DE2916540A1

DE2916540A1 - Elektrische schaltungsanordnung zur ansteuerung eines piezoelektrischen wandlers

Info

Publication number: DE2916540A1
Application number: DE19792916540
Authority: DE
Inventors: Kiyokazu Asai; Akihiro Takeuchi
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1978-04-24
Filing date: 1979-04-24
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB2019696B; DE2916540C2; JPS54140526A; GB2019696A; US4256987A

Description

Elektrische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Wandlers

■Beschreibung:

Die Erfindung betrifft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine elektrische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung und zum Betrieb eines piezoelektrischen Wandlers bei seiner Eigenresonanzfrequenz oder nahe dieser Frequenz, welcher einen Ultraschallwellen-Generator mit dem Piezoelektrischen Wandler als elektromechanisches Wandlerelement enthält.

Da neuerdings Torrichtungen zur Ultraschallwellenerzeugung auf verschiedenen industriellen Einsatzgebieten in großem Umfange Anwendung finden, wurden Entwicklung und Untersuchung der Materialien zur Herstellung elektromechanischer Wandlerelemente und deren Herstellungsverfahren verbessert; als Ergebnis dieser Anstrengungen stehen heute Wandler zur Verfugung, die höhere Wirkungsgrade und Belastbarkeiten mit größeren Schwingamnlituden als bislang verwendete Elemente aufweisen. Im Zuge dieser Entwicklungen wurden die Vorrichtungen zur Ultraschallwellenerzeugung, die im Hinblick auf ihre Festigkeit große Abmessungen aufwiesen, verkleinert und, einhergehend mit dieser Verbesserung, auch die Schwingschaltungen zur Ansteuerung der Vorrichtung zur Ultraschallwellenerzeugung verbessert.

In der Vorrichtung zur Ultraschallwellenerzeugung wurde insbesondere der Oiezoelektrische Wanaler im Hinblick auf kompakte Abmessungen wesentlich verbessert. Wenn jedoch ein korrroakter

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ORIGINAL INSPECTED

piezoelektrischer Wandler dieser Art mittels Ultraschallenergie betrieben wird, beispielsweise im Falle der Nutzung eines solchen Wandlers in einer Vorrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten, besteht die im folgenden beschriebene Schwierigkeit. ^₁

Ein piezoelektrischer Wandler üblicher Bauart kann, wie Pig. 1 zeigt, durch eine äquivalente elektrische Schaltung dargestellt werden. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung enthält eine Kapazität Cd als eine von der Schwingung unabhängige Kapazität, eine Induktivität Lm und eine Kaoazität Cm, welche durch die Dchwingung ües piezoelektrischen wandlers vorgegeben sind und ferner einen Lastwiderstand E, welcher die Verluste im Wandler und dessen mechanischen Schwingungsausgang verkörpert. Die Eigenresonanzfrequenz der äquivalenten elektrischen Schaltung ist diejenige Frequenz, bei welcher der absolute Wert der Reaktanz der Induktivität Lm dem absoluten Wert der Reaktanz der Kapazität Cm gleich ist. Der V/andler weist eine derartige Charakteristik auf, daß beim Anlegen mechanischer Belastung an den bei einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz schwingenden Wandlers die Widerstandskomponente der äquivalenten elektrischen Schaltung sich in der Weise ändert, daß die Widerstandskomponente R mit zunehmender Last ansteigt. Wird ein mit dieser Charakteristik ausgestatteter piezoelektrischer Wandler, welcher bei einer Frequenz gleich seiner Resonanzfrequenz oder nahe dieser Frequenz schwingt, mit

konstanter Spannung angesteuert, vermindert sich mit zunehmender Last die dem Wandler zugeführte elektrische Leistung; das bedeutet, daß sich bei zunehmender Last die Abgabe an mechanischer Schwingleistung vermindert. Diese Charakteristik erweist sich in demjenigen Falle als nachteilig, in dem eine Forderung nach Konstanthaltung der mechanischen'Schwingamplitude unabhängig von der Laständerung besteht. Wenn beispielsweise in einer tlltraschall-Zerstäubungsvorrichtung, welche einen piezoelektrischen Wandler als Ultraschall-Zerstäubungsschwinger benutzt, der Wandler mit konstanter Spannung angesteuert und die Zuführung einer zu zerstäubenden Flüssigkeit zum Schwingungsausgang des mechanischen Schwingers oder zu dessen Schwingfläche stufenweise vergrößert wird, vergrößert sich die Widerstandskomponente R des piezoelektrischen Wandlers, es verringert sich auch die dem Wandler zugeführte elektrische Leistung und es wird folglich die mechanische Schwingamülitude reduziert, die Leistungsfähigkeit gemindert oder es unterbleibt im schlechtesten Fall die Zerstäubung vollständig.

