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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallgenerator zur Er-
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zcuguncj einer Flüssigkeitssuspension in einem Gas mit einem Schwinysystem,
das aus einem die Flüssigkeit zerstäubenden mechanischen Schwinger und einer den
Schwinger mit einem elektrischen Hochfrequenzsignal mit veränderbarer Leistung erregenden
Oszillatorschaltung besteht, und mit einer den Schwinger beim Trockenlaufen vor
einer Selbstbeschädigung bewahrenden Schutzvorrichtung.
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Derartige Ultraschallgeneratoren kommen unter anderem in der Medizintechnik
zur Anwendung, wo sie beispielsweise als Aerosolerzeuger dazu verwendet werden,
die einem künstlich beatmeten Patienten zugeführte Luft in definierter Weise zu
befeuchten, um eine schädigende Austrocknung der Atemwege des Patienten zu verhindern.
Die Menge der pro Zeiteinheit in den suspendierten Zustand übergeführten Flüssigkeit,
d.h. also der Feuchtigkeitsgehalt der dem Patienten zugeführten Atemluft hängt von
der von dem mechanischen Schwinger abgegebenen Ultraschall-Leistung und somit von
der diesem Schwinger in Form eines elektrischen Hochfrequenzsignals zugeführten
elektrischen Leistung ab, wobei als weiterer Parameter die Viskosität der jeweils
zu zerstäubenden Flüssigkeit miteingeht. Da für jeden Patienten der Feuchtigkeitsgehalt
der Atemluft individuell eingestellt wird und die Viskosität der im wesentlichen
aus Wasser bestehenden zu zerstäubenden Flüssigkeit beispielsweise durch die Zugabe
unterschiedlicher Mengen von ätherischen Ölen unterschiedliche Werte annehmen kann,
ist es erforderlich, bei in der Praxis zum Einsatz kommenden Geidten dieser Art
eine Verstellmöglichkeit für die dem mechanischen Schwinger zugeführte elektrische
Hochfrequenzenergie vorzusehen.
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Nach dem Stand der Technik geschieht dies zum Beispiel dadurch, daß
der Arbeitspunkt eines das aktive Bauelement des den mechanischen Schwinger ansteuernden
Verstärkerteils der Oszillatorschaltung bildenden Transistors durch Änderung
des
Basisgleichstroms verändert wird. Beispielsweise wird dieser Basisgleichstrom vom
Emitterstrom eines weiteren Transistors geliefert, dessen Kollektor auf konstantem
Potential liegt, und dessen Basispotential im normalen Betriebszustand mit Hilfe
eines durch ein von Hand verstellbares Potentiometer veränderbaren Spannuncjstellers
auf verschiedene Wert eingesteZ1t werden kann.
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Diese hekannte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, daß der
Arbeitspunkt des Verstärkertransistors und damit die dem mechanischen Schwinger
zugeführte Hochfrequenzleistung bzw. die von dem Schwinger abgegebene Ultraschalleistung
nicht nur von der Stellung des Potentiometers sondern auch von einer Reihe von Störgrößen,
wie zum Beispiel der Betriebstemperatur der Vorrichtung abhängt, so daß eine eindeutige
und stabile Einstellung der pro Zeiteinheit in den Suspensionszustand übergeführten
Flüssigkeitsmenge nicht möglich ist.
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Weiterhin ergibt sich beim Betrieb von derartigen Aerosolerzeugern
ein Problem daraus, daß der im allgemeinen aus einem Barium-Titanat-Kristall bestehende
mechanische Schwinger, der mit einer seiner Flächen einen Teil der Wand des die
zu zerstäubende Flüssigkeit enthaltenen Gefäßes bildet, durch diese Flüssigkeit
gekühlt und sehr starklsdämpft wird. Dies hat zur Folge, daß im sogenannten Naßbetrieb
zur Erzeugung einer bestimmten Schwingungsamplitude eine wesentliche höhere Hochfrequenzleistung
zugeführt werden muß, als dies ohne diese Flüssigkeitsbedämpfung, d.h. also im Trockenbetrieb
erforderlich wäre. Läuft nun der mechanische Schwinger nach einer bestimmten Berjiebsdauer
deswegen trocken, weil die ihn bedeckende Flüssigkeitsmenge vollständig zerstäubt
worden ist, so fällt die zuvor durch diese Flüssigkeit ausgeübte Bedämpfung weg,
was ohne weitere Maßnahmen zu einer Zerstörung des dann mit einer weit größeren
Amplitude
arbeitenden Schwingers führen würde.
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Damit das Bedienungspersonal einen solchen Aerosolerzeuger nicht ständig
überwachen muß, um den Schwinger vor einer Selbstbeschädigung bzw. Selbstzerstörung
zu bewahren, ist es bereits bekannt, eine Schutzvorrichtung vorzusehen, die eine
solche Beschädigung oder Zerstörung des Schwinger bei Trockenlauf verhindern soll.
Nach dem Stand der Technik umfaßt eine solche Schutzvorrichtung einen in dem die
zu zerstäubende Flüssigkeit während des Zerstäubungsvorganges enthaltenden Behälter
angeordneten Schwimmer, der dann, wenn der Behälter leerläuft, auf dessen Boden
absinkt und dadurch einen elektrischen Schalter schließt, durch den die Basis des
oben erwähnten zweiten Transistors auf ein diesen Transistor sperrendes Potential
gelegt wird. Dadurch erhält der Transistor des den mechanischen Schwinger ansteuernden
Verstärkerteils der Oszillatorschaltung- keinen Basisstrom mehr und die Zufuhr von
Hochfrequenzenergie an den mechanischen Schwinger wird unterbrochen.
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In der Praxis hat sich gezeigt, daß diese im Prinzip sehr einfache
Anordnung nur eine geringe Zuverlässigkeit aufweist, so daß der z-um Schließen des
Abschalt-Schalters dienende Schwimmer sehr häufig nicht verwendet und stattdessen
eine Bedienungsperson mit der ständigen Überwachung des Aerosolerzeugers beauftragt
wird.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallgenerator
der eingangs beschriebenen Art mit einem möglichst geringen technischen Aufwand
so weiterzubilden, daß ein zuverlässiger automatischer Schutz des Schwingers gegen
Selbstzerstörung bei Trockenlauf gewährleistet wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Ertindung vor, daß eine das Tlochfrequenzsitjnal
im Naßbetrieb auf die jeweils
eingestellte Leistung stabilisierende
Schaltungsanordnung vorgesehen ist und daß die Schutzvorrichtung für den Schwinger
eine die durch den Übergang zwischen Naß-und Trockenbetrieb bedingten Änderungen
wenigstens eines elektrischen Parameters im Schwingsystem erkennende Detektorschaltung
umfaßt.
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Diesererfindungsgemäßen Anordnung liegt die Überlegung zugrunde, daß
durch die Stabilisierung der im Naßbetrieb an den meclnischen Schwinger angelegten
Hochfrequenzleistung auch andere, im Schwingsystem auftretende elektrische Größen,
wie z.B. ochfrequenzströme und Hochfrequenzspannungen, die Gleichstromaufnahme der
Oszillatorschaltung usw. stabilisiert werden und daß es durch die hierdurch erfolgende
Beseitigung der bei den dem Stand der Technik entsprechenden Geräten während des
Naßbetriebs auftretenden Drift- und Störeffekte möglich wird, die mit dem Trockenlaufen
des Schwingers verbundenen Änderungen einer oder mehrerer dieser elektrischen Größen
mit sehr großer Zuverlässigkeit zu erkennen und hieraus in eindeutiger Weise Signale
zu gewinnen, mit deren Hilfe rechtzeitig weitere zum Schutz des Schwingers vor der
im Trockenbetrieb bestehenden Gefahr einer Selbstzerstörung dienende Maßnahmen automatisch
eingeleitet bzw.
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durchgeführt werden können.
