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Die
Erfindung bezieht sich auf die Überwachung
von Schwingungen und insbesondere auf die Überwachung der Anregung in
Ultraschallgeneratoren.
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Die Überwachung
von Schwingungen ist in zahlreichen Systemen und Industriezweigen
hilfreich. Ultraschallgeneratoren, darunter Ultraschall-Reinigungsgeräte, Ultraschall-Schweißgeräte, Ultraschall-Bearbeitungsgeräte sowie
kontinuierlich arbeitende Tintenstrahl-Tropfengeneratoren, werden für die unterschiedlichsten
Zwecke eingesetzt. Um zum Beispiel Tropfen in einem kontinuierlich
arbeitenden Tintenstrahldrucker präzise zu laden und umzulenken,
ist es wichtig, dass die Tropfen beim Prozess der Tropfenbildung
in gleicher zeitlicher Abstimmung und in gleicher Größe erzeugt
werden. Dabei werden die erforderlichen Tropfen bei solchen Druckern
dadurch erzeugt, dass man die Öffnungen,
aus denen die Tinte austritt, in Schwingungen versetzt.
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Zur
Steuerung der Schwingungsamplitude und zum Nachführen der Resonanz des Tropfengenerators
setzt die
US-A-5 384
583 , auf die hier in vollem Umfang Bezug genommen wird,
Rückkopplungswandler
ein. Weist das Rückkopplungssignal ein
ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis
auf, arbeiten diese Rückkopplungswandler
einwandfrei. Der Einsatz eines Gegentakt-Rückkopplungssystems, wie es
in der genannten Veröffentlichung
besprochen wird, macht es möglich,
durch Ladungsübergangszustände oder
elektronische Einkopplung vom Stimulationsantriebssignal bedingtes
Rauschen effektiv zu unterdrücken.
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Die
einzelnen Wandler können
nahe beieinander angeordnet werden, so dass das von den beiden Wandlern
aufgenommene Rauschen annähernd gleich
ist und sich entsprechend auf hebt. Die geeignete Anordnung der einzelnen
Wandler kann dazu beitragen, durch Fremd-Schwingungen bedingte Ausgangssignale
zu unterdrücken.
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Bei
manchen Tropfengenerator-Konstruktionen ist es jedoch nicht möglich, die
Wandler so anzuordnen, dass alle Fremdschwingungen unterdrückt werden
können.
Gründe
dafür könnten unzureichender
Raum für
die Anordnung der Rückkopplungswandler
oder zu niedrige Ausgangsamplituden im verfügbaren Oberflächenraum
sein. Um die Erfassung von Fremdschwingungen effektiv zu unterdrücken, müssten bei
manchen Tropfengeneratorkonstruktionen Rückkopplungswandler in dem Raum
angeordnet werden, der bereits von den Antriebswandlern eingenommen
wird. Dies ergibt sich daraus, dass zum Unterdrücken der Anregung unerwünschter
Schwingungen die Antriebswandler in einem bestimmten Muster angeordnet
werden müssen.
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Bei
solchen Systemen wäre
es zweckmäßig, die
Antriebswandler gleichzeitig als Rückkopplungswandler einzusetzen.
US-A-3 868 698 nutzt
zwar die Antriebswandler-Impedanzcharakteristik zum Nachführen der
Resonanzfrequenz, offenbart aber keine Möglichkeit der Überwachung
der Schwingungsamplitude und -phase zum Zwecke der Steuerung des Tintenstrahlsystems.