Dieses Phänomen der Nicht-Zerstäubung hängt von der Ausbildung eines dicken Flüssigkeitsfilms auf der Zerstäubungsoberfläche des Schwingers ab und rührt von der Grenzflächenspannung der Flüssigkeit und des Schwingers her. In diesem Falle weist die Last, bezogen auf den Schwinger, eine beträchtliche Größe auf. Ferner ist die Widerstands-

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komponente R in Bezug auf den Anschluß des piezoelektrischen V/analers gleichfalls beträchtlich hoch. Selbst wenn die Zuführung der Flüssigkeit unterbunden wird, verbleibt der dicke Flüssigkeitsfilm in unverändertem Zustand. Dem piezoelektrischen Wandler wird eine elektrische Eingangsleistung, welche zur Zerstäubung der auf diese Weise festgehaltenen Flüssigkeit genügt, nicht zugeführt: die Zerstäubung der Flüssigkeit stellt deshalb eine beträchtliche Schwierigkeit dar. Wird die Zuführung der Flüssigkeit vermindert, verringert sich auch die· Widerstandskomponente und dem piezoelektrischen Wandler wird deshalb eine größere elektrische Leistung zugeführt. Die Amplitude der mechanischen Schwingung des piezoelektrischen Wandlers wächst folglich bis zu einer Größe an, die zur Zerstäubung der Flüssigkeit unnötig ist. In extremen Fällen wurde die Ausbildung von Blasen in der zugeführten Flüssigkeit beobachtet, wodurch die zugeführte Flüssigkeit in direkter Weise versnritzt wurde und die Durchmesser der zerstäubten Partikel vergrößert waren. Die Zerstäubung wird daher nicht in zufriedenstellender Weise ausgeführt. Als weiterer Nachteil erweist sich die Tatsache, daß bei Betrieb des Wandlers der Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung bei seiner Eigenresonanzfrequenz der dem Wandler zugeführte elektrische Strom bei einer plötzlichen Verminderung der Belastung erhöht wird und deshalb der Wandler mit einer abnormal großen Amplitude betrieben wird. Dies kann zu einer mechanischen Zerstörung des Wandlers führen. Die Xnderung der mechanischen Dimensionen des Wandlers mit dem Ziel,

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dessen Festigkeit zu erhöhen, erweist sich als nicht r>raktikabel, da die Notwendigkeit besteht, den Wandler bei seiner Eigenresonanzfrequenz zu betreiben und mit einer 'Änderung der mechanischen Abmessungen zugleich die Schwingungsbedingungen verändert werden. Zur Vermeidung der oben beschriebenen Schwierigkeit und zur Steigerung der Festigkeit des Wandlers ist es aus Festigkeitsgründen deshalb notwendig, zur Herstellung geeignete Materialien zu verwenden. Dies bedeutet die Notwendigkeit, Materialien hoher Festigkeit zum Einsatz zu bringen, wobei jedoch der Freiheitsgrad bei der Auswahl dieser Materialien begrenzt ist. Dies stellt einen weiteren Nachteil dar.

Zur Vermeidung der im Zusammenhang mit Vorrichtungen üblicher Bauart oben angegebenen Nachteile wird ein Verfahren benutzt, nach dem, wie dies Fig. 2 zeigt, ein den niezoelektrischen Wandler antreibender Wechselstrom erfaßt wird, so daß der antreibende Wechselstrom zu jeder Zeit und unabhängig von der Laständerung auf konstanter Größe gehalten wird. Diese Vorrichtung üblicher Bauart enthält eine elektrische G-leichspannungsquelle 1, eine elektrische Quellensteuerschaltung 2, einen Spannungs- und Leistungsverstärker 3 (im weiteren als Leistungsverstärker 3 bezeichnet), einen piezoelektrischen Wandler 4, eine Stromüberwachungsschaltung 5, einen Grleichspannungswandler 6, eine Spannungs-Vergleicherschaltung 7 und schließlich eine Referenzsnannungs-Erzeugerschaltung 8.

