DE3222425A1 - Generator zum antrieb eines piezoresonators - Google Patents

Description

• Generator zum Antrieb eines Piezoresonators
• Die Erfindung bezieht sich auf einen Generator zum Antrieb eines Piezoresonators. Ein solcher Generator ist beispielsweise zum Antrieb eines Ultraschallbohrers verwendbar.
• Im folgenden wird - ohne die Erfindung hierauf zu beschränken - als Beispiel einer vorteilhaften Verwendbarkeit die Erfindung bei ihrem Einsatz zum Antrieb eines Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubers beschrieben. Aus der von der Firma VALVO herausgegebenen Druckschrift "Techllische Informationen für die Industrie" Nr. 781109 mit dem Titel Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubung mit PXE-Schnçinger ist die Ultraschallvernebelung beispielsweise fur die Klima-Technik (Luftbefeuchter), die Kraftfdhrzeugte-hllik, die Heizungstechnik (Ölbrenner), den medizinischen Bereich (Inhalatoren) und den kosmetischen Bereich bekdn.,t.
• Ein derartiger Zerstäuber besitzt einen Ultraschall-Resonator, der in seinem Schwingungsknoten gehaltert ist und der einen Zerstäuberteller an einem seiner Enden aufweist. Dieser Teller besitzt beispielsweise einen Durchmesser von 10 mm und eine Schwingamplitude von beispielsweise 12 io6 m. Durch Vibration dieses Tellers wird die darauf befindliche Flüssigkeit vernebelt.
• Es hat sich gezeigt, daß nach einer Betriebsunterbrechung ein sicheres Anschwingen des Resonators nicht gewährleistet ist, wenn - was praktisch sehr häufig der Fall ist - eine Restölmenge beispielsweise in Form eines einzigen Tropfens vom vorangehenden Betrieb auf dem Teller verblieben ist. Diese Restölmenge bewirkt nämlich, daß der Resonator sehr stark bedämpft und geringfügig verstimmt wird, so daß die normale Antriebsleistung, die dem Resonator auf seiner Resonanzfrequenz zugeführt wird, nicht ausreicht, um eine Vernebelung zu erreichen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator der gattungsgemäßen Art anzugeben, der beliebig häufige und beliebig lange Betriebsunterbrechungen des Piezoresonators erlaubt und dessen erneutes Anschwingen und dessen problemlosen Betrieb immer gewährleistet.
• Die erfindungsgemäßen Merkmale eines zur Lösung dieser Aufgabe geeigneten Generators sind dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 entnehmbar. Die Unteransprüche beinhalten die Merkmale vorteilhafter AusführunJsformen und Weiterbildungen der Erfindung.
• Der aus der einleitend genannten Druckschrift bekannte Zerstäuber besitzt einen Antriebsgenerator, welcher gleichfalls den eigentlichen Zerstäuber (Piezoresonator) in seiner Rückkopplungsschleife aufweist. Bei Änderung seiner Versorgungsspannung ändert sich die Zerstäuberleistung, so daß bei einer gewünschten vorgegebenen Zerstäuberleistung notwendigerweise die Betriebsspannung konstant gehalten werden muß.
• Der erfindungsgemäße Generator erweist demgegenüber den praktisch sehr bedeutsamen Vorteil auf, daß er wahlweise an die gängigen Batterien von 24 oder 12 V oder auch an in diesem Spannungsbereich schwankende Spannungsquellen anschließbar ist, ohne daß dadurch auf eine einmal vorgegebene konstante Zerstäuberleistung verzichtet werden muß; diese Unabhängigkeit der Zerstäuberleistung von der Versorgungsspannung ergibt sich beim erfindungsgemäßen Generator durch die Anderbarkeit des Tastverhältnisses der Ausgangsschwingungen des Rechteckoszillators, wodurch dem Resonator ständig die gleiche Leistung zugeführt werden kann. Sofern eine bestimmte Zerstäuberleistung gewünscht ist, kanll wiederum durch Anderung dieses Tastverhältnisses diese Leistung leicht eingestellt werden.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand des in den Abbildungen schaltbildmäßig dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
• FIG. 1 zeigt das Blockschaltbild des gleichen Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in FIG. 2 im Detailschaltbild dargestellt ist. Es enthält einen Schaltwandler 1, welcher aus der ihm aus einer Gleichspannungsquelle UB (Versorgungsspannung) zugeführten Eingangsleistung in eine Wechselleistung wandelt, die an seinem Ausgang in Form von Rechteckimpulsen auftritt. Diese Rechteckimpulse haben bei der niedrigsten zu erwartenden Betriebsspannung vorzugsweise ein Tastverhältnis von 50 t. Steigt die Betriebsspannung, so wird das Tastverhältnis verkleinert. Diese Rechteckimpulse werden dem mit 2 bezeichneten Piezoresonator über ein Anpaßnetzwerk 3 zugeführt. Das Anpaßnetzwerk 3 erfüllt hierbei zwei Aufgaben, nämlich einerseits die gegenseitige Anpassung des Schaltwandlerausganges an den Eingang des Piezoresonators und andererseits die Oberwellenunterdrückung. Diese Unterdrückung ist einerseits zur Erzielung einer ausreichenden Störstrahlungsunterdrückung erforderlich und andererseits zweckmäßig, um ein Anschwingen des Resonators auf Oberwellen seiner Resonanzfrequenz zu verhindern. Das Anpaßnetzwerk gemäß den Abbildungen ist im Bedarfsfall durch Hinzufügen weiterer Schwingkreise in seiner Selektivität noch verbesserbar, was zum Stand der Technik gehört. Die dem Resonator zugeführte Spannung ist - wie in FIG. 1 zeichnerisch angedeutet - sinusförmig.
• Über einem ohmschen Widerstand 4 abfallende Spannung wird mittels eines Gleichrichters 5 gleichgerichtet und nach Glättung, was durch einen Kondensator 6 angedeutet ist, dem Schaltwandler 1 zugeführt. Durch den Widerstand 4 fließt der Resonatorstrom, so daß diese Gleichspannung (Steuerspannung) ein Maß für den Resonatorstrom ist, d. h.
• das Steuersignal ist eine in ihrer Höhe von dem Resonatorstrom abhängige Gleichspannung. Der Piezoresonator wird in seiner Serienresonanz betrieben, was zur Folge hat, daß im Resonanzfall die Steuerspannung entsprechend dem dann auftretenden maximalen Resonatorstrom ihre maximale Höhe hat.
• Zur Rückkopplungsschleife des dargestellten Generators gehören weiterhin ein Bandpaß 7 und eine PLL-Schaltung 8 (phase locked loop). Im Beispielsfall schwingt der Resonator 2 auf 58 kHz. Diese Frequenz ist gleich der Durchlaßfrequenz des Bandpaßes 7, so daß die über dem Widerstand abfallende Wechselspannung dieser Frequenz der PLL-Schaltung 8 zugeführt wird. Die Ausgangssignale dieser Schaltung gewährleisten, daß die Grundfrequenz der Ausgangsimpulse des Schaltwandlers 1 auf die Resonanzfrequenz des Resonators 2 immer nachgeregelt wird. Mit der dem Schaltwandler 1 zugeführten Steuerspannung kann gleichzeitig der Resonatorstrom automatisch auf seiner vorgegebenen Höhe gehalten werden, was dadurch bewirkt wird, daß das Tastverhältnis der Ausgangsimpulse des Schaltwandlers 1 entsprechend geändert wird.
• Gelegentlich ist die Bedämpfung und/oder Verstimmung des Resonators 2 beispielsweise durch einen noch anhängenden Öltropfen bei seinem Einschalten so stark, daß die Änderung des Tastverhältnisses der Ausgangsimpulse des Schaltwandlers 1 nach der vorbeschriebenen Methode nicht ausreicht, ihm mit ausreichender Amplitude schwingen zu lassen, um eine Zerstäubung zu bewirken oder den anhängenden Tropfen wegzuschleudern. Dann tritt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Funktionsgenerator 9 in Betrieb. Dieser Generator gibt im Beispielsfall eine dreieckförmige Spannung auf die PLL-Schaltung 8 ab, sobald er durch das Ausgangssignal eines Schwellendetektors 10 eingeschaltet wird. Dieser Schwellendetektor 10 gibt dann sein Ausgangssignal auf den Funktionsgenerator 9, sobald die Steuerspannung einen vorgegebenen Bezugswert Uref unterschreitet. Die Grundfreque= der Ausgangsspannung des Funktionsgenerators 9 ist gleich der Modulationsfrequenz, mit der die dem Resonator 2 zugeführte Frequenz moduliert werden muß, damit sein Resonanzpunkt periodisch durchlaufen wird. Es handelt sich hierbei somit um einen Wobbelvorgang; bei einer im Beispielsfall mit 58 kHz angenommenen Trägerfrequenz liegt die Modulationsfrequenz in der Größenordnung von wenigen Hz.
• Die FIG.. 2 bedarf nach der vorstehenden Erläuterung ihres in FIG. 1 gezeigten Blockschaltbildes für den Fachmann keiner weiteren Beschreibung, da sie für sich selbst spricht.
• Leerseite

