DE2726249C2 - Ultraschallwellen-Generator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwellen-Generator zum Kunststoffschweißen mit einem Oszillator, einem Leistungsverstärker, der das Ausganssignal des Oszillators verstärkt, und einer Gleichstromquelle, deren Ausgangsstrom durch gesteuerte elekronische Schalter in einen Wechselstrom umgewandelt wird, der dem Wandlerschwingkreis zugeführt wird und seine Ausgangsenergie auf den Wandler überträgt, und mit es einem Steuerkreis, mit dessen Hilfe die Oszillator-Ausgangsfrequenz auf die Wandler-Arbeitsfrequenz derart nachgeregelt wird, daß die auf den Wandler übertragene Energie maximal ist, welcher Steuerkreis ein integrierter PHASE LOCKED LOOP-Schaltkreis ist. der aus einem spannungsgesteuerten Oszillator, einem Tiefpaßfilter und einem Phasenkomparator besteht und der auf eine Eingangsfrequenz einrasten kann, die nahe bei einer HARMONISCHEN der eingestellten, in einem Fangbereich freischwingenden Mittelfrequenz des Oszillators liegt

Bei einem aus der US-PS 29 17 691 vorbekannten Ultraschallwellen-Generator dieser Art ist die Funktionsweise beschränkt auf den Fangbereich der PLL-Schaltung. Dieser Fangbereich ist für Schallwellen-Generatoren zum Kunststoffschweißen nicht breit genug, denn beim Kunststoffschweißen muß man mit dem Wandler Druck auf die Schweißstelle ausüben und die Schweißstelle muß mit einer stabilen Unterlage hinterlegt sein. Durch diesen Druck verändert sich die eigene Resonanz des Wandlers in erheblichem Maße. Diese Veränderung ist abhängig von der jeweiligen mechanischen und akustischen Einwirkung des Wandlers auf den Kunststoff und von dem Kunststoff selbst

In der Praxis ergeben sich da zum Beispiel beim Zusammenschweißen von flachen Kunststoffbändern für Paketverschnürmaschinen Impedanzänderungen im Bereich von 1 :20. Das ist mit einem Ultraschallwellen-Generator nach der US-PS 29 17 691 nicht mehr zu bewältigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwellen-Generator der eingangs genannten Art so auszugestal· ten, daß die Nachregelung auch in einem sehr breiten Arbeitsbereich möglich ist, und zwar mit möglichst einfachem Schaltungsaufwand, der betriebssichere Arbeitsweise erwarten läßt

Die Lösung dieser Aufgabe ist Kennzeichen des Anspruchs 1.

Der Ultraschallwellen-Generator gemäß dieser Erfindung benutzt einen spannungsgesteuerten Oszillator mit Komparator und Tiefpaßfilter in ipt.egrierter 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 (PLL-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 Haltebereich, der relativ elastisch ist, wird gewährleistet, daß bei weiteren, möglichen Impedanzänderungen im Verlauf des Arbeitsvorganges die PLL-Schaltung im Haltebereich verbleibt, so daß eine einwandfreie Frequenznachführung gewährleistet ist Hinzu kommt, daß bei Benutzung eines geeigneten Komparators die PLL-Schaltung auch auf harmonische Frequenzen einrastet. Auch dadurch wird die Sicherheit der Frequenznachführung erhöht, da eine Fehlanpassung des Wandlers bei dessen Impedanzänderung hierbei nicht erfolgen kann. Bei Anwendung des PLL-Verfahrens für diese Zwecke ist es erforderlich, daß die erreichbare Genauigkeit der Frequenznachführung durch schaltungsinterne Störungen, verursacht zum Beispiel durch Umwelteinflüsse während des erwähnten rauhen Betriebseinsatzes, nicht beeinträchtigt wird.

Der Ultraschallwellen-Generator gemäß dieser Erfindung sieht für diese Fälle vor, daß der von diesen äußeren Störungen hauptsächlich betroffene spannungsgesteuerte Oszillator durch eine Regelschaltung seine eingestellte, freischwingende Frequenz behält.

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Dadurch wird erreicht, daß das Verhältnis dieser Fre- quenzzahlen steht. Wenn nun die Ausgangsfrequenz des quenz zur impedanzbedingten Frequenzänderung, ver- Oszillators an den Rand des Fangbereiches gerät, dann ursacht durch den Wandler während seiner Arbeit, im- schaltet diese Zähldekade entsprechend der Frequenzmer innerhalb des Fangbereiches der PLL-Schaltung änderung, zum Beispiel bei einer Frequenzsenkung, auf bleibt. Diese erforderliche Regelung der freischwingen- 5 »4« um, weil sich die Ausgangsfrequenz auf 40,4 kHz den Frequenz, immer auf den eingestellten Wert zu blei- abgesenkt hat Dadurch entsteht in dieser Zähldekade ben, wird bei dieser Erfindung dadurch erreicht, daß die ein Schaltimpuls und dieser Schaltimpuls löst in dem freischwingende Frequenz digital mit einem geeichten Vorwählwiderstand Il eine stufenweise Umschaltung Zähler mit Torschaltung gemessen und durch elekro- aus, so daß nun die Mittelfrequenz verstellt wird auf nisch schaltbare Widerstände nachgeregelt wird. Zur io beispielsweise 403 kHz. Der Fangbereich verschiebt Vereinfachung des Vorgangs werden aber nur innerhalb sich damit auch, nunmehr beispielsweise auf 40,15 bis einer geeigneten Dekade dieses Zählers lediglich drei 40,45 kHz. Nun liegt die ausgewichene Ausgangsfre-Zählstufen als Ausgänge erfaßt. Diese drei Zählstufen- quenz 40,4 im oberen Ende des neuen Fangbereichs und Ausgänge regeln die freischwingende Frequenz des ein weiteres Absinken der Frequenz führt nicht zu Instaspannungsgesteuerten Oszillators bei Bedarf nach. 15 bilität, weil der neue Fangbereich nach unten mehr Platz