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In dieser dem Stana der Technik entsprechenden Vorrichtung wird nach Anlegen einer geeigneten Spannung aus der Gleichspannungsquelle 1 über die Quellensteuerschaltung 2 an dem Leistungsverstärker 3 die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 3 dem piezoelektrischen Wandler 4 zugeführt. Der dem piezoelektrischen Wandler 4 zugeführte V/echselstrom wird in der Stromüberwachungsschaltung 5 erfaßt und das erfaßte Signal dem Leistungsverstärker 3 nach Art einer positiven Rückkopplung zugeführt. In dieser Weise wird eine Schwingschaltung 9 gebildet, welche bei einer Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers 4 oder nahe dieser Resonanzfrequenz schwingt. Das Ausgangssignal der Stromüberwachungsschaltung 5 wird dem Gleichspannungswandler 6 zugeführt, in welchem eine dem im piezoelektrischen VYandler fließenden Wechselstrom proportionale Gleichspannung gewonnen wird. Diese Spannung wird im Gleichsρannungskomparator 7 mit einer vorgewählten, vom Referenzsnannungsgenerator 8 erzeugten Vergleichsspannung verglichen. Das vom Spannungskomparator 7 abgegebene Signal wird zur Steuerung der Quellensteuerschaltung 2 in einer solchen Weise benutzt, daß die dem Leistungsverstärker 3 zugeführte elektrische Quellenspannung und damit auch dessen Ausgangssignal derart variiert werden, daß in dem piezoelektrischen Wandler 4 ein V/echselstrom zum Fließen kommt und der piezoelektrische Wandler 4 mit konstantem Strom betrieben wird, dies abhängig von der durch den Referenzspannungserzeuger 8 abgegebenen vorgewählten Ausgangsspannung.

Es wird in diesem Zusammenhang angenommen, daß der piezoelektrische Wandler 4 bei einer Frequenz betrieben wird, die seiner Eigenresonanzfrequenz oder näherungsweise dieser Frequenz entspricht und daß dem mechanischen Schwingungsausgang des Wandlers zum Zwecke der Zerstäubung eine geeignete Menge von Flüssigkeit zugeführt wird; das bedeutet, daß der Wandler in einem gleichförmigen Betriebszustand gehalten wird. Wenn in diesem Betriebszustand die Flüssigkeitszuführung erhöht und damit auch die Last des piezoelektrischen Wandlers erhöht wird, vergrößert sich auch die Widerstands komponente R der in Fig. 1 dargestellten äquivalenten Schaltanordnung. Da in dieser konventionellen Schaltungsanordnung unabhängig von der Laständerung ein konstanter Strom fließen kann, wird dem piezoelektrischen Wandler eine größere Menge an elektrischer Energie zugeführt und es werden daher die ansonsten sich ergebenden Probleme vermieden, wonach bei Änderung der Flüssigkeitszufuhr die Zerstäubung unterbleibt oder die Durchmesser der bei der Zerstäubung gewonnenen Partikel eine extreme Vergrößerung erfahren.

Diese konventionelle Vorrichtung weist jedoch in den folgenden Punkten wesentliche Nachteile auf: Bei Bruch des piezoelektrischen Wandlers oder bei Kurzschluß seiner Zuleitungsdrähte und bei Beschädigung des Ausgangstransistors des Leistungsverstarkers 3> kommt im piezoelektrischen Wandler 4 kein Stromfluß zustande: ein Stromfluß im Wandler 4 kommt auch dann nicht zustande, wenn die in den induktiven Impe-

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danzkoraponenten gespeicherte elektrische Energie durch einen Ein-Aus-Betrieb entladen ist und der Transistor im Leistungsverstärker 3 sekundär beschädigt v/ird und einen Kurzschluß verursacht. Ln diesen Fällen wird aas Ausgangssignal des Gleichspannungswandlers 6 zu Null und das Ausgangssignal des Spannungskomparators 7 wirkt auf die Quellensteuerschaltung 2 in einer V/eise ein, daß deren Aus gangs signal vergrößert wird. Da jedoch der Betrag des in des piezoelektrischen Iffandlers 4 fließenden Stromes unverändert bei Null bleibt, wird der Ausgangsstrom der Quellensteuerschaltung 2 mehr und mehr erhöht, wobei diese Steuerschaltung 2 beschädigt wird. In der in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Schaltungsanordnung sind Gleichspannungsquelle und Steuerteil, bestehend aus der Gleichspannungsquelle 1, der Quellensteuer-Schaltung 2, dem Spannungskomparator 7 und dem Referenzspannungserzeuger 8 und das Hochfrequenzteil, bestehend aus der Oszillatorschaltung 9 und dem Gleichspannungswandler 6, in Form einer Rückkopplungsschleife angeordnet und stehen in enger Abhängigkeit voneinander. Es stellt deshalb eine Schwierigkeit dar, Entwurf, Abgleich und Prüfung der konventionellen Anordnung mit den beiden voneinander getrennten Schaltungsteilen durchzuführen.