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US-A-3 868 698 beschreibt
eine Antriebsschaltung für
einen Stimulationswandler, der die Erzeugung von Satellitentropfen
in einem Tintenstrahl-Aufzeichnungsgerät unterdrückt. Bei der Antriebsschaltung
handelt es sich um einen Oszillator, der der Resonanzfrequenz des
Stimulationswandlers folgt. Da die Resonanzfrequenz des Wandlers
sich im normalen Betrieb ändert, ändert sich
auch die Frequenz des Antriebssignals, so dass die Ausgangsleistung
des Wandlers im Wesentlichen unverändert bleibt. Dies führt zur
präzisen
Regelung der Strahllänge
der zu stimulierenden Strahlen und unerwarteter Weise zur Unterdrückung der
Erzeugung von Satellitentropfen. Die Antriebsschaltung weist einen Verstärker, einen
Lastwiderstand und positive sowie negative Rückkopplungsbahnen zu den Eingangsanschlüssen des
Verstärkers
auf. Der Lastwiderstand ist in der negativen Rückkopplungsbahn und auch in der
Zuführbahn
des Stimulationswandlers integriert. Im Allgemeinen erreicht die
Impedanz des Stimulationswandlers bei Resonanzfrequenz des Wandlers ein
Minimum, so dass sich bei jeder Veränderung der Resonanzfrequenz
ein Anstieg der Eingangsimpedanz des Wandlers ergibt. Dies führt zu einer
Spannungsänderung
am Lastwiderstand, und diese wiederum verändert die negative Rückkopplung
zum Verstärker.
Dabei sind Mittel vorgesehen, die das negative Rückkopplungssignal so anpassen,
dass der Verstärker
in einem ständigen
Schwingungszustand gehalten wird. Die Frequenz, bei der diese Schwingung
auftritt, ist jene Frequenz, bei der die Impedanz des Wandlers ihr
Minimum aufweist, so dass die Antriebsschaltung der Resonanzfrequenz
des Stimulationswandlers folgt.
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US-A-6 083 191 beschreibt
ein elektrisches Gerät
zum Antreiben eines Ultraschall-Schwingquarz-Wandlers in einem chirurgischen
Handstück zum
Zertrümmern
und Absaugen von Gewebe. Das Gerät
weist einen elektronischen Steuerregelkreis in Kombination mit einem
Spannungsquellenverstärker auf,
dessen Ausgang mit dem Schwingquarz-Wandler mit einer parallel geschalteten
Abstimm-Induktionsspule verbunden ist. Ferner werden ein Steuersystem
zur Überwachung
des Steuerregelkreises und eine Komponente zur Steuerung der Gewebeauswahl
beschrieben.
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Es
besteht ein Bedarf an einer effektiven Möglichkeit des Einsatzes der
Antriebs-Schwingkristalle sowohl für den Antrieb des Tropfengenerators als
auch zum Erfassen der sich daraus ergebenden Schwingung. Außerdem kann
die hohe Kapazität
piezoelektrischer Antriebswandler bei Betrieb mit hohen Frequenzen
die Antriebselektronik stark belasten. Dies kann die maximalen Antriebsamplituden beträchtlich
einschränken.
Es wäre
daher wünschenswert, über eine
Möglichkeit
zu verfügen,
die höhere
Antriebsamplituden selbst bei hohen Kapazitätswerten der Antriebswandler
erlaubt.
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Die
Erfindung stellt Mittel, etwa einen Schaltkreis, bereit, der die
in einem Ultraschallgenerator, etwa dem Tropfengenerator eines Tintenstrahldrucksystems,
erzeugte Schwingung oder Stimulation mittels der piezoelektrischen
Antriebswandler überwacht.
Die Erfindung ist nicht nur auf dem Gebiet des Tintenstrahldrucks
einsetzbar, sondern auch in anderen Gebieten, unter anderem auch
zur Überwachung von
Ultraschall-Reinigungsgeräten
und -Schweißgeräten.
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Aufgabe
der Erfindung ist unter anderem die Bereitstellung eines Verfahrens
zum Überwachen der
Ultraschallamplitude eines Ultraschallgenerators sowie die Bereitstellung
eines Schwingungs-Überwachungssystems.