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Dabei ergibt sich gl.eichzeitig der weitere Vorteil, daß durch die
das Hochfrequenzsignal im Naßbetrieb auf die jeweils eingestellte Leistung stabilisierende
Schaltungsanordnung auch über längere Betriebszeiten hinweg eine sehr gute Konstanz
der abgegebenen Ultraschalleistung und damit der pro Zeiteinheit vernebelten bzw.
zerstäubten Flüssigkeitsmenge, d.h. also des Feuchtigkeitsgehaltes der dem Patienten
zugeführten Atemluft gewährleistet wird.
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Es sei daran erinnert, daß grundsätzlich zwei Arten von Oszillatorschaltungen
bei den in Rede stehenden Ultraschallgeneratoren anwendbar sind, nämlich sowohl
selbsterregte als auch fremdgesteuerte Oszillatoren.
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Im ersten Fall bildet der die Ultraschalleistung abgebende Schwinger
gleichzeitig das- frequenzbestimmende Element, d.h. er ist mit einem die Dämpfungsverluste
ausgleichenden Verstärker, der gleichzeitig praktisch die gesamte Oszillatorschaltung
bildet, zu einem rückgekoppelten, selbstschwingenden Kreis zusammengeschaltet. Im
zweiten Fall fehlt die Rückkopplung zwischen dem mechanischen Schwinger und dem
ihn ansteuernden Verstärker, der stattdessen hochfrequenzmäßig von einem ein eigenes
frequenzbestimmendes Bauelement, beispielsweise einen Schwingquarz umfassenden Schwingkreis
angesteuert wird.
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Beiden Arten von Oszillatorschaltungen ist jedoch gemeinsam, daß sie
einen den die Ultraschalleistung abgebenden Schwinger ansteuernden Verstärkerteil
aufweisen, der durch seinen Betriebszustand die an den Schwinger abgegebene Hochfrequenzleistung
definiert. Der Gedanke, gerade diese Leistung zu stabilisieren und zur Erkennung
des Übergangs zwischen Naß- und Trockenbetrieb geeignete, sich entsprechend ändernde
elektrische Größen innerhalb der Oszillatorschaltung und insbesondere innerhalb
ihres Verstärkerteils zu überwachen und auszuwerten, ist daher in beiden Fällen
gleichermaßen anwendbar. In diesem Sinn ist es zu verstehen, wenn im folgenden nur
allgemein von der Oszillatorschaltung bzw. dem den mechanischen Schwinger unmittelbar
ansteuernden Verstärkerteil der Oszillatorschaltung gesprochen wird, ohne auf einen
speziellen Schaltungsaufbau im einzelnen einzugehen.
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Die dem mechanischen Schwinger zugeführte Hochfrequenzleistung kann
auf verschiedene Weise variiert und daher auch durch die Beeinflussung ganz verschiedener
elektrischer Parameter
stabilisiert werden. So ist es zum Beispiel
möglich, an den mechanischen Schwinger ein impulsförmig moduliertes Hochfrequenzsignal
anzulegen, d.h. ein beispielsweise sinusförmiges Signal, dessen Amplitude mit vorgegebener
Folgefrequenz zwischen einem festen Maximalwert und dem Wert Null wechselt, wobei
die Folgefrequenz hiedriger als die Hochfrequenz des Sinussignals ist. In diesem
Fall kann die an den Schwinger angelegte Hochfrequenzleistunq dadurch verändert
werden, daß man das Tastverhältnis der Modulationsimpulse variiert. Erfindungsgemäß
ist für einen solchen Fall bevorzugt vorgesehen, daß die zur Stabilisierung der
eingestellten Leistung dienende Schaltungsanordnung einen über ein Stellglied das
Impuls-Pausen-Verhältnis der Oszillatorschaltung im Naßbetrieb beeinflussenden Regler
umfaßt.
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Eine andere Möglichkeit zur Variation der an dem mechanischen Schwinger
abgegebenen Hochfrequenzleistung besteht darin, daß an ihm zwar ununterbrochen ein
Hochfrequenzsignal anliegt, dessen Amplitude jedoch veränderbar ist.
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Für diesen wegen seiner Einfachheit besonders bevorzugten Fall sieht
die Erfindung vor, daß die zur Stabilisierung der eingestellten Leistung dienende
Schaltungsanordnung einen über ein Stellglied die Amplitude des an den mechanischen
Schwinger angelegten elektrischen Hochfrequenzsignals im Naßbetrieb beeinflussenden
Regler umfaßt.
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Den beiden eben genannten Alternativen ist der Gedanke gemeinsam,
zur Stabilisierung der an den mechanischen Schwinger abgegebenen Hochfrequenzleistung
und damit der zur Aerosolerzeugung zur Verfügung stehenden Ultraschallleistung einen
Regelkreis zu verwenden, der unabhängig von der Art der auftretenden Störgrößen
die erforderliche Konstanz der Regelgröße, hier also der abgegebenen Leistung sicherstellt.
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In beiden Fällen ist es zweckmäßig, dem Regler als Ist-Wert die am
Schwinger anliegende Hochfrequenzspannung iiber eine erste Gleichrichterschaltung
und als Sollwert eine von Hand einstellbare stabilisierte Gleichspannung zuzuführen.
Somit kann der Regler den erforderlichen Sollwert-Istwert-Vergleich auf einfache
Weise dadurch durchführen, daß er zwei Gleichspannungen zueinander in Beziehung
setzt, von denen die eine zur Einstellung des im jeweiligen Anwendungsfall gewünschten
Leistungspegels von Hand veränderbar ist und von denen die andere durch eine mit
geringem schaltungstechnischen Aufwand realisierbare Gleichrichteranordnung aus
einem mit der Regelgröße in einem eindeutigen Zusammenhang stehenden elektrischen
Parameter, nämlich der Amplitude der am Schwinger abfallenden Hochfrequenzspannung
abgeleitet wird. Auch läßt sich durch diese unmittelbare Verknüpfung von Regelgröße
und \ii Ist-Wert-Gewinnung verwendetem Signal eine besonders gute Regelgenauigkeit
erzielen.
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Die zur Änderung der Hochfrequenzleistung erforderliche Amplitudenänderung
der von der Oszillatorschaltung an den Schwinger angelegten Hochfrequenzschwingung
läßt sich besonders einfach durch die Anderung der Versorgungsgleichspannung der
Oszillatorschaltung bzw. des Verstärkerteils erzielen. Daher ist vorzugsweise als
Stellglied eine die Versorungsspannung des den Schwinger ansteuernden Verstärkerteils
der Oszillatorschaltung verändernde Schaltungsanordnung vorgesehen.
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Für all die Fälle, in denen zumindest der Verstärkerteil der Oszillatorschaltung
mit einer höheren Gleichspannung versorgt wird,als die übrige Elektronik, ist vorteilhafterweise
vorgesehen, daß die die Versorgungsspannung des Verstärkerteils der Oszillatorschaltung
verändernde Schaltungsanordnung zwischen den Verstärkerteil und den
negativen
Versorgungsspannungsanscllluß geschaltet ist. nadurch kann nämlich diese Schaltungsanordnunq
auf demselben Versorgunqsspannungsniveau betrieben werden, wie die frigen Schaltungsteile,und
es wird der schaltungstechnische Aufwand vermieden, der erforderlich wäre, um mit
dem von dem an der niedrigen Versorgungsspannung liegenden Naßbetriebsregler abgegebenen
Signal ein unmittelbar an die hohe Maximalversorgungsspannung des Verstärkerteils
der Oszillatorschaltung angebundenes Stellglied zu betätigen.
