PL101739B1 - Transmitter for impulse excitation of resonators,in particular ultrasonic transducers - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest uklad nadajnika impulsowego pobudzania rezonatorów, zwlaszcza przetworników ultradzwiekowych.

Stan techniki. Stosowane aktualnie nadajniki tego typu wykorzystuja rozwiazania tyrystorowych ukladów kluczujacych, w których element pojemnosciowy rozladowuje sie w czasie aktywnej pracy przez tyrystor kluczujacy i pobudza do drgan wlasnych przetwornik.

Jak wykazuje praktyka dzialanie nadajnika jest wówczas efektywne, jesli ladunek elementu pojemnosciowego przeplynie do elektrod przetwornika w czasie i\ odpowiednio krótkim, tj. r< l T gdzie T- okres mechanicznych drgan wlasnych przetwornika Niespelnienie w/w warunku w znanych ukladach nadajników oznacza zbyt mala amplitude drgan wlasnych przetwornika spowodowana zbyt krótkim czasem jego ladowania do maksymalnie duzego napiecia w ciagu cwiartki okresu drgan.

Typowy uklad nadajnika zawiera zwykle tyrystor kluczowany z zewnetrznego generatora dodatnich impulsów, na przyklad prostokatnych, polaczonego z bramka tyrystora. Rezonator dolaczony do masy ukladu jest polaczony ze zródlem zasilania za posrednictwem kondensatora i rezystora zasilania. Podczas pasywnej pracy ukladu kondensator ten laduje sie przez rezystor zasilania i element rezystancyjny, lub indukcyjny polaczony równolegle z rezonatorem. W czasie aktywnej pracy ukladu rozladowuje sie on przez tyrystor, pobudzajac rezonator do drgan wlasnych. Wada tak rozwiazanych ukladów jest zbyt dlugi czas -wlaczania tyrystora, przy czym okres mechanicznych drgan wlasnych przetwornika jest równy okresowi drgan wlasnych obwodu rezonansowego utworzonego z indukcyjnosci i sumy pojemnosci przetwornika oraz kondensatora.

Dodatkowym ograniczeniem stosowania znanych nadajników jest trudnosc uzyskania maksymalnie duzej2 101 739 wartosci szczytowej pradu plynacego przez przetwornik, który winien byc tym wiekszy, im wyzsza jest czestotliwosc drgan wlasnych przetwornika Zadaniem wynalazku jest opracowanie takiego ukladu, który posiadalby wlasciwosc jak najszybszego wlaczania, a tym samym skrócenie czasu narastania pradu plynacego przez przetwornik.

Istota wynalazku. Zadanie zostalo rozwiazane przez wlaczenie tyrystora kluczowanego pomiedzy anoda tyrystora kluczujacego i rezystorem zródla zasilania w tyrystorowym zespole kluczujacym nadajnika. Miedzy bramka i masa wlaczonego tyrystora kluczowanego dolaczony jest pierwszy element pojemnosciowy, a miedzy katoda i masa drugi element pojemnosciowy polaczony równolegle z tyrystorem kluczujacym. Stosunek pojemnosci obydwu elementów pojemnosciowych jest tak dobrany, aby potencjal pierwszego elementu zanikal pózniej niz potencjal drugiego elementu, ladowanego ze zródla zasilania w czasie pasywnej pracy ukladu przez dzielnik rezystancyjny.

W innym rozwiazaniu nadajnika pomiedzy katoda tyrystora kluczowanego i anoda tyrystora kluczujacego jest szeregowo wlaczony sprzegajacy element pojemnosciowy polaczony z masa ukladu poprzez rezystor dodatkowy, a anoda tyrystora kluczujacego jest dolaczona bezposrednio do zródla zasilania poprzez drugi rezystorzasilania. ' Nadajniki wykonane zgodnie z wynalazkiem sa przystosowane do pobudzania rezonatorów o wysokiej czestotliwosci drgan wlasnych, skracajac wydatnie czas pelnego ladowania pojemnosci przetwornika, co umozliwia uzyskanie pelnej amplitudy tych drgan.

Objasnienie rysunku. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uproszczony schemat ukladu polaczen jednego z wykonan wynalazku, a fig. 2 przyklad innego rozwiazania nadajnika.