Diese Aufgaben werden erfüllt durch
die in den beiliegenden Ansprüchen
definierte Erfindung.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
bekannte Schaltung für
einen Selfsensing-Wandler;
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2 eine
erfindungsgemäße Transformatorschaltung
zur Stimulationsüberwachung;
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3 eine
erfindungsgemäße Differentialtransformatorschaltung
zur Stimulationsüberwachung;
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4 eine
alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Differentialtransformatorschaltung
zur Stimulationsüberwachung;
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5 eine
weitere alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Differentialtransformatorschaltung
zur Stimulationsüberwachung;
und
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6 eine
weitere alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Differentialtransformatorschaltung
zur Stimulationsüberwachung;
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Die
Erfindung verwendet ein Verfahren zur Überwachung der Stimulationsamplitude,
das sich auf die Sensorgleichung für piezoelektrische Wandler ΘT·r
= q – Cp·νstützt, worin ΘT die piezoelektrische Kopplungsmatrix, q
die vom piezoelektrischen Wandler erzeugte oder ihm zugeführte Ladung,
Cp die geklemmte Kapazität des Kristalls und ν die Änderungsgeschwindigkeit
der Spannung ist. Der Wert r gibt die Spannung im Kristall an, die dem
Ausschlag am Wandler entspricht. Der Term Cp·ν der geklemmten
Kapazität entspricht
der der Kapazität
des Wandlers zugeführten
Ladung, die von der Bewegung des Kristalls unabhängig ist.
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Aus
vorstehender Gleichung ergibt sich, dass wenn der Term der geklemmten
Kapazität
auf der rechten Seite der Gleichung entfernt werden könnte, der
Strom direkt proportional zur Geschwindigkeit wäre. Hierzu wird die Schaltung
gemäß 1 vorgeschlagen.
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Wie
in der bekannten Schaltung 10 gemäß 1 dargestellt,
wird das vom Oszillator kommende Antriebssignal 12 sowohl
dem piezoelektrischen Wandler 14 als auch dem entsprechenden
Kondensator 16 zugeführt,
dessen Kapazität
der geklemmten Kapazität
des piezoelektrischen Wandlers entspricht. Auf der Erdungsseite
des piezoelektrischen Wandlers und des entsprechenden Kondensators befinden
sich zugehörige
Verstärker 18.
Die zugehörigen
Ladungsverstärker
erzeugen jeweils eine Ausgangsspannung proportional zur Ladung am
Eingangskristall oder Kondensator. Da die Kapazität des zugehörigen Kondensators
gleich der geklemmten Kapazität
des Kristalls eingestellt wurde, ist die Ladung am zugehörigen Kondensator
gleich der durch die geklemmte Kapazität am Kristall vorhandenen Ladung.
Da die Ladung am zugehörigen
Kondensator gleich der durch die geklemmte Kapazität am Kristall
anliegenden Ladung ist, ist die vom unteren Ladungsverstärker ausgegebene
Spannung gleich der durch den Term der geklemmten Kapazität der Sensorgleichung
erzeugten Ausgangsspannung des oberen Verstärkers. Dies bedeutet, dass
die Ausgabe des Differentialverstärkers 20 die Wirkung
der geklemmten Kapazität
beseitig und zu einer Ausgabe geführt hat, die der durch den
Wandler erzeugten Bewegung direkt proportional ist.
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Diese
Sensor/Aktuator-Schaltung 10 liefert zwar die gewünschte Ausgabe
als Rückkopplungssignal 22,
hat aber auch einige Nachteile. Zunächst müssen bei Einsatz für das Stimulations-Antriebssystem
die Eingänge
jedes der Ladungsverstärker
einen sehr hohen Strom handhaben. Die Beschaffung der gewünschten
Operationsverstärker,
die diesen Strom handhaben können,
kann sich als schwierig erweisen. Zweitens überwacht die Schaltung den
Strom auf der Erdungsseite der Wandler. Bei einem Tropfengenerator
würde dies
erfordern, dass entweder die Schwingquarze gegenüber dem Tropfengenerator getrennt
werden müssten
oder dass der Tropfengenerator gegenüber dem Rest des Druckkopfs
zu trennen wäre.