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Daraus ergibt sich in Verbindung damit, daß der Verstärkerteil der
Oszillatorschaltung als aktives Bauelement einen Transistor umfaßt, an dessen Kollektor-Emitter-Strecke
die Versorgungsspannung anliegt und dessen Basis über einen VJiderstand mit dem
positiven Pol der Versorgungsspannung verbunden ist, der weitere Vorteil, daß eine
automatische Anpassung des für diesen Transistor erforderlichen Basisstroms erreicht
wird. Dieser Basisstrom muß groß sein, wenn am Verstärkerteil eine große Versorgungsspannung
anliegt und der Transistor mit voller Leistung arbeitet, und kann kleiner werden,
wenn zur Verringerung der abgegebenen Hochfrequenz leistung die am Verstärkerteil
wirksame Versorgungsspannung dadurch verringert wird, daß durch das Stellglied das
Emitterpotential des Transistors erhöht wird, was wegen des konstant bleibenden
Kollektor-Potentials nicht nur eine Verringerung der Kollektor-Emitter-Spannung
sondern auch eine Verkleinerung der die Größe des Basisstroms definierend( Basis-Emitter-Spannung
zur Folge hat.
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Vorzugsweise besteht die die Versorgungsspannung der Oszillatorschaltung
verändernde Schaltungsanordnung aus zwei in Art einer Darlington-Schaltung miteinander
verbundenen Transistoren, von denen der eine mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke
in der von ds Oszillatorschaltuna zum negativen Pol der Versorgungsspannung führenden
Leitung
liegt. Somit läßt sich dadurch, daß mall diesen Transistor
mehr in den leitenden oder mehr in den gesperrten Zustand treibt, der an ihm abfallende
Teil cler Versorgungsspannung und damit auch der für die Oszillatorschaltung bzw.
ihren Verstärkerteil verbleibende Rest innerhalb eines weiten Bereiches variieren.
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Wie bereits erwähnt, besteht eine wesentliche Idee der Erfindung darin,
das Trockenlaufen des mechanischen Schwingers nicht wie beim Stand der Technik durch
eine Überwachung des Flüssigkeitsstandes in dem betreffenden Behälter sondern dadurch
zu erkennen, daß mit dem übergang zwischen Naß- und Trockenbetrieb auftretende Änderungen
geeigneter elektrischer Größen im Schwingsystem, d.h. entweder am Schwinger selbst
oder in der ihn ansteuernden Oszillatorschaltung durch eine Detektoreinrichtung
erfaßt und in der richtigen Weise ausgewertet werden.
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Hinsichtlich der Auswahl und der Art und Weise der Überwachung dieser
elektrischen Größen bestehen verschiedene Möglichkeiten. Im einfachsten Fall kann
z.B. nur ein einziger elektrischer Parameter untersucht werden, wobei es sich entweder
um einen Gleichstrom- oder Gleichspannungswert oder um ein Hochfrequenzslgnal handeln
kann. Im letzteren Fall besteht die Alternative, entweder die Amplitude oder aber
die Phasenlage des Signals auf in Verhindung mit dem Trockenlaufen des Schwingers
auftretende Änderungen hin zu untersuchen.
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Trotz des geringfügig größeren schlaltungstechnischen Aufwandes wird
es erfindungsgemäß zur Gewinnung absolut einheutiger und zuverlässiger Kriterien
bevorzuyt, daß die Detektorschaltung zur Erkennung der relativen Änderungen von
zwei verschiedenen, am Schwingsystem abgegriffenen
Hochfrequenzsignalen
ausgebildet ist. Hierfür sind beispielsweise die am Schwinger anliegende HoctlErequenzspannung
und der in den Schwinger fließende Hochfrequenzstrom oder alternativ eine in der
Oszillatorschaltung abfallende Hochfrequenzspannung und ein in der Oszillatorschaltung
fließender Hochfrequenzstrom geeignet. Bevorzugt wird jedoch eine Mischform in der
Weise verwendet, daß der Detektorschaltung ein die am Schwinger abfallende Hochfrequenzspannung
und ein einen im Verstärkerteil der Oszillatorschaltung fließenden Hochfrequenzstrom
wiedergebendes Signal zugeführt sind, wobei es sich in der Praxis als besonders
günstig erwiesen hat, wenn das eine der der Detektorschaltung zugeführten Signale
den in den Transistor des Verstärkerteils der Oszillatorschaltung fließenden llochfrequenz-Emitter-Strom
wiedergibt.
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Da es sich in all diesen Fällen um den Vergleich von zwei Hochfrequenzsignalen
handelt, besteht auch hier die Alternative, entweder Verschiebungen der relativen
Phasenlage oder relative Amplitudenänderungen dieser beiden Signale als Kennzeichen
für das Trockenlaufen des mechanischen Schwingers auszuwerten. Der Amplitudenvergleich
wird besonders einfach, wenn die Detektorschaltung -aus einem Gleichspannungskomperator
besteht, dem die beiden ausgewählten Hochfrequenzsignale jeweils über eine Gleichrichterschaltung
zugeführt sind.
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Der Naßbetrieb-Regler erhält, wie bereits ausführlich dargestellt,
seine Ist-Wert-Information dadurch, daß ihm die am Schwinger anliegende Hochfrequenzspannung
über einen Gleichrichter zugeführt wird. Ein besonders einfacher SchalLungsaufbau
ergibt sich somit dadurch, daß diese Gleichrichterschal. tuny mit der dem Gleichsnannungskomparator
der Detektorschaltung vorgeschalteten Gleichrichterschaltung identisch ist.
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Somit erhält also bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die Detektorschaltung zwei Gleichspannungssignale zugeführt, von denen
das eine die Amplitude der am mechanischen Schwinger abfallenden lIochfrequenzspannung
und das andere die Amplitude des in den Emitter des den Schwinger ansteuernden Transistors
des Verstärkerteils der Oszillatorschaltung fließenden Stroms darstellt. Das Verhältnis
dieser beiden Gleichspannungen stellt ein ausgezeichnetes Kriterium dafür dar, ob
der Schwinger durch eine ausreichende Flüssigkeitsmenge bedämpft wird oder im trockenen
Zustand schwingt. Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß dieses Kriterium eine
eindeutige Aussage unabhängig von der Hochfrequenzleistung liefert, mit der der
Schwinger angesteuert wird. Es ist also möglich, durch eine entsprechende Sollwert-Vorgabe
für den Naßbetrieb-Regler die an den mechanischen Schwinger angelegte Hochfrequnezleistung
und damit auch die von ihm abgegebene Ultraschall-Leistung innerhalb weiter Grenzen
zu variieren, ohne daß dadurch der Aussagewert des am Ausgang des Gleichspannungskomparators
der Detektorschaltung erscheinenden Signals beeinträchtigt würde. Durch einfache
schaltungstechnische Maßnahmen läßt sich nun der Gleichspannungskomparator so ausbilden,
daß das an seinem Ausgang erscheinende Signal unabhängig von der an den Schwinger
abgegebenen ochfrequenzleistung in digitaler Weise von einem ersten auf einen zweiten
Wert umspringt, wenn die den Eingängen des Gleichspannungskomparators zugeführten
Signale durch ihre relative Änderung den Übergang vom Naßbetrieb zum Trockenbetrieb
anzeigen und umgekehrt. Durch dieses Umspringen des Ausgangssignals des somit gleichzeiLig
auch als Steuerstufe ausgebildeten Komparators können dann weitere Maßnahmen ausgelöst
werden, die dazu dienen, den Schwinger vor einer Selbstzerstörung im Trokkenbetrieb
zu bewahren. Alternativ hierzu können Komparator und Steuerstufe auch voneinander
getrennt aufgebaut werden.
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Es wurde bereits dargelegt, daß wegen der durch die zu vernebelnde
Flüssigkeit ausgeübten Bedämpfung des Schwingers diesem während des Naßbetriebs
im allgemeinen eine Hochfrequenzleistung zugeführt werden muß, die ihn bei Wegfall
der Bedämpfung zu übermäßigen, zu einerBeschädigung bzw. Zerstörung des Schwingers
führenden Schwingungsamplituden anregen würde. Da die Höhe dieser Hochfrequenzleistung
durch die Sollwert-Vorgabe für den Naßbetrieb-Regler vorgegeben ist und dieser Regler
versucht, ihren Wert konstant zu halten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen
den Naßbetrieb-Regler und das Stellglied ein durch die Steuerstufe gesteuerter,
beim Auftreten des ersten Wertes geschlossener und beim Auftreten des zweiten Wertes
geöffneter Schalter geschaltet ist, wobei nach dem öffnen dieses Schalters dafür
gesorgt wird, daß das Stellglied so angesteuert wird, daß es die an den Schwinger
angelegte Hochfrequenzleistung in eiiier die Zerstörungsgefahr beseitigenden Weise
ändert.