Przyklad wykonania. Jak to ilustruje fig. 1 nadajnik zawiera konwencjonalny zespól z tyrystorem kluczujacym T i sterowanym napieciowo z zewnetrznego generatora impulsów dodatnich, nie pokazanego na rysunku.

Przetwornik ultradzwiekowy 1 jest polaczony z kondensatorem 2 ladowanym ze zródla zasilania Uo w czasie pasywnej pracy ukladu poprzez polaczony równolegle z przetwornikiem element indukcyjny 3 lub rezystancyjny 4 i rezystor zasilania 5 polaczony bezposrednio ze zródlem.

W czasie aktywnej pracy ukladu kondensator 2 rozladowuje sie przez przetwornik 1, tyrystor kluczujacy T1 polaczony katoda z masa ukladu i zespól dodatkowy nadajnika rozwiazany zgodnie z wynalazkiem .

Uklad wyzej omówiony zostal rozbudowany poprzez wlaczenie pomiedzy anoda tyrystora kluczujacego Tl i rezystorem zasilania 5 tyrystora kluczowanego T2. Miedzy bramka tego tyrystora T2 i masa jest wlaczony pierwszy element pojemnosciowy 6, a pomiedzy katoda i masa drugi element pojemnosciowy 7 polaczony równolegle z tyrystorem kluczujacym T1 i ladowany w czasie pasywnej pracy ukladu ze zródla zasilania Uo poprzez dzielnik rezystancyjny utworzony z rezystorów 8, 9, 5. Rezystory 10 i 11 stanowia konwencjonalne polaczenie bramek tyrystorów z ich katodami.

Dzialanie wyzej opisanego nadajnika jest nastepujace. W poczatkowym stanie pracy zostaje wlaczony tyrystor kluczujacy T1 przez pobudzenie jego bramki napieciowym impulsem dodatnim z generatora sygnalów prostokatnych. W miare narastania pradu w tym tyrystorze coraz szybciej maleje napiecie na drugim elemencie pojemnosciowym 7. Bramka tyrystora kluczowanego T2 jest zablokowana do masy poprzez pierwszy element pojemnosciowy 6. W tej sytuacji nastepuje odpowiednio szybki wzrost napiecia pomiedzy bramka i katoda tyrystora kluczowanego T2, który w poczatkowym stanie pracy nie byl wlaczony. Tym samym potencjal na bramce tyrystora T2 jest staly do chwili, dopóki nie nastapi obnizenie potencjalu katody wzgledem jej ' potencjalu poczatkowego, co powoduje przeplyw pradu w obwodzie bramka — katoda tyrystora T2. W tym momencie rozpoczyna sie cykl szybkiego zaplonu tyrystora kluczowanego T2 spowodowany zarówno gwaltownym wzrostem napiecia miedzy bramka i katoda, jak równiez bardzo duzym pradem rozladowania elementu pojemnosciowego, plynacym w obwodzie bramka - katoda tyrystora T2.

Wlaczenie tyrystora kluczowanego T2 umozliwia przejscie ukladu nadajnika w stan aktywny, w którym kondensator 2 rozladowuje sie bardzo szybko, duzym pradem poprzez obydwa tyrystory Tl i T2, pobudzajac do drgan przetworniki. W celu uzyskania lawinowego zaplonu tyrystora kluczowanego T2 z jednoczesnym wzrostem pradu bramki, skracajacym czas pelnego wlaczenia, dobiera sie pierwszy i drugi element pojemnosciowy 6 i 7 tak, aby rozladowanie pierwszego z nich nastepowalo wolniej, niz drugiego.

