DE2815434B2

DE2815434B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines Wandlers mit einem Resonanzkreis

Info

Publication number: DE2815434B2
Application number: DE19782815434
Authority: DE
Inventors: Shuhei Furuichi; Takahiko Nose
Original assignee: J Morita Manufaturing Corp
Current assignee: J Morita Manufaturing Corp
Priority date: 1977-04-13
Filing date: 1978-04-10
Publication date: 1979-11-15
Also published as: JPS53127709A; DE2815434A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Wandlers, beispielsweise eines Ultraschallvibrators, mit einem Resonanzkreis unter Verwendung eines spannungsgesteuerien Oszillators oder eines stromgesteuerten Oszillators.

Bei der Beaufschlagung eines Ultraschallvibrators mit elektrischer Energie ändert sich die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises in Abhängigkeit von der mechanischen Belastungskapazität und Temperaturschwankungen des Ultraschallvibrators. Dadurch kommt es zu Fehlanpassungen der Treiberfrequenz auf Seiten der dem Ultraschallvibrator zugeführten Betriebsspannung; der Wirkungsgrad der Ansteuerung des Ultraschallvibrators sinkt merklich ab.

Der Scheinleitwert des Wandlers, beispielsweise in Form eines elektrischen Verzerrerelements, mit einem Resonanzkreis ist in F i g. I dargestellt. Was die gegenseitige Beziehung der Treiberfrequenz F m der Resonanzfrequenz Fo anbelangt, ist aus dem Vektordiagramm nach F i g. 2 zu erkennen, daß dann, wenn die Treiberfrequenz F mit der Resonanzfrequenz Fo übereinstimmt, die Phasendifferenz zwischen dem zu dem Ultraschallvibrator fließenden Strom und der an den Ultraschallvibrator angelegten Betriebsspannung <>o Θ (rad) beträgt, was in F i g. 2 bei I angedeutet ist. Wenn dagegen F< Fo ist, eilt die Phase des dem Ultraschallvibrator zugehenden Stroms entsprechend der Darstellung Il zusätzlich um ΔΒ\ (rad) vor, was zu einer Gesamtphasendifferenz gegenüber der Spannungsphase von Θ + /4θι (rad) führt. Wenn dagegen F> F₀ ist, erfolgt ein Nacheilen um ΔΘ2 (rad), entsprechend einer resultierenden Phasendifferenz zur Spannungsphase von θ-.4B₂ (rad). Wenn also die Resonanzfrequenz F₀ des Ultraschallvibrators eine Änderung erfährt, ändert sich die Phasendifferenz zwischen der Phase der an den Ultraschallvibrator angelegten Betriebsspannung und der Phase des dem Ultraschallvibrator zufließenden Stromes im Bereich der Resonanzstelle als Mitte, wodurch der Ansteuerungswirkungsgrad des Ultraschall vibrators abfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Mittel zu schaffen, die sicherstellen, daß der Wandler ständig mit hohem Wirkungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Spannung abgeleitet wird, die der Phase des dem Wandler zufließenden Stromes entspricht, diese Spannung einem Phasenvergleicher als erstes Eingangs signal zugeführt wird, an den Phasenvergleicher die Treiberspannung des Wandlers als zweites Eingangssignal angelegt wird und der spannungs- oder stromgesteuerte Oszillator mittels des Ausgangssignals des Phasenvergleichers entsprechend der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal angesteuert wird, wobei die Treiberfrequenz des Wandlers Änderungen der Resonanzfrequenz derart nachführbar ist, daß die Treiberfrequenz stets der Resonanzfrequenz entspricht Es wird also eine Phasenrückkopplungsschleife vorgesehen, die dafür sorgt, daß die Phasendifferenz zwischen der Phase der an den Wandler angelegten Betriebsspannung und der Phase des dem Wandler zufließenden Stromes den optimalen Wert θ (rad) haben kann, wobei die Spannung und der Strom des Wandlers einem Phasenvergleiclier zugeführt werden, ein spannungs- oder stromgesteuerter Oszillator mittels des Ausgangssignals des Phasenvergleichers angesteuert wird und der Wandler seinerseits durch das leistungsverstärkte Signal des Oszillators angesteuert wird.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbe'spielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die Scheinlcitwertcharakteristik des einen Resonanzkreis aufweisenden Wandlers,

F i g. 2 ein Vektordiagramm des Wandlers.