Neben dem in Zusammenhang mit Fig. 2 dargestellten Beispiel läßt sich die selbe stabile Zerstäubung mittels Einfügen eines Wechselstrom-Konstantstrom-Systems im Leistungsverstärker oder zwischen dem Leistungsverstärker und dem piezo-

elektrischen Wandler erreichen. Dieses Verfahren jedoch erweist sich als nachteilig insofern, als die Steuerfunktion erst nach der Umwandlung des Gleichstroms in einen Hochfrequenzstrom ausgeübt wird und dabei vergleichsweise zu einer Steuerung im Gleichspannungsquellenteil ein Verlust an elektrischer Leistung hingenommen werden muß und deshalb die Notwendigkeit*besteht, das Ausgangssignal der Schwingschaltung auf einen relativ hohen Wert anzuheben, was wiederum die Verwendung teurer Bauteile notwendig macht und zu einem Zuwachs an gesamter elektrischer Verlustleistung führt.

Im Hinblick auf die oben beschriebenen, den konventionellen Ausführungsformen der Vorrichtungen anhaftenden Nachteile soll eine elektrische Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Wandlers angegeben werden, in welcher der piezoelektrische Wandler einer niherungsweise konstanten Stromansteuerung unterworfen ist, so daß die elektrische Quelle und deren Steuerschaltung vor Zerstörung durch Kurzschluß des piezoelektrischen Wandlers oder der Wirkung anderer Kurzschlüsse geschützt sind und somit die Gesamtschaltung vor vollständiger Zerstörung geschützt ist und in welcher ferner zur relativ schnellen Erzielung einer Schaltungsauslegung und -prüfung die Schaltungsanordnung in einen Gleichsroannungsteil und einen Hochfrequenzteil gegliedert ist und diese Teile nur mittels der Stromversorgungsleitungen miteinander in Verbindung stehen und in welcher zur Minderung der Herstellungskosten ein Steuerteil in der G-1 eichst)annungs-

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quelle vorgesehen ist. Es soll eine einfache und billige elektrische Schaltungsanordnung für den stabilen Betrieb eines piezoelektrischen Wandlers geschaffen werden. Ein weiteres Ziel ist es, eine elektrische Schaltungsanordnung für den Betrieb eines piezoelektrischen Wandlers anzugeben, deren Bemessung und deren Abgleich einfach durchzuführen ist. Es soll eine elektrische Schaltungsanordnung für den Betrieb eines piezoelektrischen Wandlers verfügbar gemacht werden, welche den Wandler mit näherungsweise konstantem Strom speist, wobei der konstante Strom einer Schwingschaltung zugeführt wird.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet. Torteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand von 11 Pig. verdeutlicht.

Die bereits erwähnte Pig. 1 stellt ein Schaltbild einer äquivalenten Schaltung eines piezoelektrischen Wandlers dar.

Die gleichfalls bereits erwähnte Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine Vorrichtung herkömmlicher Art. Fig. 3 ist ein das Prinzip der Erfindung kennzeichnendes

Blockschaltbild.
Pig. 4· zeigt den Stromlaufplan einer ersten Ausführung der Erfindung.

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Pig. 5 zeigt die konstruktive Ausbildung eines piezoelektrischen Wandlers, wie er in der ersten erfindungsgemäßen Ausführung verwendet wird.

Fig. 6 zeigt das Schaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung.

Pig. 7 zeigt in einem Kurvendiagramm die Zusammenhänge zwischen Frequenz und zugehörigen Reaktanzen der in Pig. 1 dargestellten äquivalenten Schaltung.

Pig. 8 zeigt die Konstruktion eines piezoelektrischen Wandlers, wie er in der zweiten Ausführungsform der Erfindung benutzt wird.

Fig. 9 zeigt den. Stromlaufplan einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Fig.10 zeigt die Konstruktion eines piezoelektrischen Wandlers, wie er in der dritten Ausführung der Erfindung Verwendung findet.

Pig. 11 zeigt eine weitere Anwendung der Erfindung.

Die elektrische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Wandlers sieht gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform den Einsatz einer Konstantstromschaltung vor, welche ein elektrisches Element mit vorbestimmten elektrischen Eigenschaften und Kennlinien enthält und die den konstanten Ausgangsstrom mittels Nutzung der vorgegebenen elektrischen Eigenschaften des elektrischen Elements liefert.