W innym przykladowym rozwiazaniu nadajnika wedlug wynalazku, pokazanym na fig. 2 tyrystory T1 i T2 sa równiez polaczone szeregowo, ale nie galwanicznie, jak to mialo miejsce w ukladzie wedlug fig. 1, lecz za pomoca kondensatora sprzegajacego 12, polaczonego z masa poprzez rezystor dodatkowy 13. Anoda tyrystora kluczujacego T1 jest w tym ukladzie polaczona bezposrednio ze zródlem zasilania Uo poprzez drugi rezystor zasilania 14.101 739 3 Nadajnik ten pracuje w sposób nastepujacy. W stanie poczatkowym, gdy tyrystory Tl i T2 nie przewodza, wówczas zródlo zasilania Uo jest obciazone tylko do chwili calkowitego naladowania kondensatora 2 poprzez rezystor 5 oraz kondensatora sprzegajacego 12 i drugiego elementu pojemnosciowego 7 przez rezystor dodatkowy 14, laczacy anode tyrystora kluczujacego T1 ze zródlem Uo. Po wywolaniu zaplonu tyrystora kluczujacego T1 impulsem zewnetrznym- drugi element pojemnosciowy 7 pelni te sama role jak w ukladzie wedlug fig. 1. W okresie wlaczenia tyrystora T1 kondensator sprzegajacy 12 rozladowuje sie bardzo malym pradem przez ten tyrystor T1 i rezystor dodatkowy 13, przez co potencjal na nim prawie nie ulega zmianie Szybki spadek napiecia na drugim elemencie pojemnosciowym 7 wywoluje obnizenie potencjalu katody tyrystora kluczowanego T2 do wartosci ujemnej przy czym potencjal bramki tego tyrystora opada wolniej, niz potencjal jego katody. Jest to spowodowane, jak w ukladzie wedlug fig. 1, zablokowaniem bramki do masy poprzez pierwszy element pojemnosciowy 6 o pojemnosci odpowiednio dobranej do pojemnosci drugiego elementu 7.

Szybkie wlaczenie tyrystora kluczowanego T2 umozliwia przejscie ukladu w stan aktywny, w którym kondensator 2 i kondensator sprzegajacy 12 rozladowuja sie szybciej niz w ukladzie wedlug fig. 1, duzym pradem przez tyrystory T1 i T2, pobudzajac przetwornik 1 do drgan wlasnych.

Jak wynika z powyzszego opisu czas wlaczenia tyrystora kluczowanego jest tym krótszy, im szybciej narasta w czasie napiecie pomiedzy jego bramka i katoda, a tym samym, im szybciej nastepuje pelne wlaczenie tyrystora kluczujacego Tl. Wlaczenie tego tyrystora mozna jeszcze przyspieszyc stosujac bardzo duzy prad wysterowania jego bramki, na przyklad wykorzystujac szybkie rozladowanie kondensatora przez diode Shockley'a badz przez element czterowarstwowy zrealizowany z dwóch bipolarnych tranzystorów.

Urzadzenia o duzej czestotliwosci repetycji wymagaja zmniejszenia rezystorów 5,8,9r 13 i 14, tym samym w celu podwyzszenia pradów podtrzymywania wymagaja doprowadzenia na bramki tyrystorów nadajnika wedlug wynalazku ujemnego napiecia sterujacego i zwiazanych z tym odpowiednich zmian w ukladzie.

Claims (2)

Zastrzezenia patentowe

1. Nadajnik do impulsowego pobudzania rezonatorów, zwlaszcza przetworników ultradzwiekowych, wyposazony w tyrystorowy zespól kluczujacy, znamienny tym, ze pomiedzy anoda znanego tyrystora kluczujacego (T1) i rezystorem (5) zródla zasilania (Uo) jest wlaczony tyrystor kluczowany (T2), miedzy bramka którego i masa jest dolaczony pierwszy element pojemnosciowy (6) oraz pomiedzy katoda i masa drygi element pojemnosciowy (7) polaczony równolegle z tyrystorem kluczujacym (T1)r przy czym stosunek pojemnosci obydwu elementów pojemnosciowych (8,9) jest tak dobrany, aby potencjal pierwszego elementu (6) zanikal pózniej, niz potencjal drugiego elementu (7), ladowanego ze zródla zasilania (Uo) w czasie pasywnej pracy ukladu przez dzielnik rezystancyjny (8, 9, 5).

2. Nadajnik wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze pomiedzy katoda tyrystora kluczowanego (T2) i anoda tyrystora kluczujacego (T1) jest szeregowo wlaczony sprzegajacy element pojemnosciowy (12) polaczony z masa ukladu poprzez rezystor dodatkowy (13), a anoda tyrystora kluczujacego (T1) jest dolaczona bezposrednio do zródla zasilania poprzez drugi rezystor zasilania (14).101 739 -#—r Uo i" —• *h ó< J f | 5T i t t 9?f7 agi 1—l- ¦ -I 'f-*3 D4 t3Q Ub iT2 t2 Tl B[J j6 11 i ? I I Rg.2 Prac. Poligraf. UP PRL naklad 120 + IR Ona 45 zl