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Diese Ansteuerung des Stellgliedes kann auf verschiedene Weise erfolgen.
So ist es möglich, die Zufuhr von Hochfrequenzleistung zum Schwinger völlig zu unterbrechen,
indem man beispielsweise die Versorgungsspannung der Oszillatorschaltung soweit
verringert, daß diese aufhört zu schwingen. Dies hat allerdings auch zur Folge,
daß das Kriterium wegfällt, mit dessen Hilfe das Trockenlaufen des Schwingers erkannt
wurde. Um hier nicht zu einem instabiler; Hin- und Herschalten zwischen einem eine
hohe Hochfrequenzleistung abgebenen Schwingzustand und einem nichtschwingenden Zustand
zu kommen, muß dafür gesorgt werden, daß das Stellglied nachdem der Verbindungsschalter
zum Naßbetrieb-Regler geöffnet worden ist, mit Sicherheit in dem die llochfrequenz-Leistungszufuhr
zum Schwinger unterbindenden Zustand gehalten wird.
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Dies hätte aber zur Folge, daß erstens der Aerosolerzeuger nicht einfach
dadurch wieder in den normalen Betriebszustand zurückgeführt werden kann, daß man
dem Schwinger durch Nachgießen neue Flüssigkeit zuführt, und daß zweitens die Gefahr
besteht, daß sich das Gerät aufgrund irgendeiner kurzfristig auftretenden Störspannung
selbsttätig abschaltet und in diesem abgeschalteten Zustand verbleibt, obwohl der
Schwinger nicht trockengelaufen ist.
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Zur Vermeidung solcher Zuverlässigkeitsrisiken ist daher bei einer
besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallgenerators
ein zweiter Regler vorgesehen, dessen Ausgang über einen ebenfalls von der Steuerstufe
gesteuerten, beim Auftreten des ersten Wertes geöffneten und beim Auftreten des
zweiten Wertes geschlossenen Schalter mit dem Stellglied verbunden ist und der das
Stellglied so ansteuert, daß die Amplitude des an den mechanischen Schwinger angelegten
Hochfrequenzsignals auf einem niedrigen, eine Beschädigung des Schwingers ausschließenden
Wert gehalten wird.
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Die grundlegende Idee dieser Variante ist es, den mechanischen Schwinger
bei einem durch die Detektorschaltung erkannten Trockenlaufen nicht einfach stillzulegen,
sondern auf einem Leistungsniveau weiterschwingen zu lassen, das der verringerten
Bedämpfung so angepaßt ist, daß es zu keiner Beschädigung oder Zerstörung des Schwingers
kommen kann. Dies bietet den Vorteil, daß auch nach dem Umschalten in den Trockenbetrieb
der Detektorschaltung immer noch die richtige Information darüber zur Verfügung
steht, ob der Schwinger bedämpft ist oder nicht. Aufgrund dieser weiterhin vorhandenen
Information ist es nicht erforderlich, die Umschaltung in der oben erwähnten Weise
selbstblockierend vorzunehmen, so daß es genügt, in dem Aerosolerzeuger einfach
wieder Flüssigkeit nachzufüllen, um von der reduzierten
wieder
zur vollen Schwingleistung zurückzukehren. Außerc1em kann die Schaltung dann, wenn
sie aufgrund eines Störsignals "versehentlich" vom Naß- auf den Trockenbetrieb umgeschaltet
hat, selbsttätig und ohne irgendwelche Risiken wieder zur vollen Leistungsabgabe
zurückkehren, sobald das Störsignal wegfällt.
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Bevorzugt ist dem zweiten Regler als Ist-Wert die an dem mit dem Stellglied
verbundenen Versorgunqsspannungseinganq des Verstärkerteils der Oszillatorschaltung
vorhandene Gleichspannung und als Soll-Wert ein einstellbarer Teilbetrag der an
dem anderen Versorgungsspannungseingang des Verstärkerteils vorhandenen Gleichspannung
zugeführt. Durch diese schaltungsmäßig sehr einfachen Maßnahmen wird praktisch die
Versorgungsgleichspannung des Verstärkerteils der Oszillatorschaltung als Regelgröße
verwendet und durch den Regler auf einem vorbestimmten niedrigen Wert gehalten.
Da die Höhe der vom Verstärkerteil an den Schwinger abgegebenen Hochfrequenzleistung
mit dieser Versorgungsspannung in einem eindeutigen Zusammenhang steht, führt dies
zu dem gewünschten Ergebnis, zumal im Trockenbetrieb eine weit geringere Regelgenauigkeit
als im Naßbetrieb erforderlich ist.
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Um zu vermeiden, daß es in dem kurzen Zeitraum, während dessen die
Detektorschaltung vom Naß- auf den Trockenbetrieb oder vom Trocken- auf den Naßbetrieb
umschaltet, zu undefinierten, eine Schwingneigung der gesamten Schaltung heraufbeschwörenden
Verhältnissen kommt, ist vorzugsweise eine das Stellglied während des Umschaltvorganges
mit einem definierten Eingangssignal versorgende Schaltungsanordnung vorgesehen.
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Bei den hier in Rede stehenden Ultraschallgeneratoren besteht die
Möglichkeit, daß es aufgrund irgendeines Defektes zu einem Aussetzen der Oszillatorschwingungen
kommt. Würde
ein solcher Fehler während des Naßbetriebes auftreten,
so würde der betreffende Regler zunächst einfach feststellen, daß der Ist-Wert der
Amplitude der am mechanischen Schwinger anliegenden Hochfrequenzspannung nicht dem
vorgegebenen Soll-Wert entspricht und würde versuchen, die Versorgungsgleichspannung
des Verstärkerteils der Oszillatorschaltung zu erhöhen, um hier wieder zu einem
Ausgleich zu gelangen. Da aber die Oszillatorschaltung nicht mehr schwingt, würden
diese Regelversuche ohne Erfolg bleiben und es könnte zu einer Beschädigung bzw.
Zerstörung der Transistoren des Stellgliedes und/oder des den Verstärkerteil versorgenden
Netzgerätes kommen.
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Um dies zu vermeiden, werden bei einer bevorzugten Ausführungsform
die beiden dem Gleichspannungskomparator vorgeschalteten Gleichrichterschaltungen
mit solchen unterschiedlichen Vorspannungen betrieben, daß bei einem Wegfall der
Hochfrequenzsignale der Gleichspannungskomparator Eingangssignale erhält, die einem
Trockenbetrieb entsprechen. Setzt also aus irgendeinem Grund die Ansteuerung des
Schwingers aus, so fällt sowohl die an ihm anliegende Hochfrequenzspannung als auch
der in den Emitter des Verstärkertransistors fließende Hochfrequenzstrom weg.
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Dadurch geben die beiden zugehörigen Gleichrichterschaltungen aufgrund
der speziell gewählten Vorspannungen Signale ab, die der Detektorschaltung ein Trockenlaufen
des Schwingers simulieren. Dadurch schaltet die Detektorschaltung vom Naßbetriebregler
auf den Trockenbetriebregler um,und da letzterer seinen Ist-Wert nicht von einem
Hochfrequenzsignal,sondern von dem zwischen Stellglied und Verstärkerteil herrschenden
Gleichspannungspotential ableitet,ist die oben erwähnte Beschädigungs- bzw. Zerstörungsgefahr
gebannt.
