EP3071339A1 - Einrichtung zur ultraschallreinigung - Google Patents

Einrichtung zur ultraschallreinigung

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Publication number
EP3071339A1
EP3071339A1 EP14837096.8A EP14837096A EP3071339A1 EP 3071339 A1 EP3071339 A1 EP 3071339A1 EP 14837096 A EP14837096 A EP 14837096A EP 3071339 A1 EP3071339 A1 EP 3071339A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
series
mos
actuators
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14837096.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felipe W. Messerli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Moreira Petri Martins Luciene
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3071339A1 publication Critical patent/EP3071339A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/71—Cleaning in a tank

Definitions

  • the present invention relates to a device for ultrasonic cleaning with at least one actuator which is associated with a basin for receiving the objects to be cleaned, and with a control device for the control of the actuator.
  • FIG. 1 This device comprises a basin 1 in which the objects to be cleaned, for example made of a semiconductor material, can be located.
  • This basin 1 is filled during operation of the device with a cleaning liquid in which the objects to be cleaned are immersed. Ultrasonic vibrations are introduced into the cleaning fluid with the aid of a transducer 2, which is assigned to the outside of the pelvic floor 4.
  • the transducer 2 may be arranged on a swing plate 3, for example made of metal, or directly on the pelvic floor 4.
  • One of the large surfaces of the vibrating plate 3 is assigned to the outside of the pelvic floor 4 in such a manner that the ultrasonic vibrations are transmitted from the vibrating plate 3 in the basin bow 4 as effectively as possible.
  • the pelvic floor 4 then passes its vibration to the cleaning fluid.
  • the ultrasonic vibration propagates in the liquid as a wave. Upon impact with the cleaning parts, this wave causes cavitation in the parts.
  • Piezo elements 7, 8 and 9 of the transducer 2 which are electrically connected to a control unit 10 by means of conductors 6, are glued to the large area of the oscillating plate 3 facing away from the basin bottom.
  • the transducers 2 can also be arranged on or in the basin walls.
  • a transducer 2 consist of one or more piezoceramic actuators 7, 8 and 9, which are assembled and arranged in a suitable form. These actuators 7, 8 and 9 have disk-shaped or plate-shaped piezoceramic bodies with metallized surfaces. These surfaces serve as electrodes for the electrical excitation of a vibration in the ceramic body. The mechanical structure of the actuators determines the vibration modes and the vibration amplitudes of the actuators. In these actuators 7, 8 and 9 occur more or less pronounced resonances.
  • piezoelectric actuators represent capacitive loads in their entirety. Only in the area of the resonance points do they exhibit ohmic and inductive impedance behavior. As a result, the power electronics 10 for controlling the transducers 2 must be designed primarily for the high capacitive reactive currents. This was hardly possible until now.
  • the object of the present invention is to carry out the device of the type mentioned at the beginning in such a way that it does not have the mentioned disadvantage as well as other disadvantages of the prior art.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement with the aid of which the losses which occur during the direct switching of capacitive loads can be avoided
  • FIG. 3 shows a further circuit arrangement with the aid of which the losses which occur during direct switching of capacitive loads can be avoided .
  • FIG 6 shows the block diagram of an ultrasound generator which can be advantageously used in the present device.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement or a control device 10 which can be used to drive actuators 7, 8 and 9 of the transducer 2.
  • This control device 0 has a supply device 15, which supplies the present circuit arrangement with electrical energy from the network.
  • a first circuit 16 of the control device 10 is connected, which consists of two capacitors 17 and 18 connected in series.
  • a second circuit 20 is also connected.
  • This second circle 20 is composed of two branches 21 and 22, which are connected in series.
  • There is a base conductor 23 is provided, which connects the individual parts of this circuit arrangement together.
  • the first branch 21 of the second circuit 20 has two series-connected MOS-FET transistors 24 and 25 and a diode 26.
  • the second branch 22 of the second circle 20 has two series-connected MOS-FET transistors 27 and 28 and a diode 29 on. Between the branches 21 and 22 there is a center point 30. Each of these diodes 26 and 29 is connected directly to the center 30. The diodes are polarized the same way. There is also a center point 31 between the capacitors 17 and 18 of the first circuit 16 connected in series. Another capacitor 32 connects the centers 30 and 31 in the circuits 16 and 20.
  • a further center point 33 exists between the series-connected MOSFET transistors 24 and 25 of the first branch 21.
  • An even further center point 34 exists between the series-connected MOS-FET transistors 24 27 and 28 of the second branch 22.
  • These second or inner midpoints 33 and 34 are interconnected by a conductor 35.
  • a series connection 36 which consists of an inductance 37 and of at least one of the actuators 7, 8 and 9, is connected to this connection conductor 35.
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement or a control device 10, which can likewise be used to control the actuators 7, 8 and 9.
  • This circuit arrangement has a voltage source 45.
  • a third circle 46 is connected.
  • This third circuit 46 consists of a first MOS-FET transistor 47 and a second MOS-FET transistor 48.
  • a fourth circuit 50 is connected, which consists of a first capacitor 51 and a second capacitor 52, which in series are switched. Between the MOSFET transistors 46 and 47 there is a midpoint 49. Between the capacitors 51 and 52 there is also a midpoint 53. At these midpoints 49 and 53, the leads of the primary winding of a transformer 60 are connected.
  • the secondary winding 62 of the transformer 60 has a first connection conductor 58 and a second connection conductor 59.
