PL214922B1 - Samowzbudny generator wielkiej częstotliwości do przetwornika piezoelektrycznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest samowzbudny generator wielkiej częstotliwości do przetwornika piezoelektrycznego, w szczególności do pobudzania przetwornika stosowanego do rozpylania cieczy.

Do rozpylania wodnych roztworów leków w aparatach inhalacyjnych stosowane są przetworniki piezoceramiczne wytwarzające falę ultradźwiękową o dużym natężeniu. Przetworniki piezoceramiczne są pobudzane do drgań mechanicznych energią wielkiej częstotliwości wytwarzaną przez generatory półprzewodnikowe, zasilane ze źródeł prądu stałego. Proces przetwarzania energii prądu stałego w energię prądu przemiennego powinien być dokonywany z wysoką sprawnością.

W półprzewodnikowych generatorach wielkiej częstotliwości przeznaczonych do pobudzania przetworników piezoceramicznych jako elementy kluczujące stosowane są zarówno tranzystory bipolarne jak i polowe, w wielu różnych konfiguracjach. W patencie USA Nr 4, 359, 697 jest opisany generator w.cz. w konfiguracji Colpitts'a. W układzie według patentu przetwornik piezoceramiczny jest umieszczony pomiędzy bazą i kolektorem tranzystora. Innym znanym i stosowanym generatorem samowzbudnym w.cz. jest generator aperiodyczny pokazany na POS.I. Również w tej konfiguracji tranzystor spełniający rolę elementu kluczującego jest przyłączony do przetwornika piezoceramicznego. Wadą obu przedstawionych i wielu innych znanych i stosowanych konfiguracji generatorów w.cz. jest niska sprawność przetwarzania energii zasilania w energię drgań w.cz. Dla uzyskania wysokiej sprawności przetwarzania niezbędna jest konfiguracja generatora w.cz., która będzie zapewniała optymalne przebiegi elektryczne zarówno dla tranzystora kluczującego jak i dla przetwornika piezoceramicznego. Dla uzyskania małych strat w tranzystorze generatora niezbędne jest, aby kształt impulsu napięcia występującego pomiędzy kolektorem a emiterem tranzystora był zbliżony do kształtu prostokątnego. Współczynnik wypełnienia impulsu występującego pomiędzy kolektorem i emiterem powinien być bliski 50%. Z kolei dla uzyskania dużej sprawności przetwarzania przez przetwornik piezoceramiczny energii elektrycznej w.cz. w energię drgań mechanicznych, napięcie na przetworniku powinno mieć przebieg impulsowy o dużej zawartości drugiej harmonicznej i niewielkiej trzeciej harmonicznej sygnału podstawowego.

W opisanych poprzednio konfiguracjach generatorów w.cz., w których przetwornik piezoceramiczny jest przyłączony bezpośrednio do elektrod tranzystora, kształt napięcia na przetworniku i tranzystorze musi być dobrany kompromisowo. Nieoptymalne kształty napięć na tranzystorze i przetworniku powodują wydzielanie znacznych strat mocy w tranzystorze i niską sprawność przetwarzania przez przetwornik energii elektrycznej w mechaniczną a następnie w akustyczną.

Przedmiotem wynalazku jest samowzbudny generator w.cz. do przetwornika piezoceramicznego stosowanego w urządzeniach terapeutycznych do inhalacji dróg oddechowych, pracujący w układzie aperiodycznym. Elementem czynnym generatora w.cz. według wynalazku jest tranzystor wysokonapięciowy, korzystnie tranzystor bipolarny o dużym współczynniku wzmocnienia prądowego i wysokiej częstotliwości granicznej. Do bazy tranzystora dołączony jest obwód dostarczający prąd stały, którego wartość ustala punkt pracy tranzystora. Do bazy jest również dołączony obwód dostarczający prąd przemienny w.cz., pobierany z kondensatora przyłączonego szeregowo do pierwszej elektrody przetwornika, co warunkuje powstanie procesu oscylacyjnego. Prąd przemienny dostarczony do bazy jest proporcjonalny do wartości międzyszczytowej prądu przetwornika. W obwodzie emitera tranzystora znajduje się cewka i rezystor stabilizujący połączone szeregowo. Napięcie zasilania stałe lub pulsujące z częstotliwością 100 Hz jest przyłączone pomiędzy kolektor tranzystora i masę układu generatora. Równolegle do kolektora i do emitera tranzystora jest przyłączony kondensator. Pomiędzy punktem połączenia kolektora i zacisku zasilania a drugą elektrodą przetwornika piezoceramicznego jest umieszczona cewka separująca obwody tranzystora i przetwornika piezoceramicznego.