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Die elektrische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Wandlers, gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform, enthalt eine Gleichspannungsquelle, sie enthält ferner eine Konstantstromschaltung, bestehend aus einer Stromüberwachungsschaltung zur Überwachung eines Stromflusses von der Gleichspannungsquelle zu einer Lastschaltung, einer Referenzsaannungserzeugerschaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung, einem Suannungskomparator zum Vergleich einer Ausgangsscannung der Stromüberwachungsschaltung mit der Ausgangsspannung der Referenzspannungserzeugerschalt ung und einer mit Hilfe eines Ausgangssignals des Suannungskomparators arbeitenden Gleichstromsteuerschaltung zur Steuerung des Stromflusses in der Lastschaltungj sie enthält im weiteren eine Schwingschaltung zur Ansteuerung des piezoelektrischen. Wandlers mit einer Frequenz, die dessen Eigenresonanzfrequenz gleich ist oder nahe dieser Prequenz liegt und zur Ansteuerung mit konstantem von der Konstantstromschaltung zugeführten Strom und die dazu dient, die Ansteuerspannung in eine näherungsweise proportionale Abhängigkeit von einer elektrischen Quellenspannung zu bringen, wobei der elektrische Quellenstrom für die Schwingschaltung auf einem konstanten Stromwert gehalten wird, um den piezoelektrischen Wandler mit einem näherungsweise konstanten Steuerstrom zu betreiben.

Pig. 3 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine erfindungsgemäße Prinzipschaltung. Die Anordnung enthält eine

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Gleichspannungsquelle 10, eine Konstantstromschaltung 11, eine Schwingschaltung 12 und einen piezoelektrischen Wandler 13· Die Konstantstromschaltung 11 setzt sich zusammen aus einer Gleichspannungs-Konstantstromsteuerschaltung 14, einer Stromüberwachungsschaltung 15, einem Snannungskomparator 16 und einem Referenzspannungsgenerator 17. Ein von der Gleichspannungs quelle 10 gelieferter Strom wird über die Konstantstromsteuerschaltung 14 und die Stromüberwachungsschaltung der Last zugeführt. Der in diesem Falle zum Fließen kommende Strom wird mittels der Stromüberwachungsschaltung 15 in eine dem Stromfluß proOortionale Spannung umgewandelt und diese Spannung mit der Ausgangsspannung des Referenzspannungsgenerators 17 mittels des Snannungskomparators 16 verglichen. Der Spannungskomparator 16 gibt eine Differenzspannung zur Steuerung der Konstantstromsteuerschaltung 14 ab, mit dem Ziel, die Spannungsdifferenz zu Null zu machen, so daß der von der Konstantstromschaltung 11 abgegebene Strom auf einen Wert eingestellt wird, der von der vorgewählten Ausgangsspannung des Eeferenzsnannungsgenerators 17 abhängt. Die Konstantstromschaltung arbeitet deshalb so, daß unabhängig von einer Lastlnderung ein konstanter Strom zum Fließen kommt. Die Schwingschaltung 12 setzt sich zusammen aus einer Oszillatorschaltung 18 und einem Leistungsverstärker 19 oder aber sie kann als selbsterregte Oszillatorschaltung ausgebildet sein, in welcher die Ausgangsspannung im wesentlichen proportional zur elektrischen Quellenspannung ist. Der piezoelektrische Y/ancler 13 ist aus einem einzelnen oder aus

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einer Vielzahl piezoelektrischer Elemente gebildet. In dem Falle der Anwendung von Ultraschallenergie zur Zerstäubung von Flüssigkeiten ist der Wandler als Schwinger zur Flüssigkeitszerstäubung ausgebildet, welcher an seinem mechanischen Ausgang eine Zerstäubungsfläche aufweist.

Im weiteren wird die .arbeitsweise dieser erfindungsgemäßen schaltungsanordnung beschrie Den. 'Herrn, von der G-leichspannungs· quelle 10 durch die Konstantstromschaltung 11 ein vorbestimmter konstanter Strom zur Schwingschaltung 12 fließen kann, wird die Schwingschaltung 12 zu Schwingungen bei der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers oder nahe dieser Frequenz so angeregt, daß der Schwingungsausgang der Schwingschaltung 12 den piezoelektrischen Wandler 13 speist. Die mechanische Schwingung des piezoelektrischen Wandlers 13 bewirkt eine Abgabe von Ultraschallenergie mit dem Ziel, eine vorbestimmte Aufgabe zu erfüllen. So wird beispielsweise in Falle einer Flüssigkeitszerstäubung eine der Zerstäubungsoberfläche des Wandlers zugeführte Flüssigkeit in geeigneter Weise zerstäubt. Wenn in dieser Betriebsart die Belastung des piezoelektrischen Wandlers 13 vergrößert wird, beispielsweise durch Vermehrung der Flüssigkeitszufuhr, wächst die VYiderstandskomponente R der äquivalenten elektrischen Schaltung, bezogen auf den Eingang des Y/andlers 13» an. In diesem Falle wird der Ausgangsstrom der Konstantstromschaltung 11 mittels der Stromüberwachungsschaltung erfaßt und eine dem Stromfluß proportionale Spannung mit