  • a fifth circuit 63 of the tax "ervoruze 0 is connected to the secondary winding 62 of transformer 60.
  • This circuit includes a MOS-FET transistor 64 and a diode 65 which are connected in series.
  • This circuit 66 also has a MOS-FET transistor 67 and also a diode 68, which are also connected in series.
  • the fifth circle 63 is oriented so that the diode 65 is connected to the first terminal conductor 58 of the secondary winding 62, and that the MOS-FET transistor 64 is connected to the second terminal conductor 59 of the secondary winding 62.
  • the sixth circle 66 is connected to the leads 58 and 59 in reverse order. This means that the diode 68 is connected to the second connecting conductor 59 of the secondary winding 62, and that the MOS-FET transistor 67 is connected to the first terminal conductor 58 of the secondary winding 62.
  • the inductance 37 is connected upstream of the actuators 7, 8 and 9. This serial circuit is connected between the terminals 58 and 59 of the secondary winding 62 of the transformer 60.
  • piezoceramic actuators are primarily capacitive loads. Only in the area of the resonance points is ohmic and inductive impedance behavior detectable. Capacitive loads are rather unsuitable for switching operation, because high switching peaks of the current result and because this in turn causes high losses in the semiconductor switches. It is therefore desirable ohmic and inductive behavior of the load. By choosing an adapted inductance in series with the actuator, the desired ohmic or inductive impedance behavior can be set in the range of the resonance frequency.
  • the series inductance is usually realized in the current transformer as leakage inductance in today's ultrasonic generators.
  • galvanic isolation is usually required between the bath and the network, and it is also achieved by means of the output transformer.
  • Broadband transducers have a number of low resonance points, with the bandwidth being tens of percent around the center frequency. Wideband transducers also provide high capacitive loads. Impedance matching, as described above, is not possible for large desired bandwidths. Consequently, the actuation of the actuators must be designed for high capacitive Blinströme. This requires a novel circuit and control concept.
  • Such multi-level topologies provide the necessary freedom for the reduction of losses in the semiconductor elements.
  • Today's ultrasonic generators with high continuous power are built almost exclusively with resonance transducers.
  • the desired inductive impedance behavior can normally be set by means of the drive frequency.
  • the power electronics for the actuator control must be designed primarily for the high capacitive reactive currents. This requires a different circuit and control concept.
  • the series inductance is usually realized as leakage inductance in today's ultrasonic generators in the output transformer.
  • a galvanic separation is always required for safety reasons between the cleaning bath and the network and it is also achieved by means of the output transformer.
  • the resonant circuit consists of the series inductance 37 and the connection capacities of the actuators 7, 8 and 9.
  • a transformerless power output stage with a suitable topology and with a suitable pulse pattern allows fast and low-loss transfer of the load capacity 7, 8 and 9.
  • the two-level Topology half-bridge circuit
  • a full bridge circuit with a transformer and with galvanic isolation has high additional losses in the transformer as a result of the high charge transfer currents, to be precise in addition to the excessive leakage inductance.
  • Multi-level topologies provide the necessary scope for reducing semiconductor losses. The three level topology was chosen in this case because it represents a good compromise between component cost and loss. The developed topology allows the component optimization for the rapid transfer of the connection capacity of the actuators with high current.
  • FIG. 4 shows pulse patterns without precharge with which the circuit arrangements according to FIGS. 2 and 3 can be controlled.
  • Fig. 5 shows pulse patterns with precharge, with which the circuit arrangements according to FIGS. 2 and 3 can also be controlled.
  • the series of pulses designated Q1 relates to the operation of the first transistor 24 in the first branch 21 of the second circuit 20 of the control device or the control unit 10.
  • the pulse series designated Q2 relates to the operation of the second transistor 25 in the same branch 21 of the control unit 10.
  • Die mit Q3 designated pulse series relates to the operation of the third transistor 27 in the second branch 22 of the control unit 10.
  • the pulse train labeled Q4 refers to the operation of the fourth transistor 28 in the same branch 22 of the control unit 10th
  • the Umladeströme corresponding to Q2 flow through the second transistor 25 in the branch 21 of the control unit 10.
  • the Umladeströme corresponding to Q3 flow through the third transistor 27 in the branch 22 of the control unit 10.
  • the Umladeströme are semi-sinusoidal and dependent on the load capacity C 0 and of the Series inductance I- ⁇ ⁇ ,.
  • this power electronics can continuously generate ultrasound of variable frequency and variable amplitude. This facilitates and allows the use of this device in all areas of ultrasonic cleaning. Furthermore, this embodiment of the present device enables a broadband power amplifier design for high capacitive reactive currents. An individual adaptation to the number of transducers and the frequency is no longer necessary. For each generator type, at least one frequency range of 1: 3 is covered in a capacity range of 1: 4.
  • the drive is selected such that the charge transfer currents of the load capacitance flow through the transistor 25 or through the transistor 27. They are semi-sinusoidal, depending on the load capacitance C 0 , the series inductance 24 and 28 primarily carry the active current, which generates the desired ultrasonic oscillation in the transducer. Controlling the pulse pattern of Q2 and Q3 sets the point of minimum switching losses, reduces harmonics, and eliminates the resonant frequency of the series circuit. The pulse pattern with or without precharge results depending on the working frequency and the goal of loss minimization. The pulse pattern of the control is regulated.
  • Fig. 6 shows the block diagram of the driver 10 of the present device.