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Treibervorrichtung nach der Erfindung,

Fig.4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Phasenvergleichers,

Fig. 5 den Verlauf der verschiedenen Signale des Phasenvergleichers und

Fig.6 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Treibervorrichtung nach der Erfindung.

Der Ultraschallvibrator 5 wird mittels des Ausgangssignals eines Leistungsverstärkers 4 angesteuert, wobei entsprechend F i g. 3 ein einstellbarer Phasenschieber, ein Phasenvergleicher 1, ein Tiefpaßfilter 2, ein spannungsgesteuerter Oszillator 3 und der Leistungsverstärker 4 vorgesehen sind. Mit dem Ultraschallvibrator 5 ist ferner ein Kondensator Ci von großer Kapazität in Reihe geschaltet. Die an dem Kondensator C\ anliegende Spannung, die mittels des von einem einstellbaren Widerstand VRt und eines Kondensators Q gebildeten Phasenschiebers um θ phasenverschoben ist, wird dem Phasenvergleicher 1 als erstes Eingangssignal Vi zugeführt. Die an dem Ultraschallvibrator 5 anliegende Spannung geht dem Phasenvergleicher 1 als zweites Eingangssignal Vi zu. Die am Kondensator C\ anliegende Spannung wird auf diese Weise als Eingangssignal zugeleitet, um den Ausgang 0 (Null) im

Phasenvergleicher I zu erhalten, wenn die Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal gleich π/2 (rad) wird, weil die am Kondensator Q anliegende Spannung gegenüber dem dem Ultraschallvibrator 5 zufließenden Strom um ungefähr π/2 (rad) phasenverschoben ist, wenn der Kondensator Ci, wie vorstehend ausgeführt, in Reihe mit dem Ultraschallvibrator gelegt wird.

Mit anderen Worten, angenommen, daß die Phasendifferenz zwischen der am Kondensator Q anliegenden m Spannung oder dem ersten Eingangssignal V\ und der am Ultraschallvibrator 5 anliegenden Spannung oder dem zweiten Eingangssignal Vi gleich π/2 +Θ (rad) wird, dann kommt es zu einer Phasendifferenz von θ zwischen der Betriebsspannung des Ultraschallvibrators π 5 und dem dem Vibrator zufließenden Strom. Infolgedessen stimmt die Phase der Treiberfrequenz F mit derjenigen der Resonanzfrequenz überein; der Ultrascha!lvibrator5 wird optimal angesteuert.

Der Phasenvergleicher 1 ist in bekannter Weise aus Transistoren Q\ bis Qe und Lastwiderständen RL\ und RLp entsprechend Fig.4 aufgebaut, wobei das erste Eingangssignal Vi den Basen der Transistoren Qi und Q2 zugeführt wird, während das zweite Eingangssignal V₂ der aus den Transistoren Qi bis Qb bestehenden Schaltstufe zugeht. Der der Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen V\ und Vj proportionale Strom fließt dann zu den Lastwiderständen RL, und RL₂: die Differenzsignalspannung Vd der Lastwiderstände geht als Ausgangssignal des Phasenvergleichers 1 an das Tiefpaßfilter 2. Wie aus Fig. 5 klar zu erkennen ist, ist das Ausgangssignal gleich 0 (Null), wenn die Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen V, und V₂ glei-h .τ/2 (rad) ist. Falls die Phasendifferenz kleiner als .τ/2(rad) ist, ist das Ausgangssignal positiv ( + ); wenn die Phasendifferenz größer als .τ/2 (rad) wird, ist das Ausgangssignal negativ (-).

