Генератор для ультразвукового преобразователя
Изобретение относится к ультразвуковым устройствам технологического и медицинского назначения, в частности к ультразвуковым генераторам. Достигаемый технический результат - расширение частотных пределов работоспособности. Генератор для ультразвукового преобразователя содержит усилитель мощности, который выполнен с возможностью работы в ключевом режиме и нагружен на колебательную систему, выполненную из, по крайней мере, двух связанных контуров, первым из которых является система согласования, а последним - электромеханический контур ультразвукового преобразователя, систему фазовой автоподстройки частоты, которая содержит генератор, управляемый напряжением, фазовый детектор, блок управляющего сигнала, снабженный датчиком технологической частоты, активный фильтр нижней частоты тока, активный фильтр нижней частоты напряжения, датчик тока и датчик напряжения. 1 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к ультразвуковым устройствам технологического и медицинского назначения, в частности к ультразвуковым генераторам малой и средней мощности на интегральных схемах (ИС) и полупроводниковых элементах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Аналогами изобретения служат генераторы для ультразвуковых преобразователей (УП) пьезокерамического (УПП) и магнитострикционного (УПМ) типов, содержащие усилитель мощности (УМ) на транзисторах, выполненный с возможностью работы в ключевом режиме (УМКР). К ним же относятся и генераторы с УМ на тиристорах [1, с.75-90, 109-113]. УМКР выполняют по полумостовой или мостовой схемам, поэтому спектр генерируемых прямоугольных колебаний содержит лишь нечетные гармоники, из которых в УП полезно используется только первая гармоника (ПГ). Генераторы с УМКР обладают весьма высоким электрическим к.п.д. при условиях, что ПГ находится в резонансе с электромеханическим контуром УП (ЭКУП) и поступает на его вход по цепи с наименьшим импедансом, а все высшие гармоники (ВГ) нагружены на цепь с наивысшим импедансом. Для выполнения этих условий применяют так называемую схему согласования (СС) [1, с.98-100], являющуюся фильтром низких частот (ФНЧ) для пропускания ПГ и фильтром пробкой для ВГ. СС выполняют в виде последовательного колебательного контура, который включают на выходе УМКР. При сборке генератора СС настраивают в резонанс с ЭКУП. Техническим результатом для аналогов является высокий электрический к.п.д. Существенными признаками аналогов, общими с признаками изобретения, выступает наличие в генераторе УМКР и СС в виде последовательного контура, связанного с ЭКУП.
Нагружение УП в технологическом процессе неизбежно приводит к неконтролируемому изменению его резонансной частоты (РЧ). Отсюда возникает необходимость в системе автоподстройки частоты (САПЧ). Прототипом изобретения является генератор для УП, содержащий кроме УМКР и СС также и САПЧ, например, УЗГ8-01/22 [1, c.110]. Подробно устройство и действие САПЧ дано в [1, с. 98-100, рис.4-20, а) и б)]. Согласно приведенным данным УМКР нагружен на колебательную систему (КС) из четырех связанных контуров, первым из которых выступает СС, а последним ЭКУП с его элементом связи: пьезокерамическим конденсатором, в случае УПП, и согласующим трансформатором, в случае УПМ. Центральная часть КС состоит из двух параллельных контуров, сложно связанных как общими реактивными элементами, так и по первичной двухсекционной обмотке дифференциального трансформатора (ДТ). К точке соединения секций подключена одна из сильноточных шин выхода УМКР. Управляющий сигнал (УС) снимают со вторичной обмотки ДТ. В прототипе используют известное свойство амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) КС - максимум амплитуды колебаний на ее резонансной частоте (РЧ), в данном случае - амплитуды тока. Все элементы указанных схем подчинены требованию, чтобы при этом УС был равен нулю, что соответствует частоте ПГ УМКР, равной РЧ части КС за вычетом СС. Считают, что эта же частота является РЧ и для ЭКУП. Установление этой РЧ ПГ для УМКР является (наряду с техническим результатом для аналогов - высоким электрическим к.п.д.) техническим результатом для прототипа.
Итак, существенными признаками аналогов и прототипа, общими с существенными признаками изобретения, являются
1. Наличие в генераторе УМКР, нагруженного на КС, состоящую из связанных контуров, первым их которых является СС, а последним ЭКУП.
2. Наличие САПЧ.
Прототипу свойственны следующие недостатки
1. Отмеченная сложная связь контуров КС, в результате чего взаимно вносимые импедансы исключают точную настройку частоты ПГ УМКР на резонанс ЭКУП. Недостаток обусловлен использованием упомянутого свойства АЧХ, положенного в основу действия САПЧ.