  • the operating unit BG controls and monitors the function of one to several ultrasound generators USG.
  • the electronics can be operated, programmed and the results can be displayed via a tactile display on the BG control unit. Interfaces to higher-level systems are provided.
  • DC / DC which ensures the galvanic separation from network to transducer and bath, the amplitude of the final stage supply and thus the amplitude of the oscillation at the transducer is controlled.
  • the final stage PA has the described topology and it is transformerless.
  • the microcontroller controls and monitors the generator and, in conjunction with the EPLD, generates the operating frequency and the pulse pattern for the final stage PA.
  • the high-resolution frequency generation by means of PLL allows the setting of the optimum operating point even with narrow-band resonance transducers.
  • phase-synchronous operation of generators allows simple parallel connection and thus also the power increase.
  • the phase-synchronous operation and the array arrangement of the transducers allow the ultrasonic beam alignment and thus also an effective treatment of the material.
  • the amplitude of the final stage supply can also be regulated.
  • the microcontroller and the EPLD the operating frequency and the pulse pattern for the output stage PA are generated.
  • the significant technical advance is that the power electronics can continuously produce ultrasound of variable frequency and variable amplitude. This facilitates and permits use in all areas of ultrasonic cleaning. Compared to the state of the art in ultrasonic cleaning, the following innovations have been implemented:
  • the circuit topology is designed and optimized for minimum losses at the specified capacitive loads.
  • the regulation of the pulse pattern of the control takes place according to an algorithm for the determination of the minimum value of the power and is thus novel for the field of ultrasonic cleaning.
  • the amplitude of the oscillation must be adjusted in broadband transducers by a power supply of the variable voltage power amplifier. (In principle, the oscillation amplitude could also be set by changing the pulse pattern, but this would lead to high switching losses in the semiconductors of the output stage.)
  • PLL Phase Locked Loop
  • the maximum amplitude operating point in a given frequency range is searched for and held.
  • the Power at this operating point is then regulated by the supply voltage of the output stage.

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Abstract

Die Einrichtung zur Ultraschallreinigung hat zumindest einen Aktuator (7), welcher einem Becken (1) für die Aufnahme der zu reinigenden Gegenstände zugeordnet ist. Die Einrichtung hat auch ein Steuergerät (10) für die Ansteuerung des Aktuators. Das Steuergerät (10) ist so ausgeführt, dass es Schwingungen variabler Frequenz innerhalb einer grossen Bandbreite bei variabler Spannungsamplitude für verschiedene Frequenzen durch Antriebsspannungen sowie durch die Kombination von Elektroden an den Aktuatoren eines Transducers (2) liefern kann.

Description

Einrichtung zur Ultraschallreinigung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ultraschallreinigung mit zumindest einem Aktuator, welcher einem Becken für die Aufnahme der zu reinigenden Gegenstände zugeordnet ist, und mit einem Steuergerät für die An- steuerung des Aktuators.
Solche Einrichtungen sind bereits bekannt. Eine dieser Einrichtungen ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Diese Einrichtung umfasst ein Becken 1 , in welchem sich die zu reinigenden Gegenstände, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial befinden können. Dieses Becken 1 ist während des Betriebes der Einrichtung mit einer Reinigungsflüssigkeit gefüllt, in welcher die zu reinigenden Gegenstände eingetaucht sind. Ultraschallschwingungen werden in die Reini- gungsflüssigkeit mit Hilfe eines Transducers 2 eingeleitet, welcher der Aussen- seite des Beckenbodens 4 zugeordnet ist.
Der Transducer 2 kann auf einer Schwing platte 3, beispielsweise aus Metall, oder direkt auf dem Beckenboden 4 angeordnet sein. Eine der Grossflächen der Schwingplatte 3 ist der Aussenseite des Beckenbodens 4 in einer derartigen Weise zugeordnet, dass die Ultraschallschwingungen von der Schwingplatte 3 in den Beckenbogen 4 möglichst wirkungsvoll übertragen werden. Der Beckenboden 4 gibt seine Schwingung dann weiter an die Reinigungsflüssigkeit. Die Ultraschallschwingung pflanzt sich in der Flüssigkeit als eine Welle fort.. Beim Auftreffen auf die reinigenden Teile verursacht diese Welle Kavitation in den Teilen. Auf der dem Beckenboden abgewandten Grossfläche der Schwingplatte 3 sind Piezoelemente 7, 8 und 9 des Transducers 2 aufgeklebt, die mit einem Steuergerät 10 mittels Leitern 6 elektrisch verbunden sind. Sinngemäss können die Transducer 2 auch an bzw. in den Beckenwänden angeordnet sein.
Als Transducer 2 werden industriell einsetzbare Bauteile bezeichnet, welche Ultraschallschwingungen erzeugen und diese an das Reinigungsmedium abgeben. Ein Transducer 2 bestehen aus einem oder aus mehreren piezokerami- schen Aktuatoren 7, 8 und 9, die in geeigneter Form zusammengebaut und angeordnet sind. Diese Aktuatoren 7, 8 und 9 haben Scheiben- oder plattenförmi- ge Piezokeramikkörper mit metallisierten Oberflächen. Diese Oberflächen dienen als Elektroden für die elektrische Anregung einer Schwingung im Keramikkörper. Der mechanische Aufbau der Aktuatoren bestimmt die Schwingungsmodi und die Schwingungsamplituden der Aktuatoren. In diesen Aktuatoren 7, 8 und 9 treten mehr oder weniger ausgeprägte Resonanzen auf.