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der Referenzspannung des Eeferenzsnannungsgenerators 17 im SpannungskomOarator 16 verglichen, wobei die Konstantstromsteuerschaltung 14 derart gesteuert wird, daß die Differenz zwischen beiden Snannungen zu Null wird. Dies bewirkt, daß zur Ansteuerung des piezoelektrischen Y/andlers 13 ein im wesentlichen konstanter Strom zur Verfügung steht. Die am piezoelektrischen Wandler anliegende Spannung wird folglich vergrößert und ein Eingangssignal größerer elektrischer Leistung als vor der Lasterhöhung dem piezoelektrischen Y/andler zugeführt, wobei cie Lasterhöhung beispielsweise von einer Erhöhung der Flüssigkeitszufuhr zum piezoelektrischen Wundler 13 verursacht ist. Dies bewirkt eine Verstärkung der mechanischen Ultraschallschwingung und die Abgabe einer größeren Menge an Ultraschallenergie. Auf diese V/eise wird die Leistungsfähigkeit zur Zerstäubung erhöht und der erhöhten Belastung angepaßt. Somit läßt sich auch das Aussetzen der Ultrasehallschwingung oder der Zerstäubung verhüten. Bei Verringerung der Last oder der Flüssigkeitszufuhr wirkt der Regelvorgang in entgegengesetzter Richtung und vermindert somit die Intensität der mechanischen Schwingung. Auf diese V/eise lassen sich eine übermäßige Schwingung des Schwingausgangs, ferner eine hierdurch bewirkte Beschädigung des piezoelektrischen Wandlers und die damit verbundenen Schwierigkeiten vermeiden.

In aer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die dem Ausgangsstrom der G-Ie ichspannungs quelle proportionale Span-

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nung so gesteuert, daß sie der Referenzspannung gleich ist und so das Ausgangssignal des Oszillators der SDannung der elektrischen. Quelle näherungsweise proportional ist und der Ausgangsstrom der Gleichspannungsquelle dauernd konstant gehalten wird. Beispielsweise läßt sich deshalb zur gleichmäßigen Zerstäubung von Flüssigkeit mit einem so angesteuerten Wandler eine stabile Ultraschallschwingung erzielen. In einer Schaltungsanordnung der beschriebenen Art steht die GIeichspannungsquelle mit der der Ansteuerung des piezoelektrischen Wandlers dienenden Hochfrequenzschaltung lediglich mittels der elektrischen Versorgungsdrähte in Verbindung· Die beiden Schaltungsteile lassen sich deshalb voneinander trennen. Auch für den Fall eines Kurzschlusses zwischen der Hochfrequenzschaltung und dem piezoelektrischen Wandler wird die SOannung auf keinen Fall erhöht, da sich der Gleichstrom unter der Kontrolle der Konstantstromansteuerung befindet und folglich die Ausgangsleistung vermindert und so die elektrische Quelle niemals vollständig zerstört wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung zur Steuerung eines piezoelektrischen Wandlers zur Zerstäubung von Flüssigkeiten. Die Schaltung enthält eine Gleichspannungsquelle (Netzteil) 10, welches der Gewinnung eines Gleichstroms aus einer üblichen Wechselspannungsquelle dient, eine in einem Sericnregelsystem angeordnete Konstantstromschaltung 11 zur Erzeugung eines Konstantstroms und eine in einem Leistungs-

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Verstärkersystem enthaltene Schwingschaltung 12.

Die Gleichspannungsquelle 10 enthält einen Netztransformator 20, eine Gleichrichterschaltung 22 mit in Brückenschaltung angeordneten Dioden 21 und einen Ladekondensator 23· Die vom Ne tztr^ans format or 20 abgegebene Wechselspannung wird in der Gleichrichterschaltung 22 einer Zweiweggleichrichtung unterzogen, wobei Oberwellen am Ausgang der Gleichrichterschaltung 22 mit Hilfe des Ladekondensators geglättet werden. Die für den Betrieb der Schaltungsanordnung benötigte Gleichspannung wird somit vom Netzteil 10 geliefert.