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Besonders vorteilhaft läßt sich die erfindungsgemäße Schaltung in
Verbindung mit Kristallschwingern verwenden, da bei
diesen die
(;efa1ir einer durch Trockenlaufen bedingten Selbstzerstörlin<j }rfXs)nders {3ruß
ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein schematisches
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallgenerators, Fig. 2 ein detai.llierteXs
Schaltbild einer nach dem Diagramm in Fig. 1 aufgebauten Ausführungsform, Fig. 3
eine die EingangskennLinien des Gleichspannungskomparators der Detektorschaltung
wiedergebende graphische Darstellung und Fig. 4 ein mit Dimensionierungsangaben
für die verwendeten Bauteile versehenes Schaltbild eines besonders bevorzugten Hochfrequenzteils
des erfindungsgemäßen Ultraschallgenerators.
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Gemäß Fig. 1 umfaßt ein erfindungsgemäßer Ultraschallgenerator ein
Schwingsystem 10, das im vorliegenden Fall aus einem als Kristallschwinger dargestellten
mechanischen Schwinger 11 und einer Oszillatorschaltung 12 besteht, die mit dem
mechanischen Schwinger zu einem selbstschwingenden Serienresonanzkreis zusammengeschaltet
ist. Die Gleichstromversorgung der Oszillatorschaltung 12 erfolgt über die Leitungen
14 und 15, wobei die Leitung 14 unmittelbar an eine beispielsweise positive Versorgungsspannung
V1 angeschlosse. ist, während die Leitung 15 über ein Stellglied 17 mit der Systemmasse
verbunden ist. Die Drossel 16 ist hier nur in symbolischer Weise eingezeichnet,
um anzudeuten, daß Maßnahmen ergriffen werden, damit auf der Leitung 15 im Bereich
der Oszillatorschaltung 12 fließende Hochfrequenzströme nicht zum Stellglied 17
und der zwischen der Drossel 16 und dem Stellglied 17 abgezweigten Leitung 18 gelangen.
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Die von der Oszillatorschaltung 12 an den mechanischen Schwinger 11
angelegte Hochfrequenzspannung wird durch einen Gleichrichter
20
gleichgerichtet und einer Detektorschaltung 23 zugeführt, die außerdem vom Gleichrichter
21 ein die Amplitude des in die Oszillatorschaltung 12 fließenden hochfrequenten
Verstärkerstransdarstellendes Signal erhält. Die Detektorschaltung 23 umfaßt einen
in Fig. 1 nicht dargestellten Komparator, der die von den Gleichrichtern 20 und
21 abgegebenen Signale miteinander vergleicht und dann, wenn sich deren relative
Größe ändert, über eine in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellte Steuerstufe ein sich
sprungartig änderndes Signal abgibt, mit dessen Hilfe die beiden Schalter 30 und
31 betätigt werden können. Weiterhin ist das Ausgangssignal des Gleichrichters 20
dem Ist-Wert-Eingang eines Reglers 25 zugeführt, der an seinem anderen Eingang eine
durch eine symbolisch als Potentiometer 28 dargestellte Schaltungsanordnung stabilisierte
und von Hand verstellbare Gleichspannung als Soll-Wert erhält.
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Wie in Fig. 1 durch den Doppelpfeil A dargestellt, lassen sich die
Schalter 30 und 31, die selbstverständlich auch als elektronische Schalter ausgebildet
sein können, aus der dargestellten Stellung in eine Lage bringen, in der der Schalter
31 geöffnet und der Schalter 30 geschlossen ist.
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In diesem Zustand ist dann der Ausgang des Reglers 25 mit dem Eingang
des Stellgliedes 17 verbunden, das von ihm so gesteuert wird, daß es durch eine
entsprechende Änderung der am Verstärkerteil der Oszillatorschaltung 12 abfallenden
Versorcrungsspannung eventuell auftretenden Änderungen der von diesem Verstcirkertei.l
an den mechanischen Schwinger 11 abgegebenen flochfrequenzleistung gerade entgegenwirkt.
Das Schwingsystem 10, der Regler 25 und das Stellglied 17 bilden also einen durch
den Schalter 30 schließ- bzw. auf trennbaren ersten Regelkreis, mit dessen Hilfe
im sogenannten Naßbetrieb, d.h. dann, wenn der mechanische Schwinger 11 von einer
ausreichenden Flüssigkeitsmenge bedeckt und dadurch entsprechend stark bedämpft
ist, die an den Schwinger 11 abgegebene Hochfrequenz
leistung
und damit auch die für die Erzeugung eines Flüssigkeitsnebels zur Verfügung stehende
Ultraschall-Leistung auf dem durch die von Hand verstellbare Schaltungsanordnung
28 vorgegebenen Wert gehalten wird.
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Daneben ist ein zweiter Regelkreis vorgesehen, der die Schwinganordnung
10, den Regler 26 und das Stellglied 17 umfaßt und durch den Schalter 31 geschlossen
bzw. geöffnet werden kann. Dieser zweite Regelkreis dient dazu, im sogenannten Trockenbetrieb,
d.h. dann, wenn der mechanische Schwinger 11 nicht mehr durch eine zu zerstäubende
Flüssigkeit in seiner Schwingungsamplitude bedämpft wird, die dem Schwinger zugeführte
Hochfrequenzleistung auf einem ungefährlichen, eine Selbstbeschädigung mit Sicherheit
ausschließenden niedriqeren Wert zu halten. Zu diesem Zweck wird dem Regler 26 ats
Ist-Wertngdas zwischen dem Stellglied 17 und dem zugehörigen Versorgungsspannungseingang
der Oszil-19 latorschaltung 12 vorhandene Gleichspannungspotet als Soll-Wert ein
durch eine symbolisch als Potentiometer dargestellte Schaltungsanordnung 29 einstellbarer
Bruchteil der Versorgungsspannung V1 zugeführt. Dieser Bruchteil ist so gewählt,
daß der ihm entsprechende Gleichspannungsabfall an der Oszillatorschaltung 12 und
die hiermit gekoppelte an den Schwinger 11 angelegte Hochfrequenzleistung genügend
klein sind, um den Schwinger auch bei einem längerfristigen Trockenbetrieb keiner
Beschädigungsgefahr auszusetzen.
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Arbeitet die gesamte Anordnung im Naßbetrieb, ist also der Schwinger
11 in seiner Schwingungsamplitude durch eine ausreichende Flüssigkeitsmenge bedämpft,
so erkennt dies die Detektor schaltung 23 anhand der ihr über die Gleichrichter
20 und 21 zugeführten Signale, aufgrund derer sie den Schalter 30 geschlossen hält,
so daß der Regler 25 mit dem Stellglied 17 verbunden ist. Läuft nun der mechanische
Schwinger
11 trocken, so ändert sich zunächst die an ihm anliegende
Hochfrequenzspannung und damit auch das vom Gleichrichter 20 abgegebene Signal noch
nicht, da ja der Regler 25 für eine Konstanz dieser Werte sorgt. Aufgrund der beim
Trockenlaufen wegfallenden Bedämpfung sinkt jedoch der in die Leitung 15 der Oszillatorschaltung
12 fließende Hochfrequenzstrom stark ab, so daß das vom Gleichrichter 21 abgegebene
Gieichspannungssignai seinen Wert im Vergleich zu dem vom Gleichrichter 20 abgegebenen
Signal sehr stark ändert. Diese Änderung wird von der Detektorschaltung 23 erkannt,
die daraufhin den Wert bzw. die Amplitude ihres Ausgangssignals sprunghaft ändert,
wodurch der Schalter 30 geöffnet und der Schalter 31 geschlossen wird. Gleichzeitig
wirl eine mit dem Ausgang der Detektorschaltung 23 verbundene Anzeigevorrichtung
35 aktiviert, die beispielsweise durch ein optisches oder akustisches Signal einer
Bedienungsperson einen Hinweis darauf liefert, daß der Aerosolerzeuger keine Flüssigkeit
mehr enthält.
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Durch das Schließen des Schalters 31 tritt der oben beschriebene zweite
Regelkreis in Aktion und schützt den mechanischen Schwinyer 11 vor einer Beschädigung.