Da die elektrische Trennung der Schwingquarze gegenüber dem
Tropfengenerator sich negativ auf die akustische Kopplung auswirken kann,
bliebe nur die elektrische Trennung des Tropfengenerators. Da der
Tropfengenerator durch die Rückkopplungsschaltung
geerdet werden müsste, müsste drittens
der Tropfenladungsstrom durch diese Schaltung fließen. Der
Ladungsstrom würde
deshalb ebenfalls vom Verstärker
verstärkt.
Da zu erwarten ist, dass der Ladungsstrom bei Stimulationsfrequenz
eine Wechselstrom-Komponente aufweist, könnte dieses Störsignal
nicht ohne weiteres ausgefiltert werden. Das erhaltene Rückkopplungssignal würde in Verbindung
mit dem Druck-Arbeitsspiel des Druckkopfs moduliert. Viertens wäre die Antriebselektronik
einer erhöhten
Strombelastung ausgesetzt, da das Antriebssignal nicht nur dem piezoelektrischen
Wandler, sondern auch dem zugehörigen
Kondensator zugeführt
werden muss.
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Ein
erfindungsgemäß vorgeschlagenes Transformatorsystem
kann diese mit typischen Schaltungen für Selfsensing-Aktoren verbundenen Probleme überwinden.
In 2–5 sind
Ausführungsformen
von Transformatorschaltungen gemäß der Erfindung
dargestellt. Bei den Schaltungen 24, 26, 28 und 30 wird
die Antriebsspannung sowohl dem Tropfengenerator als auch einem
entsprechenden Kondensator zugeführt.
Die Antriebsströme
werden durch die Transformatoren in den Antriebsleitungen für den Schwingkristall
und in den zugehörigen Transformator
in deren Sekundärschenkel
eingekoppelt. Der in den Sekundärschenkeln
erzeugte Strom fließt
durch die Widerstände
und erzeugt so an jedem von ihnen eine zum Strom proportionale Spannung. Durch
Umschalten des Sekundärschenkels
für den entsprechenden
Kondensatorschenkel der Schaltung, Umschalten des Stroms im Sekundärschenkel und
Reihenschaltung der Widerstände
wird die gewünschte,
zu der von den piezoelektrischen Wandlern aufgenommenen Geschwindigkeit
proportionale Ausgabe erhalten.
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Die
erfindungsgemäßen Transformatorschaltungen
beseitigen daher das Problem, dass sehr viel Strom in die Operationsverstärker geleitet werden
muss. Diese Transformatorschaltungen machen es auch möglich, die
Schaltung nicht mehr auf der Erdungsseite der Wandler, sondern auf
der Antriebsseite der Wandler vorzusehen. Dies beseitigt die Probleme,
die mit dem Versuch der elektrischen Trennung des Tropfengenerators
verbunden sind, sowie auch das Problem der Überwachung des Tropfenladungsstroms
und seiner Einkopplung in das Stimulations-Rückkopplungssystem.
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Neben
einem Kondensator 16, der der geklemmten Kapazität des Schwingquarzes 14 zugeordnet
ist, erfordert die Schaltung 24 in 2 ferner die
Zuordnung der beiden Transformatoren 32, 34 und
der Widerstände 36, 38.
Allerdings weist diese Schaltung immer noch das Problem der Belastung der
Stimulationsantriebsschaltung auf. Ein weiteres potentielles Problem
besteht in dem Stromabfall an den Widerständen der Sekundärschenkel.
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Die
Erfindung schlägt
daher eine alternative Transformatorschaltung 26 vor, wie
diese in 3 dargestellt ist. Die Differenzialtransformatorschaltung gemäß 3 beseitigt
die Probleme, die sich bei der Schaltung 24 gemäß 2 ergeben
können.
