgenden einfachen Bauelementen auageregelt.
• Der Oszillator 1 hat in seinem RC-Glied des Schwingkreises für die freischwingende Frequenz den Kondensator 4 und die drei Teilwiderstände 5 - 6 - 7 mit dem Potentiometer 20 in Reihe geschaltet. Die Teilwiderstände 5 - 6 - 7 bilden also mit dem Potentiometer 20 den verfügbaren Gesamtwiderstandswert für das RC-Glied. Drei Zählstufen die einstellbar sind, der Zähldekade 12 sind so mit dem Vorwahl schalter 11 verbunden, daß bei Zähldurchlauf der Zähldekade 12 die elektronischen Schalter 8 - 9 - 10 treppenstufenartig die Teilwiderstände 5 - 6 - 7 bei jeder Torzeit der Zähldekade 12 so schalten, daß je nach Zählstellung eine Erhöhung bzw. eine Erniederung des Gesamtwiderstandswertes und damit eine direkte Frequenz-Korrektur über das RC-Glied erfolgt. Die vorher gewählte freischwingende Frequenz des Oszillators 1 wird durch das Potentiometer 20 von Hand auf den Schalter 9 und damit auf die Mitte des Regelsystems justiert.

Claims (5)

1. Patentansprüche 1). Ultraschallwellen-Generator mit Oszillator, einem Leistungsverstärker der das Ausgangssignal des Oszillators verstärkt und einer Gleichstromquelle, deren Ausgangsstrom durch gesteuerte elektronische Schalter in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dem Wandlerschwingkreis zugeführt wird und seine Ausgangsenergie auf den Wandler überträgt und mit einem Steuerkreis, mit dessen Hilfe die Oszillator-Ausgangsfrequenz auf die Wandler-Arbeitsfrequenz derart nachgeregelt wird, daß die auf den Wandler übertragene Energie maximal ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis einen integrierten PHASE LOCKED LOOP-Schaltkreis darstellt, der aus einem spannungsgesteuerten Oszillator , einem Tiefpassfilter und einem digitalen Phasenkomparator in EXXLUSIV-ODER-Schaltung so besteht, daß der PLL-Schaltkreis auf eine Eingangsfrequenz einrasten kann, die nahe bei einer HARMONISCHEN der eingestellten, freischwingenden Frequenz des apannungsgesteuerten Oszillators liegt.
2. 2). Ultraschallwellan-Generator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die eingestellte freischwingende Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators digital mit einem geeichten Zähler mit Iforschaltung gemessen und durch elektronisch schaltbare Widerstände nachgeregelt wird.
3. 3). Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß dzr Zähler lediglich drei Zählstufen einer geeigneten Dekade erfaßt und mit diesen drei Zählstufen durch deren Ausgänge die freischwingende Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators nachregelt.
4. 4). Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß die drei Zählstufen vorgewählt werden können.
5. 5). Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1,2,3,4 dadurch gekennzeichnet, daß die drei vorgewählten Zählstufen geeignete Widerstände als Teilwiderstände des RC-Gliedes des spannungsgesteuerten Oszillators oder geeignete Kondensatoren als Teilkondensatoren des RC-G1iedes des spannungsgesteuerten Oszillators nach Regelbedarf treppenartig, mittels lek @onischer Schalter, zu- oder abschalten.

   Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Patentschriften: US-PS 2917691 fiT-Ps 2006260 FR-OS 2423592