Mit dem Eingang des Stellgliedes 17 ist auch noch die Schaltungsanordnung 33 verbunden,
die dazu dient, während des Umschaltens der Schalter 30 und 31 am Eingang des Stellgliedes
eine definierte Spannung und damit insgesamt einen definierten Zustand des Gesamtsystems
aufrechtzuerhalten.
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Die Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallgenerators,
deren detailliertes Schaltbild in Fig. 2 wiedergegeben ist, besitzt denselben prinzipiellen
Aufbau, wie er im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Die entsprechenden
Schaltungseinheiten sind jeweils durch gestrichelte Linien zusammengefaßt und mit
denselben Bezugszeichen versehen, wie sie auch in Fig. 1 verwendet wurden.
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So besteht auch hier die Schwinganordnung 10 aus einem Kristall-Schwinger
11, und einer ihn ansteuernden Oszillatorschaltung 1 2.
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Die Oszillatorschaltung umfaßt als aktives Verstärker-Bauelement einen
Transistor 40, der mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke an der Gleich-Versorgungsspannun
liegt und der mit seinem Kollektor über den Kondensator 41 und mit seiner Basis
direkt mit dem mechanischen Schwinger 11 und einem hierzu parallel geschalteten
Widerstand 42 verbunden ist. Diese Anordnung bildet eine selbstschwingende Oszillatorschaltung
in Serienresonanz, wobei der Gleichspannungs-Abschluß des Emitters des Transistors
40 einerseits über einen Kondensator 47 mit der Basis des Transistors und andererseits
über einen Kondensator 48 mit dem Kollektor dieses Transistors verbunden ist. In
der Kollektorleitung des Transistors 40 ist eine Drossel 45 angeordnet, die dazu
dient, einen Kurzschluß der Hochfrequenzspannung über die Stromversorgung zu verhindern.
Um den positiven Versorgungsspannungsanschluß V1 von Hochfrequenz freizuhalten,
ist zwischen ihn und die Systemmasse ein Kondensator 46 geschaltet.
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Die Auskopplung der vom Transistor 40 an den mechanischen Schwinger
11 angelegten Hochfrequenzspannung erfolgt über einen Kondensator 49, der dieses
Signal an den aus zwei Widerständen 57 und 58 bestehenden Eingangsspannungsteiler
der Gleichrichterschaltung 20 weitergibt, die eine als Gleichrichter dienende Diode
56 und einen Ladekondensator 71 umfaßt.
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In die Emitterleitung des Transistors 40 ist die Primärwicklung 38
eines zur Auskoppelung des hier fließenden Hochfrequenzstromes dienenden Übertragers
37 qelegt, dessen Sekundärwicklung 39 mit den beiden Enden des Einyangswiderstandes
61 dr zweiten Gleichrichterschaltung 21 verist, bunden die eine als Gleichrichter
dienende Diode 60 und
einen Ladekondensator 112 umfaßt,wobei die
Anode der Diode 60 mit dem einen Anschluß des Widerstandes 61 und deren Kathode
über einen Widerstand 62 mit dem anderen Anschluß des Widerstandes 61 verbunden
ist.
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Die gegenüber dem Blockschaltbild aus Fig. 1 neu hinzugekommene Schaltungsanordnung
22 umfaßt einen aus den Widerständen 67,68 und 69 bestehenden Spannungsteiler, der
mit seinem einen Ende an der Systemmasse und mit seinem anderen Ende an einer Gleichspannung
liegt, die von der Versorgungsspannung V1 (z.B. 45 V) abgezweigt und durch eine
Zenerdiode 65 und deren Strombegrenzungswiderstand 66 stabilisiert ist. Die am Verbindungspunkt
zwischen den Widerständen 67 und 68 des Spannungsteilers abgreifbare, höhere Gleichspannung
(z.B. 0,55 V) ist über einen Widerstand 59 der Kathode der Gleichrichterdiode 56
der Gleichrichterschaltung 20 zugeführt, während die zwischen den Widerständen 68
und 69 abgreifbare, niedrigere Gleichspannung (z.B. 0,48 V) an den Verbindungspunkt
der Widerstände 61 und 62 der Gleichrichterschaltung 21 gelegt ist. Hierdurch werden
die Gleichrichterschaltungen 20 und 21 mit unterschiedlichen Vorspannungen betrieben,
die bewirken, daß dann, wenn aus irgendeinem Grund die ihnen von der Oszillatorschaltung
12 her zugeführten Hochfrequenzsignale ausfallen, an ihren Ausgängen Gleichspannungspegel
anliegen, die einen Trockenbetrieb des erfindungsgemäßen Aerosolerzeugers simulieren.
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Das von der Diode 56 der Gleichrichterschaltung 20 abgegebene, zur
Hochfrequenzspannung am mechanischen Schwinger 11 proportionale Gleichspannungssignal
gelangt über einen als Impedanzwandler geschalteten Differenzverstärker 70, dessen
Signaleingang über den Ladekondensator 71 mit der Systemmasse verbunden ist, einerseits
an die Detektorschaltung 23 und andererseits an die Anode einer Entkoppeldiode 75
des Naßbetriebreglers
25, deren Kathode über einen Serienwiderstand
76 mit dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 77 verbunden ist. Der
nichtinvertierende Eingang dieses Differenzverstärkers 77 ist mit einem veränderbaren
Widerstand 85 verbunden, der mit einem festen Widerstand 86 zum Aufbau eines Spannungsteilers
in Reihe geschaltet ist, dessen eines Ende mit der Systemmasse und dessen anderes
Ende mit einer Gleichspannung in Verbindung steht, die von einer zweiten Versorgungsspannung
V2 (z.B. 24 V) abgeleitet und durch eilJu Zenerdiode 83 und deren Strombegrenzungswiderstand
84 stabilisiert ist. Mit Hilfe dieser Spannungsteilerschaltung 28 kann der Soll-Wert
für den Regler 25 verändert und somit die vom mechanischen Schwinger 11 abgegebene
Ultraschalleistung im Naßbetrieb auf -einen gewünschten Wert eingestellt werden.
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Der Ausgang des Differenzverstärkers 77 ist in der üblichen Weise
über einen Kondensator 81 und einen damit in Reihe geschalteten Widerstand 80 auf
den invertierenden Eingang gegengek<pelt, der überdies über einen Widerstand
78 mit der Systemmasse verbunden ist.
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Der zweite, die an den mechanischen Schwinger 11 im Trockenbetrieb
abgegebene Hochfrequenzleistung stabilisierende Regler 26 besteht im wesentlichen
aus einem Differenzverstärker 96, dessen nichtinvertierendem Eingang über einen
aus den Widerständen 90, 91 und 92 bestehenden Spannungsteiler die am negativen
Versorgungsspannungseingang der Oszillatorschaltung 12 vorhandene Gleichspannung
als Ist-Wert zugeführt ist, wobei der zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände
90 und 91 und die Systemmasse geschaltete Kondensator 93 zur Ausfilterung von eventuell
noch vorhfindenen tiochfrequenzanteilen dient.
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Der invertierende Eingang des Differenzverstärkers 96 ist einerseits
mit dessen Ausgang über den üblichen Gegenkopplungs ,widers tand 94 und einen damit
in Reihe liegenden Kondensator 95 verbunden und andererseits an den Mittelpunkt
eines aus den Widerständen 105 und 106 aufgebauten Spannungsteilers gelegt, der
mit seinem einen Ende an die Systemmasse und mit seinem anderen Ende an den Sileifkontakt
. eines veränderbaren Widerstandes 104 angeschlossen ist, der seinerseits mit dem
Widerstand 103 einen Spannungsteiler bildet, der mit seinem einen Ende an der Versorgungsspannung
V1 und mit seinem anderen Ende an einer durch eine Zenerdiode 101 und deren mit
seinem anderen Ende mit der Systemmasse verbundenen Strombegrenzungswiderstand 102
definierten Gleichspannung liegt.