Technologisch bedingt, stellen P iezo ke ra m i k-Aktu ato re n gesamthaft kapazitive Lasten dar. Nur im Bereich der Resonanzstellen zeigen sie ohmsches und induktives Impedanzverhalten. Die Leistungselektronik 10 für die Ansteuerung der Transducer 2 muss in Folge dessen primär für die hohen kapazitiven Blindströ- me ausgelegt werden. Dies war bisher kaum möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Einrichtung der eingangs genannten Gattung so auszuführen, dass sie den genannten Nachteil sowie noch weitere Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch eine der vorbekannten Einrichtungen der vorliegenden Gattung,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe die Verluste, welche beim direkten Schalten von kapazitiven Lasten entstehen, vermieden werden können, Fig. 3 eine weitere Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe die Verluste, welche beim direkten Schalten von kapazitiven Lasten entstehen, vermieden werden können,
Fig. 4 Impulsmuster ohne Vorladung, mit welchen die Schaltungsanordnungen gemäss Fig. 2 und 3 angesteuert werden können, Fig. 5 Impulsmuster mit Vorladung, mit welchen die Schaltungsanordnungen gemäss Fig. 2 und 3 angesteuert werden können,
und
Fig. 6 das Blockschaltbild eines Ultraschalgenerators, welcher in der vorliegen- den Einrichtung mit Vorteil verwendbar ist.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung bzw. eine Steuervorrichtung 10, welche zur Ansteuerung von Aktuatoren 7, 8 und 9 des Transducers 2 verwendbar ist. Diese Steuervorrichtung 0 weist ein Speisegerät 15 auf, welches die vorlie- gende Schaltungsanordnung mit elektrischer Energie aus dem Netz versorgt. Parallel zu diesem Speisegerät 15 ist ein erster Kreis 16 der Steuervorrichtung 10 geschaltet, welcher aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren 17 und 18 besteht. Zum Speisegerät 15 parallel ist ausserdem auch ein zweiter Kreis 20 geschaltet. Dieser zweite Kreis 20 setzt sich aus zwei Ästen 21 und 22 zusam- men, welche in Serie geschaltet sind. Es ist ein Grundleiter 23 vorgesehen, welcher die einzelnen Teile dieser Schaltungsanordnung miteinander verbindet.
Der erste Ast 21 des zweiten Kreises 20 weist zwei in Serie geschalteten MOS- FET-Transistoren 24 und 25 sowie eine Diode 26. Der zweite Ast 22 des zwei- ten Kreises 20 weist zwei in Serie geschalteten MOS-FET-Transistoren 27 und 28 sowie eine Diode 29 auf. Zwischen den Ästen 21 und 22 gibt es einen Mittelpunkt 30. Je eine dieser Dioden 26 und 29 ist an den Mittelpunkt 30 unmittelbar angeschlossen. Die Dioden sind gleich polarisiert. Zwischen den in Serie geschalteten Kondensatoren 17 und 18 des ersten Kreises 16 gibt es ebenfalls einen Mittelpunkt 31. Ein weiterer Kondensator 32 verbindet die Mittelpunkte 30 und 31 in den Kreisen 16 und 20.
Einen weiteren Mittelpunkt 33 gibt es zwischen den in Serie geschalteten MOS- FET-Transistoren 24 und 25 des ersten Astes 21 . Einen noch weiteren Mittel- punkt 34 gibt es zwischen den in Serie geschalteten MOS-FET-Transistoren 24 27 und 28 des zweiten Astes 22. Diese zweiten bzw. inneren Mittelpunkte 33 und 34 sind mittels eines Leiters 35 miteinander verbunden. An diesen Verbindungsleiter 35 ist einerends eine Serienschaltung 36 angeschlossen, welche aus einer Induktivität 37 und aus zumindest einem der Aktuatoren 7, 8 bzw. 9 besteht.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung bzw. eine Steuervorrichtung 10, welche zur Ansteuerung der Aktuatoren 7, 8 und 9 ebenfalls verwendbar ist. Diese Schaltungsanordnung weist eine Spannungsquelle 45 auf. An diese ist ein dritter Kreis 46 angeschlossen. Dieser dritte Kreis 46 besteht aus einem ersten MOS-FET-Transistor 47 und einem zweiten MOS-FET-Transistor 48. Parallel dazu ist ein vierter Kreis 50 geschaltet, welcher aus einem ersten Kondensator 51 und aus einem zweiten Kondensator 52 besteht, welche in Serie geschaltet sind. Zwischen den MOS-FET-Transistoren 46 und 47 gibt es einen Mittelpunkt 49. Zwischen den Kondensatoren 51 und 52 gibt es ebenfalls einen Mittelpunkt 53. An diese Mittelpunkte 49 und 53 sind die Anschlussleiter der Primärwicklung eines Transformators 60 angeschlossen.
Die Sekundärwicklung 62 des Transformators 60 weist einen ersten Anschlussleiter 58 und einen zweiten Anschlussleiter 59 auf. Ein fünfter Kreis 63 der Steu- " ervorrichtung 0 ist an die Sekundärwicklung 62 des Transformators 60 angeschlossen. Dieser Kreis umfasst einen MOS-FET-Transistor 64 und eine Diode 65, welche in Serie geschaltet sind. Parallel zu diesem fünften Kreis 63 ist ein sechster Kreis 66 geschaltet. Dieser Kreis 66 weist ebenfalls einen MOS-FET- Transistor 67 und ebenfalls eine Diode 68, welche auch in Serie geschaltet sind.