Główną zaletą opisanego rozwiązania konfiguracji generatora w.cz. jest oddzielenie cewką separującą obwodu kolektor-emiter tranzystora od obwodu przetwornika, dzięki czemu przebiegi napięć na tranzystorze i przetworniku są różne i optymalne. Przebieg napięcia na tranzystorze jest zbliżony do kształtu prostokątnego, co ogranicza w znaczącym stopniu straty w tranzystorze podczas przełączania ze stanu przewodzenia do stanu nieprzewodzenia i odwrotnie. Umieszczenie w obwodzie emitera tranzystora cewki i rezystora stabilizującego połączonych szeregowo zapewnia stabilizację punktu pracy tranzystora, przy zmianach jego parametrów wywołanych zmianami temperatury.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładzie wykonania na Fig. 1, który przedstawia schemat elektryczny generatora.

PL 214 922 B1

Do jednej z elektrod przetwornika piezoceramicznego 1 dołączony jest kondensator 2, przez który przepływa do emitera tranzystora 5 prąd pobudzający przetwornik 1. Punkt połączenia przetwornika 1 i kondensatora 2 przez kondensator 3 i rezystor 4 jest dołączony do bazy tranzystora 5. Do drugiej z elektrod przetwornika 1 dołączony jest jeden z końców cewki separującej 9. Drugi koniec cewki separującej 9 jest dołączony do kolektora tranzystora 5. Do kolektora i emitera tranzystora jest przyłączony kondensator 6. W obwodzie emitera tranzystora 5 znajdują się połączone szeregowo cewka 7 i rezystor stabilizujący 8. Obwód regulacji prądu polaryzacji wstępnej bazy tranzystora 5 składa się z rezystora 12 i rezystora regulowanego 13. Pomiędzy punktem połączenia rezystorów 12 i 13 a masą układu generatora znajduje się kondensator 14. Baza tranzystora 5 jest oddzielona od obwodu prądu polaryzacji wstępnej przez połączone szeregowo: cewkę 11 i rezystor 10. Generator w.cz. jest zasilany ze źródła zasilania 15. Jako źródło zasilania 15 może być stosowane źródło napięcia stałego lub źródło napięcia pulsującego o częstotliwości pulsacji 100 Hz. Źródło zasilania 15 jest zablokowane kondensatorem blokującym 16.

Rozwiązanie według wynalazku znajduje zastosowanie w generatorach w.cz. przeznaczonych do pobudzania ogniskujących przetworników piezoceramicznych, umieszczonych w komorach rozpraszania aparatów służących do rozpylania cieczy; aparatów do terapii inhalacyjnych oraz aparatów do nawilżania pomieszczeń. Wprowadzenie do układów generatorów w.cz. cewki separującej zapewnia wzrost sprawności generatorów w.cz. z poziomu około 50% do poziomu 80-90%. Wzrost sprawności generatora umożliwia znaczne zmniejszenie radiatora tranzystora. Umieszczenie w obwodzie emitera tranzystora kluczującego rezystora skutkuje wprowadzeniem do układu generatora ujemnego sprzężenia stałoprądowego i zapewnia stabilną pracę generatora w.cz. w szerokim przedziale temperatur.

Claims (2)

1. Samowzbudny generator wielkiej częstotliwości do przetwornika piezoelektrycznego zawierający tranzystor, cewki, kondensatory i rezystory połączone w układ aperiodyczny, znamienny tym, że zawiera cewkę (9), której jeden koniec jest przyłączony do jednej z elektrod przetwornika piezoceramicznego (1) a drugi koniec do punktu połączenia kolektora tranzystora (5), kondensatora (6), kondensatora blokującego (16), rezystora (12) i źródła zasilania (15).

2. Samowzbudny generator wielkiej częstotliwości wg zastrz. 1, znamienny tym, że emiter tranzystora (5) jest połączony z masą generatora przez szeregowo połączone ze sobą cewkę (7) i rezystor stabilizujący (8).