In 3 weist die Differenzialtransformatorschaltung einen
dreischenkligen Transformator 40 auf. Das Antriebssignal
wird den beiden Hauptschenkeln des Transformators zugeführt. Diese
sind ihrerseits mit dem piezoelektrischen Wandler 14 und
dem entsprechenden Kondensator 42 verbunden. Der Primärschenkel
für den
zugehörigen
Kondensator 42 ist gesperrt, so dass bei gleichem zu den
beiden Primärwicklungen
fließenden
Strom kein Strom im Sekundärschenkel
induziert wird. Wenn der zum piezoelektrischen Wandler fließende Strom
von dem zum zugehörigen
Kondensator fließenden
Strom abweicht, ist der im Ausgangsschenkel des Transformators fließende Strom
proportional zum Differenzialstrom der Primärschenkel. Der Ausgangsstrom
erzeugt am Widerstand 46 eine Spannung, die am Ausgang 44 anliegt.
Da im Sekundärschenkel
nur ein der Stromdifferenz entsprechender Strom erzeugt wird, wird
somit weniger Strom in den Widerstand 46 geleitet. Bei dieser
Figur hatte der piezoelektrische Wandler eine geklemmte Kapazität von etwa
68 NF.
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Die
Schaltung in 3 arbeitet mit einem 10:1-Aufwärtstransformator 40.
Der Einsatz eines Aufwärtstransformators
dient nicht nur der Erhöhung der
Ausgangsamplitude, sondern auch der Reduzierung der im Primärschenkel
der Transformatoren aufgrund des Widerstandes am Sekundärschenkel
auftretenden Impedanz. Bei Verwendung des 10:1-Aufwärtstransformators
erzeugt der Widerstand von 100 Ohm am Sekundärschenkel eine Impedanz von
1 Ohm auf den Primärschenkeln.
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Um
die Strombelastung des Oszillators zu verringern, weist gemäß 3 die
Schaltung 26 eine Induktionsspule 48 zur Leistungsfaktorkompensation auf.
Der zweckmäßige Induktivitätswert für eine gewünschte Betriebfrequenz
lässt sich
durch Analyse der Schaltungsimpe danz ermitteln. Die Induktivität, bei der
der imaginäre
Term der Schaltungsimpedanz bei Betriebsfrequenz gleich 0 ist, ergibt
dann die erwünschte
Leistungsfaktorkompensation. Bei geeigneter Induktivität kann der
an der Antriebsquelle anliegende kapazitive Strom verringert werden.
Dadurch verringert sich die Belastung der Antriebsquelle.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
dieser Stimulations-Überwachungseinrichtung
weist die Induktionsspule zur Leistungsfaktorkompensation zwar auf,
das Differentialtransformatorsystem kann jedoch auch ohne dieses
Merkmal auskommen. Dies kann zum Beispiel bevorzugt sein, wenn geringe
Kapazitäten
vorliegen oder wenn das System über
einen großen
Frequenzbereich hinweg betrieben werden soll.
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Die
Ausgabe der Differentialtransformatorschaltung
26 folgt
der Amplitude und Phase der Vibrationsgeschwindigkeit bei Änderung
der Antriebsfrequenz und der Ultraschallbelastung des Tropfengenerators.
Ein Vergleich der Ausgabe des Differentialtransformators mit jener
eines Gegentakt-Rückkopplungssystems,
wie es in
US-A-5 384
583 für
denselben Tropfengenerator beschrieben und beansprucht ist, ergibt
bei der Differentialtransformatorschaltung einen um etwa 10 dB höheren Wert
als bei einem Gegentakt-Rückkopplungssystem.
Da die Ausgabe der Differentialtransformatorschaltung von dem allen
Antriebskristallen zugeführten
Strom abgeleitet wird, wird die Erfassung von Resonanzen, die entlang
der Anordnung nicht gleichmäßig auftreten,
tendenziell unterdrückt.