Der fünfte Kreis 63 ist so orientiert, dass die Diode 65 an den ersten Anschlussleiter 58 der Sekundärwicklung 62 angeschlossen ist, und dass der MOS-FET- Transistor 64 an den zweiten Anschlussleiter 59 der Sekundärwicklung 62 angeschlossen ist. Der sechste Kreis 66 ist an die Anschlussleiter 58 und 59 in umgekehrter Reihenfolge angeschlossen. Dies bedeutet, dass die Diode 68 an den zweiten Anschlussleiter 59 der Sekundärwicklung 62 angeschlossen ist, und dass der MOS-FET-Transistor 67 an den ersten Anschlussleiter 58 der Sekundärwicklung 62 angeschlossen ist. Die Induktivität 37 ist den Aktuatoren 7, 8 und 9 vorgeschaltet. Diese serielle Schaltung ist zwischen den Anschlüssen 58 und 59 der Sekundärwicklung 62 des Transformators 60 geschaltet.
Elektrisch betrachtet, stellen Piezokeramik-Aktuatoren primär kapazitive Lasten dar. Nur im Bereich de Resonanzstellen ist ohmsches und induktives Impedanzverhalten feststellbar. Kapazitive Lasten sind für den Schaltbetrieb eher ungeeignet, weil hohe Umschaltspitzen des Stromes resultieren und weil dies wiederum hohe Verluste in den Halbleiterschaltern verursacht. Es wird deshalb ohmsches und induktives Verhalten der Last angestrebt. Durch die Wahl einer angepassten Induktivität in Serie zu dem Aktuator, kann das gewünschte ohm- sche oder induktive Impedanzverhalten im Bereich der Resonanzfrequenz eingestellt werden.
Wir sprechen hier vom Schmalbandbetrieb, wobei die Bandbreite im Prozentbereich um die Resonanzfrequenz liegt. Die Serie-Induktivität wird bei den heutigen Ultraschallgeneratoren üblicherweise im Ausgangsübertrager als Streuinduktivität realisiert. Eine galvanische Trennung ist aus Sicherheitsgründen zwi- sehen Bad und Netzt in der Regel erforderlich, und sie wird ebenfalls mittels des Ausgangsübertragers erreicht.
Breitband-Transducer weisen eine Reihe wenig ausgeprägten Resonanzstellen auf, wobei die Bandbreite einige zehn Prozent um die Mittelfrequenz beträgt. Breitband-Transducer stellen ebenfalls hohe kapazitive Lasten dar. Eine Impedanzanpassung, wie diese oben beschrieben ist, ist für grosse gewünschte Bandbreite nicht möglich. Demzufolge muss die Ansteuerung der Aktuatoren für hohe kapazitiven Blinströme ausgelegt sein. Dies verlangt ein neuartiges Schal- tungs- und Ansteuerungskonzept.
Das harte Schalten einer kapazitiven Last verursacht in den Halbleiterschaltern 24, 25, 28 und 29 normalerweise hohe Verluste. Mit den nicht vermeidbaren Streuinduktivitäten der Zuleitungen 6 von Steuergerät 10 zu den Aktuatoren 7, 8 und 9 bilden sich zudem noch parasitäre Schwingkreise mit hoher Resonanzfrequenz. Diese Schwingkreise erzeugen hohe Strom- und Spannungsamplitu- den bei Ansteuerung im Schaltbetrieb. Solche Strom- und Spannungsamplituden können bis zur Zerstörung der Bauteile führen. Ferner werden unerwünschte EMV-Störungen verursacht. Deshalb ist es erforderlich, dass die Induktivität 37 in Serie mit den Aktuatoren 7, 8 bzw. 9 geschaltet ist. Daraus resultiert ein zusätzlicher definierter Resonanzkreis. Für einen Breitbandbetrieb der Schal- tungsanordnung muss die Resonanz-Frequenz dieses seriellen Schwingkreises oberhalb der höchsten Arbeitsfrequenz der Schaltungsanordnung liegen. Solche Multi-Level-Topologien bieten den notwendigen Freiraum für die Reduktion der Verluste in den Halbleiterelementen. Die heutigen Ultraschallgeneratoren mit hoher Dauerleistung werden praktisch ausschliesslich mit Resonanz-Transducern gebaut. Durch eine passende Wahl des Wertes der Induktivität 37, welche mit den Aktuatoren 7, 8 und 9 in Serie geschaltet ist, kann das gewünschte induktive Impedanzverhalten mittels der Ansteuerfrequenz normalerweise eingestellt werden. Bei Breitband-Aktuatoren ist dies nicht möglich. Demzufolge muss die Leistungselektronik für die Aktuato- ren-Ansteuerung primär für die hohen kapazitiven Blindströme ausgelegt sein. Dies verlangt ein anderes Schaltungs- und Ansteuerkonzept.