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, in der bietet.

das Prinzip-Schaltbild eines Ausführungsbeispiels dar- Der Arbeitsbereich des Ultraschallwellen-Generagestellt ist, näher erläutert tors ist also auf einfache Weise von einem Fangbereich

Der dargestellte Ultraschallwellen-Generator weist auf mehrere, nebeneinanderliegende Fangbereiche auseinen spannungsgesteuerten Oszillator 1 auf, der mit 20 gedehnt worden.

dem Komparator 2 und dem Tiefpaßfilter 3 eine Rück-

kopplungsschleife bildet (PLL-Verfahren). Das PLL-Sy- Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

stern steuert die Treiberstufen 13 und 14 an, die wiederum im Gegentakt geschaltete Endstufe mit den elektronischen Schaltern 15 und 16 über die Basis ihrer Transistören schalten. Der in der Endstufe geschaltete Strom wird dem elektrostriktiven beziehungsweise 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 Freqoenz wird durch eine Verknüpfungslogik dem PLL-System zur direkten Frequenznachführung zugeführt

Um das Verhältnis von der freischwingenden Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators zum Fangbereich des PLL-Systems über das Tiefpaßfilter 3 zu gewährleisten, werden noch mögliche Frequenzdriften, wie nachfolgend erläutert, unmittelbar ohne Zwischenschaltung von Modulatoren mit folgenden einfachen Bauelementen ausgeregelt.

Der Oszillator 1 hat in seinem ÄC-Glied 21 des Schwingkreises für die freischwingende Frequenz den Kondensator 4 und die drei Teil widerstände 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 Vprwahlschalter 11 verbunden, daß bei Zähldurchlauf der Zähldekade 12 die elektronisehen Schal'.er 8,9,10 treppenstufenartig die Teilwiderstände 5, 6, 7 bei jeder Torzeit der Zähldekade 12 so schalten, daß je nach Zählstellung eine Erhöhung bezishungsweise eine Erniederung des Gesamtwiderstandswertes und damit eine direkte Frequenz-Korrektur über das RC-GWed 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.

Der digitale Frequenzmesser 12 steht ständig auf der jeweiligen Oszillator-Ausgangsfrequenz. Wenn zum Beispiel die an dem Widerstand 20 eingestellte Mittelfrequenz 403 kHz beträgt, dann erstreckt sich der Fangbereich beispielsweise von 4035 bis 40,65 kHz. In diesem Fall ist diejenige Zähldekade des Frequenzmessers es 12, die den Vorwählschalirr 11 ansteuert, die erste Stelle nachdem Komma, also diejenige Zähldekade, in der die »5«, die »3« und die »6« aus den vorgenannten Fre-

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ultraschallwellen-Generator zum Kunststoffschweißen mit einem 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, welcher Steuerkreis ein integrierter PHASE LOCKED LOOP-Schaltkreis ist, der aus einem spannungsgesteuerten Oszillator, einem Tiefpaßfilter und einem Phasenkomparator begeht und der auf eine Eingangsfrequenz einrastee kann, die nahe bei einer HARMO-NISCHEN der eingestellten, in einem Fangbereich freischwingenden Mittelfrequenz des Oszillators liegt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein für die Mittelfrequenz des Oszillators (1) frequenzbestimmender Widerstand auf Mittelfrequenzen benachbarter Fangbereiche stufenweise verstellbar ist,

daß ein mit der Ausgangsfrequenz des Oszillators (1) ansteuerbarer, digitaler Frequenzmesser (12) vorgesehen ist, daß ein Vorwählschalter (11) vorgesehen ist zum Verstellen des frequenzbcstimmoiden Widerstandes und

daß der Vorwählschalter (11) von Schaltimpulsen mehrere Zählstufen einer Zähldekade des Frequenzmessers angesteuert wird, derart, daß bei Ausweichen der Ausgangsfrequenz aus dem Fangbereich die Mittelfrequenz auf den entsprechenden benachbarten Fangbereich nachgestellt wird.

2. Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzbestimmende Widerstand ein von Hand einstellbares, frequenzbestimmendes Schaltelement (20) aufweist, mit dem die durch den Vorwählschalter (11) einstellbaren Mittelfrequenzen gemeinsam verstellbar sind.

3. Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwählschalter (11) drei Ein-Aus-Schalter (8,9,10) aufweist, die, in Reihe geschaltet, frequenzmitbestimmenden Widerständen (5, 6, 7) des frequenzbestimmenden Widerstandes einzeln zugeordnet sind und von den Schaltimpulsen dreier einzeln zugeordneter Zählstufen der Zähldekade angesteuert werden.