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Die aus den Bauelementen 101 bis 106 gebildete Spannungsteileranordnung
dient dazu, dem Regler 26 einen Soll-Wert vorzugeben, der einen einstellbaren Bruchteil
der am positiven Versorgungsspannungseingang der Oszillatorschaltung 12 anliegenden
Gleichspannung V1 darstellt.
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Wie bereits erwähnt, gelangt das vom Gleichrichter 20 abgegebene und
durch den Differenzverstärker 70 in seiner Leistung verstärkte Signal nicht nur
an den Naßbetriebregler 25, sondern auch an den einen Eingang der Detektorschaltung
23. Hier wird sie zunächst dem oberen Ende eines aus den Serienwiderständen 113
und 114 bestehenden Spannungsteilers zugeführt, der mit seinem unteren Ende mit
der Systemmasse verbunden ist. Der Widerstand 113 ist als Potentiometer ausgebildet,
dessen Abgriff mit der Anode einer Diode 115 verbunden ist, deren Kathode an den
Verbindungspunkt von zwei in Reihe geschalteten Widerständen 118 und 119 gelegt
ist. Das andere Ende des Widerstandes 118 ist mit dem Mittelpunkt eines aus den
Reihenwiderständen 116 und 117 gebildeten Spannungsteilers verbunden, der zwischen
der niedrigeren Versorgungsspannung V2 und der Systemmasse liegt. Das zweite Ende
des Widerstandes 119 ist dagegen mit dem nichtinvertierenden Eingang
eines
Komparators 110 verbunden. Dem invertierenden Eingang dieses Komparators 110 wird
über einen Widerstand 111 das zu dem im Emitter des Transistors 40 fließenden Hochfrequenzstrom
proportionale Ausgangssignal der Gleichrichterschaltung 21 zugeführt, das durch
den Ladekondensator 112 von noch vorhandenen Hochfrequenzanteilen befreit wird.
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Das zuvor beschriebene, dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators
110 vorgeschaltene Dioden-Widerstands-Netzwerk dient dazu, den nahezu linearen Verlauf
der Kennlinie des Spannunysgleichrichters durch Unterdrückung der kleinen Spannungen
im Anlaufgebiet der Gleichrichterkennlinie so zu arerzerren, daß er dem Verlauf
der wesentlich stärker nichtlinearen Kennlinie des Stromgleichrichters entspricht.
Dies dient insbesondere dazu, für die Eingangslinien des Komparators 110 in etwa
den in Fig. 3 wiedergegebenen und weiter unten noc genauer erläuterten Verlauf zu
erzielen.
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Der Ausgang des Komparators 110 ist über den Widerstand 120 gleichstrommäßig
auf den nichtinvertierenden Eingang zurückgekoppelt, so daß sich eine Hysterese
seiner Schaltfunktion ergibt.
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Das bedeutet, daß dann, wenn die dem gleichgerichteten Strom proportionale
Spannung Vi größer als die gleichgerichtete Hochfrequenzspannung Vu ist, die Ausgangsspannung
des Komparators 110 ungefähr 0 Volt beträgt, und dann, wenn die dem gleichgerichteten
Strom proportionale Spannung Vi kleiner als die gleichgerichtete Hochfrequenzspannung
Vu wird, was einem Trockenlaufen des mechanischen Schwingers entspricht, sprungartig
auf etwa +24 Volt ansteigt und umgekehrt.
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Diese heiden Pegel des vom Komparator 110 abgegebenen Ausgangssignals
sind so gewählt, daß in dem einen Fall (O Volt = Naßbetrieb) die Diode 79 des Reglers
25 gesperrt ist, so daß dieser Regler arbeitet und mit seinem Ausgangssignal über
die Entkopplungsdiode 128 und die noch zu beschreibende Schaltung 33 auf den Eingang
des Stellgliedes 17 so einwirkt, daß dieses die an den mechanischen Schwinger 11
abgegebene Hochfrequenzleistung auf einem der durch die Spannungsteilerschaltung
28 festgelegten Sollwertvorgabe entsprechenden Wert hält. Andererseits wird der
Regler 26 in diesem Betriebszustand durch die Diode 97 außer Funktion gesetzt. Im
anderen Fall (Ausgangsspannung des Komparators 110 ungefähr + 24 Volt =Trockenbetrieb)
wird der Regler 25 über die Diode 79 gesperrt und außer Betrieb gesetzt, während
der Regler 26 über die Diode 97 eingeschaltet wird und nun seinerseits über die
Entkopplungsdiode 127 und die Schaltung 33 auf das Stellglied 17 so einwirkt, daß
dieses die an der Oszillatorschaltung 12 abfallende Versorgungsspannung und damit
auch die von der Oszillatorschaltung an den mechanischen Schwinger 11 abgegebene
Hochfrequenzleistung auf einen niedrigen, ungefährlichen Wert begrenzt.
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Die beiden Dioden 79 und 97 übernehmen hier also in Verbindung mit
den Polaritäten der durch sie angesteuerten Eingänge der Differenzverstärker 77
bzw. 96 und den zugehörigen Widerständen 78 bzw. 92 die Funktion der in Fig. 1 gesondert
dargestellten Schalter 30 und 31. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liefert also
ein Beispiel dafür, wie diese Schalter als elektronische Schalter ausgebildet sein
können. Da sie hier allerdings in sehr starkem Maße in die Regler 25 und 26 miteinbezogen
sind, erschien es nicht sinnvoll, sie irl der Fig. 2 als gesonderte Baugruppe darzustellen.
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Die am Ausgang des Komparators 110 herrschende Spannung dient auch
noch dazu, über den Spannungsteiler 123, 124 die Basis eines Treibertransistors
122 anzusteuern, der mit seinem Emitter unmittelbar an der Systemmasse liegt und
in dessen Kollektorleitung ein Lämpchen 125 geschaltet ist. Diese Anzeigevorrichtung
35 dient dazu, der Bedienungsperson anzuzeigen, wenn die Detektorschaltung 23 ein
Trockenlaufen des mechanischen Schwingers festgestellt und vom Naßbetriebregler
25 auf den Trockenbetriebregler 26 umgeschaltet hat.
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Bei diesem Umschalten könnte es vorkommen, daß der Oszillator 12 für
einige Millisekunden aufhört zu schwingen, wodurch dann auch das von der Detektorschaltung
23 untersuchte Kriterium wegfallen würde; somit könnte die gesamte Schaltung in
einen undefinierten Zustand geraten. Um dies zu vermeiden, ist zwischen den Verbindungspunkt
der Entkopplungsdioden 127 und 128 und den Eingang des Stellgliedes 17 eine Schaltungsanordnung
33 geschaltet, die im wesentlichen aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 130
und 131, einem vom Verbindungspunkt dieser Widerstände zur Systemmasse führenden
Widerstand 132 und einer parallel zu diesem Widerstand 132 angeordneten Serienschaltung
aus einem Widerstand 133 und einem Kondensator 134 besteht. Dieser Kondensator 134
dient als Ladekondensator, der dafür sorgt, daß der Übergang der Ansteuerung des
Stellgliedes 17 vom Naßbetriebregler 25 auf den Trockenbetriebregler 26 nicht abrupt
sondern gleitend erfolgt. Dadurch kann es nicht mehr zu einem wenn auch nur kurzzeitigen
Aussetzen der Oszillatorschwingungen kommen.
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Das Stellglied 17 schließlich umfaßt eine von den Transistoren 152
und 153 gebildeten Darlington-Konfiguration, wobei der Transistor 152 in der Gleichstromversorgungsleitung
des
Oszialltors 12 angeordnet ist. Seinen Basisstrom erhält er von einem von den Widerständen
154 und 155 gebildeten Spannungsteiler, der den Emitterwiderstand eines Transistors
153 bildet, der mit seinem Kollektor an der niedrigeren Versorgungsspannung V2 liegt
und an seiner Basis die von der Schaltungsanordnung 33 kommenden Signale erhält.