Die Serie-Induktivität wird bei den heutigen Ultraschallgeneratoren üblicherwei- se im Ausgangsübertrager als Streuinduktivität realisiert. Eine galvanische Trennung ist aus Sicherheitsgründen zwischen dem Reinigungsbad und dem Netz immer erforderlich und sie wird ebenfalls mittels des Ausgangsübertragers erreicht. Für Breitbandanwendungen bei hohen Frequenzen kommen jedoch nur übertragerlose Endstufenschaltungen in Frage, weil die Streuinduktivität eines Übertragers zu hoch wird. Der Resonanzkreis besteht aus der Serie-Induktivität 37 und der Anschlusskapazitäten der Aktuatoren 7, 8 und 9. Eine übertragerlose Leistungsendstufe mit einer geeigneten Topologie und mit einem geeigneten Pulsmuster erlaubt eine schnelle und verlustarme Umladung der Lastkapazität 7, 8 und 9. Die Two- Level-Topologie (Halbbrückenschaltung) wäre prinzipiell einsetzbar. Sie würde jedoch bei der angestrebten hohen Bandbreite zu hohe Verluste verursachen. Eine Vollbrückenschaltung mit einem Übertrager und mit galvanischer Trennung weist infolge der hohen Umladeströme hohe Zusatzverluste im Übertrager auf, und zwar nebst der zu hohen Streuinduktivität. Multi-Level-Topologien bieten den notwendigen Freiraum für die Reduktion der Halbleiterverluste. Die Three Level Topologie wurde im vorliegenden Fall gewählt, weil sie einen guten Kom- promiss zwischen Bauteilaufwand und Verlusten darstellt. Die entwickelte Topologie erlaubt die Bauteiloptimierung für die schnelle Umladung der Anschlusskapazität der Aktuatoren mit hohem Strom.
Durch die Ansteuerung der Halbleiter 24, 25, 27 und 28 mit geeigneten Pulsmustern wird eine schnelle Umladung der Lastkapazität des Seriekreises 36 bei kleinen Verlusten erreicht. Fig. 4 zeigt Impulsmuster ohne Vorladung, mit welchen die Schaltungsanordnungen gemäss Fig. 2 und 3 angesteuert werden können. Fig. 5 zeigt Impulsmuster mit Vorladung, mit welchen die Schaltungsanordnungen gemäss Fig. 2 und 3 ebenfalls angesteuert werden können. Die mit Q1 bezeichnete Impulsreihe betrifft die Arbeitsweise des ersten Transistors 24 im ersten Ast 21 des zweiten Kreises 20 der Steuervorrichtung bzw. des Steuergerätes 10. Die mit Q2 bezeichnete Impulsreihe betrifft die Arbeitsweise des zweiten Transistors 25 im gleichen Ast 21 des Steuergerätes 10. Die mit Q3 bezeichnete Impulsreihe betrifft die Arbeitsweise des dritten Transistors 27 im zweiten Ast 22 des Steuergerätes 10. Die mit Q4 bezeichnete Impulsreihe betrifft die Arbeitsweise des vierten Transistors 28 im gleichen Ast 22 des Steuergerätes 10.
Diese spezielle Ansteuerung führt zu einem schnellen und verlustarmen Umla- den der Kapazität. Die Umladeströme entsprechend Q2 fliessen durch den zweiten Transistor 25 im Ast 21 des Steuergerätes 10. Die Umladeströme entsprechend Q3 fliessen durch den dritten Transistor 27 im Ast 22 des Steuergerätes 10. Die Umladeströme sind halbsinusförmig und abhängig von der Last- kapazität C0 und von der Serieninduktivität I-.·,. Mit der Regelung der Pulsmuster kann der Punkt minimaler Schaltverluste eingestellt werden. Zudem werden Oberwellen reduziert oder sogar ausgelöscht. Ob das Pulsmuster mit oder ohne Vorladung gewählt wird, dies ergibt sich aus der Arbeitsfrequenz und aus dem Ziel der Verlustminimierung.
Der wesentliche Fortschritt der vorliegenden Einrichtung besteht darin, dass diese Leistungselektronik Ultraschall variabler Frequenz und variabler Amplitude stufenlos erzeugen kann. Dies erleichtert und erlaubt den Einsatz dieser Einrichtung in allen Bereichen der Ultraschallreinigung. Ferner ermöglicht diese Ausführung der vorliegenden Einrichtung ein Breitband-Endstufendesign für hohe kapazitive Blindströme. Eine individuelle Anpassung an die Anzahl der Transducer und die Frequenz ist nicht mehr erforderlich. Pro Generatortyp wird mindestens ein Frequenzbereich von 1 : 3 an ein Kapazitätsbereich von 1 : 4 abgedeckt.