Die Konstantstromschaltung 11 enthält einen Stromübe rwachun_c~swiderstand 24, einen SOannungskomrarator und Gleichstrom-Steuertranaistor 25, eine Zenerdiode 26, einen Vorspannung widerstand 27 und einen Glättungs- und HF-Bynass-Koncensator 28. Der Ausgang des Netzteiles 10 ist an den Widerstand 24 und die Kathode der Zenerdiode 26 angeschaltet. Der andere Anschluß des Widerstandes 24 steht mit dem Emitter des FNP-Transistors 25 in Verbindung; oev Kollektor des Transistors 25 ist an den Leistungsanschluß der Schwängschaltung 12 angeschlossen, welche wiederum die Last für die Konstantstromschaltung 11 darstellt. Der Leistungsanschluß ist über den Kondensator 28 mit Masse verbunden. In der in dieser Art angeordneten Konstantstromschaltung wird der durch ucn Ausgang der Gleichspannungsquelle 10 fließende Strom der Last vorwiegend über ccn Stromüborwaohungswiderstand 24 und den

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Transistor 25 zugeführt.Dieser Laststrom bewirkt einen seiner Größe Droportionalen Snannungsabfall am Widerstand 24. Die Summe der am Widerstand 24 anliegenden Spannung und der Emitter-Basisspannung des Transistors 25 wird durch die Wirkung der Zenerdiode 26 konstant gehalten. Wenn die Zenerspannung so gewählt wird, daß sie einen sehr viel höheren Wert aufweist als die Basis-Emitterspannung, wird die am Widerstand 24 anliegende Spannung im wesentlichen gleich der ZenersOannung. Da dieser Wert eine konstante Größe ist ist auch der im Widerstand 24 fließende Strom im wesentlichen konstant. Da ein größerer Teil dieses Stroms in die Last abfließt, arbeitet die Schaltungsanordnung 11 als eine Konstantstromschaltung. Die Größe des Stromflusses kann, mittels Verändern des Widerstandswertes des Widerstandes 24, auf einen wählbaren Wert eingestellt werden.

Die Schwingschaltung 12 arbeitet im leistungsverstärkersystem und enthält eine Oszillatorschaltung 18 und einen Leistungsverstärker 19· Die Oszillatorschaltung 18 dient zur Erzeugung von Rechtecksignalen und ist als astabiler Multivibrator ausgelegt: sie enthält im einzelnen einen Operationsverstärker 29, Widerstände 30 bis 32 und einen der Frequenzbestimmung dienenden Kondensator 33, ferner einen Spannungsstabilisierungswiderstand 34 und eine Zenerdiode 35 zum Betrieb des Operationsverstärkers 29 an einer einzigen elektrischen Süannungsquelle und ferner einen zwischen dem Verbindungspunkt des Widerstands 34 »it der Zenerdiode 35 und dem

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nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 29 eingefügten Widerstand 36. Der Leistungsverstärker 19 empfängt das von der Oszillatorschaltung 18 abgegebene Rechtecksignal und unterzieht dieses einer Leistungsverstärkung. Der Verstärker 19 enthält einen Eingangstransformator 37, einen Treiber-NPN-Transistor 38, Ausgangstransistoreni 39 und 40, VorsOannungswiderstande 41 bis 44 und einen Gleichspannungs-Abblockkondensator 45· Der Emitter des Transistors 38 ist mit Masse, seine Basis über einen Widerstand 46 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 29 verbunden. Der Kollektor des Transistors 38 steht mit einem Ende der Primärwicklung 37a des Eingangstransformators 37 in Verbindung (diese Anschlußseite wird als "Plus-Polarität" bezeichnet). Das andere Ende der Primärwicklung (diese Anschlußseite wird als "Minus-Polarität" bezeichnet) ist an die Versorgungsspannung, d. h. an den Ausgang der Konstantstromschaltung 11 angeschlossen. Die Plus-Seite einer ersten Sekundärwicklung 37b des Transformators 37 steht mit der Basis des Transistors 39 in Verbindung, wobei die Minusseite mit dem gemeinsamen Punkt der VorsOannungswiderstande 41 und 42 in Verbindung steht, die ihrerseits zwischen der Stromversorgung und dem Emitter des Transistors 39 angeordnet und in Serie geschaltet sind. Die Minusoeite einer zweiten Sekundärwicklung 37c steht mit der Basis eines Transistors 40 und die Plusseite mit dem Verbindungsr>unkt der Widerstände 43 und 44 in Verbindung, wobei die Widerstände 43,