Claims (5)

1. Patentnsprüche il ; Generator zum Antrieb eines Piezoresonators, der beispielsweise in einem Flüssigkeitszerstäuber verwendbar ist, mit einer den Resonator enthaltenden Rückkopplungsschl!eife, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechteckoszillator mit einem vorgegebenen Tastverhältnis von vorzugsweise 50 % vorgesehen ist, welches durch ein Steuersignal einerseits in Abhängigkeit von der gewünschten Resonatorleistung und andererseits zum Konstanthalten des vorgegebenen Resonatorstroms, der sich durch Anderung der Betriebsspannung und/oder der Resonatorbelastung ändern könnte, veränderbar ist.
2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur gegenseitigen Anpassung des Oszillators mit dem Resonator und zur gleichzeitigen Oberwellenunterdrückung zwischen den Oszillator und den Resonator ein Anpaßrlet-erk mit Tiefpaßverhalten geschaltet ist.
3. 3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal eine in ihrer Höhe von dem Resonatorstrom abhängige Gleichspannung ist.
4. 4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Verwendung als Flüssigkeitszerstäuberantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal, sofern die Anderung des Tastverhältnisses zum Konstanthalten des vorgegebenen Resonatorstroms nicht ausreicht, einen Funktionsgenerator einer periodischen Schwingung einschaltet, dessen Grundfrequenz gleich der Modulationsfrequenz des Rechteckoszillators ist, die zum automatischen Entfernen störender Tropfen von dem Resonator notwendig ist, und daß die Ausgangsspannung dieses Funktionsgenerators zur Frequenzmodulation des Rechteckoszillators herangezogen wird, so daß der Resonanzpunkt des Resonators periodisch durchlaufen wird.
5. 5. Generator nach Anspuch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Feststellen der Notwendigkeit des Einschaltens des Funktionsgenerators ein Schwellendetektor vorgesehen ist, der das Einschaltsignal für den Furiktionsgenerator abgibt, wenn das Steuersignal einen vorgegeben Bezugswert (Uref) unterschreitet.