Wie aus der vorstehenden Erläuterung hervorgeht, ist, wenn der Ausgang gleich 0 (Null) wird, die Phasendifferenz zwischen der Treiberfrequenz F des Ultraschallvibrator 5 und der Resonanzfrequenz Fo zu Θ, was bedeutet, daß der spannungsgesteuerte Oszillator 3 normal weiterarbeitet. Wenn das Ausgangssignal positiv oder negativ wird, hat der Normalbetrieb aufgehört; die Schwingfrequenz wird dann in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal geregelt; das heißt, die Treiberfrequenz F wird so eingeregelt, daß sie der Resonanzfrequenz entspricht. Im Rahmen dieser Regelung wird die Phasengegenkopplung dem Phasenvergleicher 1 zugeführt, um dessen Ausgangssignal auf einen Wert nahe 0 (Null) zu bringen. Der Ultraschallvibrator wird so stets optimal ausgesteuert.

Der vorliegend verwendete spannungsgesteuerte Oszillator 3 ist so ausgelegt, daß seine Schwingfrequenz über die Eingangsspannung oder den Eingangsstrcm geregelt werden kann.

Die gleiche Funktionsweise ist auch bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zu erwarten, bei dem das dem Phasenvergleicher 1 zuzuführende zweire Eingangssignal V2 vom Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 3 abgenommen wird, wie dies in F i g. 6 dargestellt ist, vorausgesetzt, daß der Leistungsverstärker 4 eine ausgezeichnete Phasenfortpflanzungscharakteristik hat Im Falle des Phasenvergleichers 1, dessen Ausgangssignal 0 (Null) wird, wenn die beiden Eingangssignale V₁ und V₂ in Phase miteinander liegen, ist es günstig, als erstes Eingangssignal V\ die Spannung einer Größe zu verwenden, die in Phase mit und proportional zu dem Strom ist, ..=er dem Ultraschallvibrator 5 zufließt. Diese Spannung wird einem Widerstand mit einem geringen Widerstandswert oder einem kleinen Transformator entnommen, d^er an den Ultraschallvibrator 5 angeschlossen ist.

F;i der vorliegend beschriebenen Anordnung wird also die Phasendifferenz zwischen dem ersten Eingangssignal entsprechend der Phase des dem Wandler zufließenden Stromes und dem zweiten Eingangssignal, nämlich der Treiberspannung des Wandlers, von dem Phasenvergleicher abgeleitet; der spannungs- (oder strom-)gesteuerte Oszillator wird dann mit Hilfe des Ausgangssignals des Phasenvergleichers derart geregelt, daß er der Resonanzfrequenz des Wandlers nachgeführt wird. Wenn folglich die Resonanzfrequenz des Wandlers sich in Abhängigkeit von der mechanischen Belastungskapazität und Temptraturschwankungen ändern sollte, kann bewirkt werden, daß die Treiberfrequenz sich der Resonanzfrequenz: folgend ändert, so daß sie an letztere ständig angepaßt bleibt. Die vorliegend erläuterte Treibervorrichtung läßt sich ■n Verbindung mit jedem Hochleistungswandler verwenden, der eine mechanische und/oder elektrische Resonanzspitze hat, das heißt mit jedem Wandler, der mit einem Resonanzkreis von hohem Ö-Wer! ausgestattet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ansteuern eines Wandlers mit einem Resonanzkreis unter Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillator oder eines stromgesteuerten Oszillators, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung abgeleitet wund, die der Phase des dem Wandler zufließenden Stromes entspricht, diese Spannung einem Phasenvergleicher als erstes Eingangssignal zugeführt wird, an den Phasenvergleicher die Treiberspannung des Wandlers als zweites Eingangssignal angelegt wird und der spannungs- und stromgesteuerte Oszillator mittels des Ausgangssignals des Phasen vergleichers '5 entsprechend der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal angesteuert wird, wobei die Treiberfrequenz des Wandlers Änderungen der Resonanzfrequenz derart nachführ bar ist, daß die Treiberfrequenz stets der Resonanzfrequen? entspricht.

2. TVeibervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen strom- oder spannungsgesteuerten Oszillator (3), dem ein Phasenvergleicher (1) vorgeschaltet ist, der mit einem der Phase des Wandlertreiberstromes entsprechenden ersten Eingangssignal und der Treiberspannung als zweitem Eingangssignal beaufschlagt ist.

3. Treibervorrichtung nach Anspruch 2, diidurch gekennzeichnet, daß als Wandler ein Ultraschallvibrator (5) vorgesehen ist.