Verstärkungs-
und Phasenkurven zeigen daher, dass der Differentialtransformator
die Erfassung von Fremdschwingungen erfolgreicher unterdrücken kann
als bekannte Gegentakt-Rückkopplungssysteme.
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Der
von der Differentialtransformatorschaltung gemäß 3 gelieferte
Ausgangswert folgt der Geschwindigkeit am piezoelektrischen Wandler. Nach
Bedarf kann die Schaltung auch der Bewegungsstrecke folgen. Dies
kann dadurch erreicht werden, dass man den Widerstand 46 am
Sekundärschenkel
des Transformators – siehe 3 – durch einen
Kondensator 48 – siehe 4 – ersetzt.
Diese Schaltung 28 erzeugt dann eine Phasenverschiebung
um 90° zwischen
dem Antriebssignal und dem Rückkopplungssignal
bei der mechanischen Resonanz des Wandlers. Die Schaltung gemäß 3 erzeugt
andererseits eine Phasenverschiebung um 0° zwischen dem Antriebssignal
und dem Rückkopplungssignal
bei der mechanischen Resonanz des Wandlers. Die Wahl zwischen diesen
beiden Schaltungen ist abhängig
vom Aufbau der Steuerschaltung, die die Ausgabe dieser Schwingungsüberwachungsschaltung
verwendet.
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Bei
manchen Anwendungen ist es aus Gründen der Aufnahme von Fremdspannungen
wünschenswert,
eine symmetrierte Ausgabe der Überwachungsschaltung
zu erhalten. Eine solche um die Erdung symmetrierte Gegentakt-Ausführungsform 50 ist
in 5 dargestellt.
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Die
dargestellten Schwingungsüberwachungsschaltungen
arbeiten vor allem mit Kondensatoren, die der geklemmten Kapazität des piezoelektrischen
Wandlers zugeordnet sind. In 6 ist eine andere
Ausführungsform
dargestellt, bei der das Windungsverhältnis der beiden Primärschenkel
nicht mehr eins zu eins gleich ist. Dadurch wird es möglich, die
Kapazität
des zugehörigen
Kondensators durch das Primär-Windungsverhältnis entsprechend
der geklemmten Kapazität
des piezoelektrischen Wandlers zu skalieren. Dies kann sinnvoll
sein, um kleinere, zweckmäßigere zugehörige Kondensatoren
verwenden zu können.
Der geringere Strombedarf der Transformatorschaltung kann auch dazu
führen, dass
die Induktionsspule 48 zur Leistungsfaktorkompensation
weniger oder gar nicht mehr notwendig ist.
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Das
Konzept der Transformatorschaltungen, insbesondere der hier dargestellten
Differentialtransformatorschaltungen, eignet sich besonders für die Überwachung
der Schwingungsamplitude bei Tropfengeneratoren für kontinuierlich
arbeitende Tintenstrahldrucker. Die hier beschriebenen Schaltungen sind
jedoch auch für
die Überwachung
der Schwingungsamplitude zahlreicher anderer piezoelektrisch angetriebener
Schwingungssysteme nützlich.
Dazu gehören
unter anderem Ultraschall-Schweißgeräte und Ultraschall-Reinigungsgeräte. Bei
diesen beiden Anwendungen kann die Schaltung jene Amplituden- und
Phaseninformation liefern, die für
das Aufschalten der Antriebsfrequenz auf die Resonanz und für die Servosteuerung
der Schwungsamplitude wünschenswert
ist. Allgemein wird diese Schwingungsüberwachungsschaltung bei Anwendungen,
bei denen bei Erzeugung einer Schwingung den piezoelektrischen Wandlern
große
Strommengen zugeführt
werden, gegenüber
den bekannten Schaltungen bevorzugt. Ferner ist sie dann bevorzugt,
wenn es nicht wünschenswert
oder nicht möglich
ist, die Überwachungsschaltung
auf der Erdungsseite des Wandlers zwischenzuschalten.