Nur eine optimierte Ansteuerung der Endstufen-Halbleiter führt zu einem schnellen, verlustarmen Umladen der Lastkapazität. Die Ansteuerung ist derart gewählt, dass die Umladeströme der Lastkapazität durch den Transistor 25 beziehungsweise durch den Transistor 27 fliessen. Sie sind halbsinusförmig, ab- hängig von der Lastkapazität C0, der Serieinduktivität 24 und 28 führen primär den Wirkstrom, der die gewünschte Ultraschallschwingung im Transducer erzeugt. Mit der Regelung des Pulsmusters von Q2 und Q3 wird der Punkt minimaler Schaltverluste eingestellt, zudem werden Oberwellen reduziert und die Resonanzfrequenz des Seriekreises ausgelöscht. Das Pulsmuster mit oder oh- ne Vorladung ergibt sich je nach Arbeitsfrequenz und dem Ziel der Verlustminimierung. Das Pulsmuster der Ansteuerung ist geregelt. Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild des Ansteuerungsgerätes 10 der vorliegenden Einrichtung. Das Bediengerät BG steuert und überwacht die Funktion von einem bis mehreren Ultraschallgeneratoren USG. Über ein taktiles Display am Bedien- gerät BG kann die Elektronik bedient, programmiert und die Resultate können angezeigt werden. Schnittstellen zu übergeordneten Systemen sind vorgesehen. Mit einer eigenständigen Speisung DC/DC, welche die galvanische Trennung von Netz zu Transducer und Bad gewährleistet, wird die Amplitude der Endstufenspeisung und damit die Amplitude der Schwingung am Transducer geregelt. Die Endstufe PA hat die beschriebene Topologie und sie ist transformatorlos ausgeführt. Der Mikrokontroller steuert und überwacht den Generator und generiert im Verbund mit dem EPLD die Arbeitsfrequenz und das Pulsmuster für die Endstufe PA. Die hochauflösende Frequenzerzeugung mittel PLL erlaubt die Einstellung des optimalen Betriebspunktes auch bei schmalbandigen Resonanz-Transducern. Diese Frequenzerzeugung erlaubt einen raschen Frequenzwechsel und den Sweep-Modus. Der phasensynchrone Betrieb von Generatoren erlaubt die einfache Parallelschaltung und damit auch die Leistungserhöhung. Der phasen- synchrone Betrieb und der Arrayanordnung der Transducer erlauben die Ultraschall-Strahlausrichtung und damit auch eine wirksame Behandlung des Gutes. Mit der eigenständigen Speisung DC/DC, die auch die galvanische Trennung von Netz zu Transducer und Bad gewährleistet, kann auch die Amplitude der Endstufenspeisung geregelt werden. Mit dem Mikrokontroller und dem EPLD werden die Arbeitsfrequenz und das Pulsmuster für die Endstufe PA generiert.
Der wesentliche technische Fortschritt besteht darin, dass die Leistungselektronik stufenlos Ultraschall variabler Frequenz und variabler Amplitude erzeugen kann. Dies erleichtert und erlaubt den Einsatz in allen Bereichen der Ultraschall- reinigung. Gegenüber dem Stand der Technik in der Ultraschallreinigung sind folgende Innovationen umgesetzt:
- Breitband-Endstufe für hohe kapazitive Blindströme. Eine individuelle Hardware-Anpassung an die Anzahl der Transducer und die Frequenz ist nicht mehr erforderlich. Pro Generatortyp wird mindestens ein Frequenzbereich von 1 : 3 und ein Kapazitätsbereich der Last von 1 : 4 abgedeckt.
- Die Schaltungstopologie ist für minimale Verluste bei den spezifizierten kapazitiven Lasten ausgelegt und optimiert.
- Die Regelung des Pulsmusters der Ansteuerung erfolgt nach einem Algorith- mus für die Minimalwertbestimmung der Leistung und ist insofern für das Gebiet der Ultraschallreinigung neuartig.
- Die Amplitude der Schwingung muss bei Breitband-Transducern durch eine Speisung der Endstufe mit variabler Spannung eingestellt werden. (Die Schwingungsamplitude könnte prinzipiell auch durch eine Änderung des Pulsmusters eingestellt werden. Dies würde aber zu hohen Schaltverlusten in den Halbleitern der Endstufe führen.)
- Die hochauflösende Frequenzerzeugung mittels PLL (Phase Locked Loop) erlaubt die Einstellung des optimalen Betriebspunktes auch bei schmalbandiger Resonanz-Transducern.
- Die Frequenzerzeugung mittels PLL erlaubt rasche Frequenzwechsel und den Sweep-Modus (Frequenzvariation nach bestimmtem Muster).
- Phasensynchroner Betrieb von Generatoren erlaubt die einfache Parallelschaltung von Leistungsendstufen und damit eine Leistungserhöhung.
- Phasensynchroner Betrieb von Generatoren und Arrayanordnung der Trans- ducer erlaubt die Ultraschall-Strahlausrichtung und damit eine wirksamere Behandlung des Gutes.
- Die variable Strahlausrichtung wurde in der Ultraschall-Reinigung bisher nicht angewendet.