2. Подключение САПЧ между СС и остальной частью КС, что приводит при эксплуатации к расстройке резонанса СС. СС утрачивает отмеченные требуемые свойства как ФНЧ, в результате чего существенно уменьшается к.п.д. устройства. В известном виде САПЧ эффективна в узких пределах изменения РЧ ЭКУП, где соблюдается приблизительное равенство для РЧ ЭКУП и СС.
3. Включение САПЧ своей схемой формирования УС в сильноточную цепь генератора исключает применение при этом эффективной фильтрации ПГ. В результате возможен срыв работы САПЧ с переходом на генерацию боковых частот, что отмечено в [1, с.100].
4. Элементная база прототипа несовременна. Наличие индуктивных элементов и ДТ с подбираемыми намоточными данными, трудоемких в исполнении и настройке, уменьшает общую добротность КС, снижает ремонтопригодность устройства и увеличивает стоимость производства.
Общий вывод. В техническом решении, где реализуются преимущества генератора, включающего УМКР, следует в устройстве САПЧ отказаться от использования свойств АЧХ КС и перейти на использование свойств ее фазочастотной характеристики (ФЧХ), при этом применять современную схемотехнику на ИС.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Изобретение направлено на устранение указанных недостатков прототипа, а именно:
1. Расширение частотных пределов работоспособности САПЧ, выражающееся в увеличении диапазона изменения РЧ УП при сохранении свойства экономичности УМКР и ликвидацию возможности срыва работы САПЧ. Это - основной технический результат при реализации изобретения.
2. Улучшение массогабаритных показателей и ремонтопригодности генератора, что представляет сопутствующий технический результат.
Замысел изобретения состоит в отказе от использования свойства АЧХ КС и использовании свойств ее ФЧХ. В данном случае под фазой понимают разность фаз напряжения и тока в КС, детектируемую в точке подключения САПЧ. Известным свойством ФЧХ КС является нулевое значений фазы на РЧ в конкретной точке, свойственной именно этой точке. Сигнал, представляющий функцию от фазы, стремящуюся к постоянной величине при стремлении фазы к нулю, используют как УС. Такую САПЧ называют схемой фазовой автоподстройки частоты (СФАПЧ).
СФАПЧ обладает достоинствами
1. Детектирование фазы не сопровождается внесением дополнительных элементов в силовую цепь генератора, изменяющих частотные свойства КС.
2. Детектирование фазы осуществляется в слаботочной цепи генератора, что позволяет применить эффективную фильтрацию ПГ с помощью активных фильтров нижней частоты (ФНЧ) в виде ИС.
Достоинства СФАПЧ реализуют следующим образом:
1. Упрощают конструкцию КС; КС может представлять лишь два связанных контура, первым из которых выступает СС, последним ЭКУП с его элементом связи, охарактеризованным в разделе “Уровень техники”.
2. Детектируют фазу именно на входе КС с использованием указанной фильтрации.
Замысел обоснован следующим. В результате действия СФАПЧ как отрицательной обратной связи устанавливается частота ПГ УМКР, соответствующая РЧ на входе КС. При этом приведенный ко входу КС импеданс минимален для ПГ и максимален для ВГ, то есть обеспечивается максимум фильтрующей способности КС. Этим достигается сохранение свойства экономичности для УМКР при значительном отклонении РЧ ЭКУП от РЧ СС, взятой, как в прототипе, отдельно. Отсюда видно, что точка подключения СФАПЧ место детектирования фазы, выступает как существенный признак. Наряду с достижением максимальной фильтрующей способности КС минимизируется расстройка ЭКУП. Наш анализ для двухконтурной КС, подтвержденный измерениями, приводит к выражению
где 
- минимальный угол расстройки ЭКУП;
х - остаточное реактивное сопротивление ЭКУП;
r - его активное сопротивление, обусловленное, в основном, технологическими энергозатратами;
- добротность КС, приведенная к контуру СС;
- волновое сопротивление контура СС.
Из первой формулы видно, что даже в случае весьма низкой добротности, когда УП эффективно нагружен на технологический процесс, например 
~5, tg
<0,1, то есть остаточная расстройка ЭКУП мала, УП практически работает на РЧ.
Изложенный замысел позволяет достичь технический результат в части п.1. Существенно, что этот результат превышает сумму положительных эффектов, достигаемых использованием УМКР и САПЧ по отдельности; в прототипе они находятся во взаимообратном отношении.