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Diese Signale stammen, wie bereits ausführlich erläutert, von einem
der beiden Regler 25 bzw. 26 und bewirken, daß in Abhängigkeit davon, ob zur Vergrößerung
oder Verkleinerung der an den mechanischen Schwinger 11 abgegebenen Hochfrequenzleistung
die am Transistor 40 der Oszillatorschaltung 12 abfallende Betriebsspannung vergrößert
oder verkleinert werden soll, der Transistor 152 weiter in den leitenden oder weiter
in den gesperrten Zustand gesteuert wird, was zur Folge hat, daß an ihm ein kleinerer
oder ein größerer Teil der insgesamt zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung
V1 abfällt.
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In diesem Zusammenhang sei nochmals darauf hingewiesen, daß die eben
erwähnte Vergrößerung,1Vzw. Verkleinerung der an dem mechanischen Schwinger abgegebenen
Hochfrequenzleistung aus drei grundsätzlich verschiedenen Gründen erforderlich sein
kann, nämlich entweder weil eine Umschaltung vom Trockenbetrieb-Regler 26 auf den
Naßbetrieb-Regler 25 oder umgekehrt stattgefunden hat, oder weil die Sollwert-Vorgabe
für die vom mechanischen Schwinger abzugebende Ultraschalleistung durch ein Verstellen
des von Hand betätigbaren Potentiometers 85 erfolgt ist, oder weil einer beginnenden,
auf Störeinflüssen beruhenden Tendenz zur Verringerung bzw. Vergrößerung der Hochfrequenz
leistung entgegengewirkt werden soll.
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In Fig. 3 sind in Form eines Diagramms die an den beiden Eingängen
des Gleichspannungskomparators 110 der Detektorschaltung 23 anliegenden Spannungen
Vi und Vu gegeneinander aufgetragen. Wie bereits erwähnt, handelt es sich hierbei
um Gleichspannungen, die in einem eindeutigen Zusammenhang mit dem in der Emitterlaietsuiansistors
40 fließenden Hochfrequenzstrom bzw. mit der am mechanischen Schwinger 11 abgreifbaren
Hochfrequenzspannung stehen.
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Da zur Anpassung der vom mechanischen Schwinger 11 abgegebenen Ultraschalleistung
an die verschiedenen Anwendungsfälle, die am Schwinger 11 abfallende Hochfrequenzspannung
mit Hilfe des Potentiometers 85 auf die verschiedensten Werte eingestellt werden
kann, ist im Diagramm der Fig. 3 die zu dieser Hochfrequenzspannung proportionale
Gleichspannung V auf der Abszisse aufgeu tragen. Man sieht, daß zu jedem Wert von
Vu zwei verschiedene Werte von Vi gehören, die zwei deutlich voneinander verschiedenen
Hochfrequenz-Emitterströmen des Transistors 40 entsprechen. Der größere dieser beiden
Werte ergibt sich jeweils dann, wenn der mechanische Schwinger 11 durch eine ausreichende
Menge der zu vernebelnden Flüssigkeit bedämpft ist, während der kleinere der beiden
Vi-Werte einem unbedämpften mechanischen Schwinger entspricht. Man erhält also die
beiden in Fig. 3 wiedergegebenen Kennlinien, von denen die obere dem Naßbetrieb
und die untere dem Trockenbetrieb des erfindungsgemäßen Aerosolerzeugers entspricht.
Geht man davon aus, daß die beiden Eingänge des Gleichspannungskomparators 110 dieselbe
Empfindlichkeit besitzen, so verläuft die Schaltschwelle dann, wenn man für die
beiden Koordinatenachsen denselben Maßstab verwendet, in der dargestellten Weise
unter einem Winkel von 450.
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Dieim Diagramm wiedergegebene Form der Naß- und Trockenkennlinien
beruht insbesondere auf der Wirkung des dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers
110 vorgeschalteten Dioden-Widerstands-Netzwerkes 113 bis 119 sowie den unterschiedlichen
Vorspannungen der Gleichrichter 20 und 21. Dieses Netzwerk ist so ausgelegt, daß
die eine der beiden Kennlinien vollständig oberhalb und die andere vollständig unterhalb
der Schaltschwelle liegt, da nur so für jeden eingestellten Wert von Vu ein eindeutiger
Betriebszustand für die Gesamtschaltung erzielt werden kann. Würde eine der Kennlinien
die gestrichelt gezeichnete Schaltschwelle überkreuzen oder beide Kennlinien auf
derselben Seite der Schaltschwelle liegen, so könnte das Gerät in völlig zufälliger
Weise und unabhängig von der Tatsache, ob der mechanische Schwinger von Flüssigkeit
bedeckt ist oder nicht, zwischen den beiden Kennlinien hin-und herspringen, wodurch
nicht nur ein vernünftiger Betrieb nicht mehr gewährleistet sondern auch eine Zerstörungsgefahr
für den Schwinger gegeben wäre.
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Zwar ist es möglich, durch eine geeignete Dimensionierung des Dioden-Widerstandsnetzwerkes
113 bis 119 den in Fig. 3 wiedergegebenen idealisierten linearen Kennlinienverlauf
zu erzielen, doch ist dies nicht unbedingt erforderlich.
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Auch bei geknickt oder wellig verlaufenden Kennlinien arbeitet die
Anordnung einwandfrei, solange es nicht zu einer Überschneidung der Kennlinien untereinander
oder mit der Schaltschwelle kommt.
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In der Praxis wird man versuchen, die Kennlinien in ihrem unteren
Bereich möglichst weit an den Nullpunkt anzunähern, um auch diese niedrigen Leistungsbereiche
ausnutzen zu können. Allerdings sind hier gewisse Grenzen gesetzt, da insbesondere
dann, wenn man mit den Gleichrichtern 20 und 21 nur den in Fig. 2 dargestellten,
geringen Schaltungsaufwand treiben will, den Gleichspannungen
V.
und V ein Rauschanteil überlagert ist, der 1 u bei zu großer Annäherung der Kennlinien
an die Schaltschwelle dazu führen würde, daß die Schaltung in undefinierter Weise
von einer Kennlinie zur anderen wechselt.
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Dieses Rauschen ist im Naßbetrieb wesentlich stärker aLs im Trockenbetrieb,
weil hier aus dem vom Schwinger 11 erzeugten Nebel einzelne Tröpfchen wieder in
die FlUssigkeit zurückfallen und damit durch eine Art "Mikrofoneffekt" ein Störsignal
erzeugen, das im Trockenbetrieb nicht auftreten kann.
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Dem in Fig. 4 wiedergegebenen Schaltbild einer besonders bevorzugten
Ausführungsform des Hochfrequenzteiis eines erfindungsgemäßen Ultraschallgenerators
ist zu entnehmen, daß die Oszillatorschaltung 12, die Gleichrichterschaltungen 20
und 21 und die Vorspannungserzeugungsschaltung 22 in einem gemeinsamen hochfrequenzdichten
Gehäuse untergebracht sind, wobei alle Leitungen über Durchführungskondensatoren
51,52,53,54 und 55 herausgeführt werden. Den in Fig. 2 dargestellten Ladekondensatoren
71 und 112 sind somit die Durchführungskondensatoren 55 und 54 parallel geschaltet,
so daß sich deren Kapazität entsprechend erhöht.
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Die in Fig. 4 dargestellte Drossel 36 kann ebenso wie der Kondensator
50 gegebenenfalls weggelassen werden.
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Der Übertrager 37 besteht aus einem Kern M 33, 14 0 x 8, einem Spulenkörper,
einem Anschlußträger und einem Bügel.
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Die Wicklung 1 besteht aus 40 Windungen CuL 0,18 in zwei Lagen, während
die Wicklung 2 eine Windung CuL 0,4 umfaßt, so daß sich ein Ubertragungsverhältnis
40:1 ergibt. Bei den Kodensatoren 41,47 und 48 handelt es sich um Kunststoff-Vielschicht-Kodensatoren.
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L e e r s e i t e