- Bei schmalbandiger Resonanz-Transducern wird der Arbeitspunkt maximaler Amplitude in einem gegebenen Frequenzbereich gesucht und gehalten. Die Leistung in diesem Arbeitspunkt wird dann über die Speisespannung der Endstufe geregelt.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Ultraschallreinigung mit zumindest einem Aktuator, welcher einem Becken für die Aufnahme der zu reinigenden Gegenstände zugeordnet ist, und mit einem Steuergerät für die Ansteuerung des Aktuators, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) so ausgeführt ist, dass es Wegamplituden für verschiedene Frequenzen durch Antriebsspannungen sowie durch die Kombination von Elektroden an den Aktuator liefern kann.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät so ausgeführt ist, dass ein Gerätetyp eine variable Anzahl Breitband - oder Schmalband -Transducer in einem grossen Frequenzbereich stufenlos und mit variabler Leistung ansteuern kann.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Breitband- Fähigkeit der Einrichtung durch die genannten Schaltungstopologien unter der Anwendung einer Hochspannung erreicht werden kann, wobei die gewünschte Amplitude für die ausgewählte Frequenz und Leistung innerhalb der Bandbreite der Einrichtung frei wählbar sind und geregelt werden können, und zwar ohne Zählen auf jeder Schwingungsresonanz des Aktuators erreicht werden kann.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein frequenz- und phasensynchroner Betrieb mehrerer Schaltungsanordnungen vorgesehen ist und dass in Verbindung mit einer geeigneten Anordnung der Aktuatoren eine Strahlausrichtung im Bad erreicht werden kann.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (10) ein Speisegerät (15,45) aufweist, welches die vorliegende Schaltungsanordnung mit elektrischer Energie aus dem Netz versorgt.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Speisegerät (15) ein erster Kreis (16) der Steuervorrichtung (17, 18) besteht, dass ein zweiter Kreis (20) zum Speisegerät (15) parallel geschaltet ist, dass dieser zweite Kreis (20) sich aus zwei Ästen (21 , 22)' zusammensetzt, welche in Serie geschaltet sind, und dass ein Grundleiter 23 vorgesehen ist, welcher die einzelnen Teile dieser Schaltungsanordnung miteinander verbindet.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ast (21 ) des zweiten Kreises (20) zwei in Serie geschalteten MOS-FET- Transistoren (24,25) sowie eine Diode (26) aufweist, dass der zweite Ast (22) des zweiten Kreises (20) zwei in Serie geschalteten MOS-FET-Transistoren (27,28) sowie einen Diode (29) aufweist, dass die Dioden (26,29) gleich polarisiert sind, dass zwischen den Ästen (21 ,22) es einen Mittelpunkt (30) gibt, dass es zwischen den in Serie geschalteten Kondensatoren (17,18) des ersten Kreises (16) ebenfalls einen Mittelpunkt (31 ) gibt, und dass ein weiterer Kondensa- tor (32) die genannten Mittelpunkte (30,31) in den Kreisen (16,20) verbindet.
8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es einen weiteren Mittelpunkt (33) zwischen den in Serie geschalteten MOS-FET-Transistoren (24,25) des ersten Astes (21 ) gibt, dass es einen noch weiteren Mittelpunkt (34) zwischen den in Serie geschalteten MOS-FET-Transistoren (27,28) des zweiten Astes (22) gibt, dass diese zweiten bzw. inneren Mittelpunkte (33,34) mittels eines Leiters (35) miteinander verbunden sind, und dass eine Serienschaltung (36) an diesen Verbindungsleiter (35) einerends angeschlossen ist, welche aus einer Induktivität (37) und aus zumindest einem der Aktuatoren (7, 8 bzw. 9) besteht.
9. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Kreis (46) an die Spannungsquelle (45) angeschlossen ist, dass dieser dritte Kreis (46) aus einem ersten MOS-FET-Transistor (47) und einem zweiten MOS-FET- Transistor (48) besteht, dass parallel dazu ein vierter Kreis (50 geschaltet ist, welcher aus einem ersten Kondensator (51 ) und aus einem zweiten Kondensa- tor (52) besteht, die in Serie geschaltet sind, dass es zwischen den MOS-FET- Transistoren (46,47) einen Mittelpunkt (49) gibt, dass es zwischen den Kondensatoren (51 ,52) einen Mittelpunkt (53) ebenfalls gibt, und dass diese Mittelpunkte (49,53) an die Anschlussleiter der Primärwicklung eines Transformators (60) angeschlossen sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünfter Kreis (63) der Steuervorrichtung (10) an die Sekundärwicklung (62) des Transformators (60) angeschlossen ist, dass dieser Kreis einen MOS-FET-Transistor (64) und eine Diode (65) umfasst, welche in Serie geschaltet sind, dass parallel zu diesem fünften Kreis (63) ein sechster Kreis (66) geschaltet ist, dass dieser Kreis (66) ebenfalls einen MOS-FET-Transistor (67) und ebenfalls eine Diode (68) aufweist, welche auch in Serie geschaltet sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der fünfte Kreis (63) so orientiert ist, dass die Diode (65) an den ersten Anschlussleiter (58) der Sekundärwicklung (62) des Transformators (60) angeschlossen ist, dass der MOS-FET-Transistor (64) an den zweiten Anschlussleiter (59) der Sekundärwicklung (62) angeschlossen ist, und dass der sechste Kreis (66) an die Anschlussleiter (58,59) in umgekehrter Reihenfolge angeschlossen sind.
12. Einrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (37) den Aktuatoren (7,8,9) vorgeschaltet ist und dass diese serielle Schaltung zwischen den Anschlüssen (58,59) der Sekundärwicklung (62) des Trans- formators (60) geschaltet ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 1 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Bediengerät (BG) der Ansteuerungsvorrichtung (10) die Funktion von einem bis mehreren Ultraschallgeneratoren (USG) steuern und überwachen kann, dass die Elektro- nik über ein taktiles Display am Bediengerät (BG) bedienbar und programmierbar ist, wobei die erzielten Resultate angezeigt werden können, dass Schnitt- stellen zu übergeordneten Systemen vorgesehen sind, dass eine eigenständigen Speisung (DC/DC) vorgesehen ist, welche die galvanische Trennung von Netz zu den Aktuatoren und Bad gewährleisten kann, womit die Amplitude der Endstufenspeisung und damit die Amplitude der Schwingung am Transducer 2 geregelt werden kann, dass die Endstufe (PA) transformatorlos ist, dass der Mikrokontroller den Generator steuern und überwachten kann und dass er im Verbund mit dem EPLD die Arbeitsfrequenz und das Pulsmuster für die Endstu- fe(PA) generieren kann.
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