Замысел реализован в следующем устройстве.
Генератор содержит УМКР и САПЧ. УМКР нагружен на КС из, по крайней мере, двух связанных контуров, первым из которых является СС, а последним ЭКУП. Это признаки - общие с признаками прототипа. Генератор отличается тем, что САПЧ выполнена в виде СФАПЧ и подключена на входе КС.
Характеристика ограничительных признаков устройства дана в разделе “Уровень техники”. Охарактеризуем отличительные признаки.
В соответствии со своей функцией СФАПЧ регулирует частоту ПГ УМКР по принципу отрицательной обратной связи, а именно уменьшает частоту, когда нагрузка УМКР проявляет индуктивный характер, и увеличивает в случае емкостного характера. Нагрузкой в данном случае является КС. Характер нагрузки выявляется в виде знака и величины фазы на входе КС; именно здесь подключена СФАПЧ своими датчиками напряжения и тока. Только такое схемное решение, как показано выше в этом разделе, обеспечивает возможность получения основного технического результата (в части п.1).
СФАПЧ имеет известную структуру (см., например, [2, с.149] и собрана из стандартных элементов на ИС, что обеспечивает получение сопутствующего технического результата (в части п.2). Структура представлена на чертеже, расшифровка обозначений элементов дана в следующем разделе.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертеже приведена структурная схема генератора для УП. Аббревиатура наименований элементов соответствуют принятым в описании. Источники питания, как не упоминаемые в описании, не показаны.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на чертеже, генератор содержит сильноточную цепь, состоящую из УМКР (1) и КС (2). Последняя состоит, по крайней мере, из двух связанных контуров: СС (3) и УП (4) со своим элементом связи, охарактеризованном в разделе “Уровень техники”.
Помимо сильноточной, генератор содержит слаботочную цепь, составляющую СФАПЧ, собранную по известной схеме, подключенную на входе КС (2). Подключение осуществлено с помощью датчиков сигналов напряжения и тока, с возможностью выделения (фильтрации) ПГ из частотного спектра сигналов.
В качестве датчиков применены известные устройства. Датчик сигнала напряжения содержит аттенюатор напряжения (АН) (5), соединенный с активным фильтром нижней частоты сигнала напряжения (ФНЧН) (6). Датчик сигнала тока - трансформатор тока (ТТ) (7), также соединенный с активным фильтром нижней частоты сигнала тока (ФНЧТ) (8). ФНЧН и ФНЧТ собраны по известной схеме [2, с.63] на основе ИС, например, LM1458.
Объектом управления для СФАПЧ выступает УМКР (1). Ко входу управления, например, к базам его коммутирующих элементов, подключен задающий генератор, управляемый напряжением (ГУН) (9).
Применен стандартный ГУН в виде ИС, например ICL8038 [2, с.142-146], подключенный ко входу УМКР выводом прямоугольного напряжения. Ко входу частотной модуляции (ЧМ) ГУН подключен выход блока формирования управляющего сигнала (БУС) (10), имеющий известную структуру с двумя входами, подключенными, соответственно, к выходам датчика технологической частоты (ДТЧ) (11) и фазового детектора (ФД) (12). Применен известный линейный вариант ФД; его входы в виде детекторов пересечения нуля подключены к выходам ФНЧН (6) и ФНЧТ (8). Таким образом замкнута СФАПЧ.
Все перечисленные элементы слаботочной цепи, составляющие СФАПЧ, представляют стандартные устройства на ИС [2, 3] с дополнительным подключением необходимых источников питания и внешних элементов - диодов, конденсаторов и резисторов. Этим обеспечивается достижение сопутствующего технического результата (в части п.2).
Переходим к обоснованию достижения основного технического результата.
В состоянии поставки в генераторе все контуры КС (2), в том числе СС (3) и УП (4), настроены на технологическую частоту (например, 22 кГц). Эта частота задается напряжением на выходе ДТЧ (11). При этом фаза равна нулю и, соответственно, сигнал с выхода ФД (12) также равен нулю. ГУН (9) и вместе с ним УМКР (1) генерируют прямоугольное напряжение с ПГ этой частоты. КС (2) на “холостом ходу” УП (4) характеризуется высокой добротностью , так что внесенный импеданс, приведенный ко входу КС (2), близок к нулю для ПГ и к бесконечности для ВГ. УМКР (1) практически идеально согласован с УП (4) по ПГ, а для ВГ вход КС (2) представляет разомкнутую цепь; токи ВГ отсутствуют и их мощность нигде не выделяется.
Технологическое нагружение УП (4), а также температурные дрейфы вызывают расстройку резонанса УП. По связям контуров расстройка передается на вход КС (2). Это проявляется в отклонении фазы от нуля и изменении импедансов для ПГ и ВГ. Падение напряжения ПГ и появление токов ВГ соответственно вызывает уменьшение мощности, поступающей в УП (4) и выделение мощности ВГ на коллекторах коммутирующих элементов УМКР (1). Эффективность и к.п.д. генератора резко падают. Как обосновано в разделе “Сущность изобретения”, это предотвращается применением СФАПЧ, включенной на входе КС (2). Происходит следующее.
С помощью описанных датчиков сигналов напряжения и тока в структуре линейного ФД (12) производится детектирование фазы ПГ, присвоение ей знаков, противоположных в случаях индуктивного и емкостного характеров входа КС (2), и запоминания наибольшего (по модулю) значения. Детектирование производится непрерывно, через определенный промежуток времени. Затем формируется напряжение, пропорциональное алгебраической разности указанного наибольшего и текущего значений фазы (с их знаками). Этому напряжению присваивается знак, определяемый требованием отрицательности обратной связи СФАПЧ. В таком виде напряжение с выхода ФД (12) вместе с напряжением с ДТЧ (11) поступают на вход БУС (10), где они алгебраически суммируются с образованием УС, управляющего частотой ГУН (9). Следствием наличия отрицательной обратной связи является такое изменение частоты, при котором происходит уменьшение текущей фазы. УС линейно стремится к новой постоянной величине, равной алгебраической сумме напряжения технологической частоты и напряжения, пропорционального отмеченному наибольшему значению фазы. Фаза на входе КС (2) при этой новой частоте ПГ вновь равна нулю. Так производится автоподстройка частоты на резонанс на входе КС с реализацией присущих ему отмеченных положительных моментов, с той оговоркой, что технологическое нагружение УП (4) неизбежно связано с уменьшением добротности КС (2). Это проявляется в конечных величинах расстройки УП (4) и потерь на ВГ в УМКР (1).
Однако в данном случае эти величины в совокупности значительно меньше относительно таковых в прототипе. Имеет место прирост положительных свойств, превышающих простую сумму следствий признаков. Достигается также основной технический результат (в части п.1). А именно благодаря тому, что УС формируют в слаботочной цепи с эффективной фильтрацией сигналов по ПГ, практически снимаются ограничения на диапазон изменения РЧ УП при сохранении свойства экономичности УМКР, а также ликвидируется возможность срыва работы генератора с переходом на какую-либо частоту ВГ или комбинационные частоты.
Стендовые измерения с нагрузкой, эквивалентной УП, на технологической частоте 22 кГц, при колебательной мощности ~ 200 Вт, показали, что при отклонении собственной частоты нагрузки до 30% и уменьшении ее добротности на порядок генерация стабильна, а эффективность передачи активной мощности в нагрузку и электрический к.п.д. генератора практически не снижаются.
Генератор успешно применен для УПП и УПМ в медицинской технике для ультразвукового хирургического инструмента, и в технологии - в ваннах ультразвуковой очистки и устройствах поверхностной обработки изделий. Во всех указанных случаях изобретение обеспечило достижение высокой экономичности и надежности генератора.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Донской А.В., Келлер O.K., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнологические установки. - Энергоиздат, 1982.
2. Уитсон Дж. 500 практических схем на ИС. - М.: Мир, 1992.
3. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоиздат, 1988.
Формула изобретения
Генератор для ультразвукового преобразователя с фазовой автоподстройкой частоты, содержащий усилитель мощности, который выполнен с возможностью работы в ключевом режиме и нагружен сильноточной цепью на колебательную систему, выполненную из, по крайней мере, двух связанных контуров, первым из которых является система согласования, а последним - электромеханический контур ультразвукового преобразователя, при этом система фазовой автоподстройки частоты содержит генератор, управляемый напряжением, вывод прямоугольного напряжения которого подключен ко входу усилителя мощности, а его вход модуляции частоты подключен к фазовому детектору через блок управляющего сигнала, снабженного датчиком технологической частоты, отличающийся тем, что на входах фазового детектора дополнительно включены активные фильтры нижней частоты тока и напряжения, своими входами подключенные к соответствующим датчикам тока и напряжения, включенным в сильноточную цепь, при этом датчик напряжения включен на входе указанных связанных контуров.
РИСУНКИРисунок 1
MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 18.12.2010
Дата публикации: 10.12.2011