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44 in Serie geschaltet und zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 40 angeordnet sind. Der Kollektor des Transistors 39 steht mit der Spannungsversorgung in Verbindung, v/obei der Emitter an den Kollektor des Transistors 40 und einen Anschluß des Kondensators 45 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 40 liegt auf Masse. Die im Zusammenhang mit dem Leistungsverstärker 19 dargestellte Schaltungsanordnung ist als sog. "SEPP-circuit" "bekannt, wenn die Betriebsbedingungen der Ausgangstransistoren 39 und 40 für den Schaltbetrieb (.Klasse "D") festgelegt sind, schalten die Ausgangstransistoren 39 und 40 nach Zuführung des Rechtecksignals aus der Oszillatorschaltung 18 wechselweise durch, so daß dem Oiezoelektrischen Wandler 13 aus dem Netzteil elektrische Energie und schließlich Hochfrequenzleistung zugeführt wird, ua die Transistoren somit im Schaltbetrieb arbeiten, ändert sich ihre Ausgangsspannung im wesentlichen im gesamten Bereich zwischen dem V/ert der elektrischen Yersorgungsspannung und dem Massepotential, wobei die Ausgangsspannung der elektrischen Versorgungsspannung näherungsweise proportional ist.

Der_#in Fig. 5 dargestellte Wandler 13 enthält eine Elektrode 48, welche zwischen zwei als elektromechanische V/andlereleraente ausgebildete piezoelektrische Elemente 47 und 47' eingefügt ist. Ein stützblock 49 ist zum Zwecke der Kesonanz an dem piezoelektrischen Element 47' angebracht, während ein konisches Anralituden-Verstärkerhorn 51 über einen metall-

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block 50 an dem piezoelektrischen Element 47 befestigt ist. Eine .b'lüssigkeitszuführung 52 steht mit dem im Bild nicht dargestellten Flüssigkeits-'Yorratsbehälter in Verbindung und ist innerhalb des Eornes 51 angeordnet. Die Zuführung 52 weist an der kleinen Endfläche des Hornes 51 eine öffnung auf, wobei die Oberfläche als Zerstäubungsoberfläche bezeichnet wird.

In einem in dieser Art ausgebildeten Wandler wird die den piezoelektrischen Elementen 47 und 47' zugeführte elektrische Energie in mechanische Schwingung umgesetzt, wobei der Wandler als eine Einheit bei einer vorbestimmten .Resonanzfrequenz schwingt. Eine auf die Eingangsklemmen des Wandlers bezogene äquivalente elektrische Schaltung v/eist in der Umgebung der Eigenresonanzfrequenz eine ähnliche Konfiguration auf, wie das in Jr'ig. 1 dargestellte Schaltbild. Die Amplitude der mittels der piezoelektrischen Elemente 47 und 47' gewonnenen mechanischen Schwingung weist wegen der die Amnlitude verstärkenden Wirkung, des Horns 51 an dessen Zerst-iubungsoberflache des Schwingungsausgangsendes ein Maximum auf. Auf diese weise läßt sich eine zur zerstäubung von flüssigkeit hinreichende Amolitude erzielen.

Es sei angenommen, dal? in einer Schaltungsanordnung der oben beschriebenen Art alle Teile der Schaltung in einem gleichförmigen Betriebszustand arbeiten: die Oszillatorschaltung 1B schwingt mit aer Eigenresonanzfrequenz des Wandlers 13 oder

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nahe dieser Frequenz; das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung wird mittels des Leistungsverstärkers 19 verstärkt und mittels der piezoelektrischen Elemente 47 und 47" des Wandlers 13 in mechanische schwingung umgewandelt: die AnrDlitude der mechanischen Schwingung wird mittels des Horns 51 auf eine Amplitude verstärkt, die hinreichend ist zur Zerstäubung von Flüssigkeit an der Zerstäubungsoberfläche des Schwingungsausganges; eine gewisse Flüssigkeitsmenge wird durch die i'lüssigkeitszuführung 52 zugeführt und an der Zerstäubungsoberfläche zerstäubt. Ytenn unter diesen Betriebsbedingungen die Menge der so zugeführten Flüssigkeit vergrößert wird, vergrößert sich die Belastung des V/andlers 13, wobei sich die Widerstandskomponente R in dem in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltbild vergrößert. Wenn sich ferner die Amplitude der Ausgangswechselspannung des Leistungsverstärkers 19 in vollem Umfang näherungsweise bis zum Wert der Speisespannung ändert, nimmt die Konstantstromschaltung 11 eine Veränderung der elektrischen Versorgungsspannung in einer V/eise vor, daß, unabhängig von der Variation der Belastung, ein konstanter Strom aufrecht erhalten wird. Die von dieser elektrischen Versorgungsspannung abhängende Ausgangsspannung wird deshalb verändert, der den Wandler 13 speisende Strom im wesentlichen konstant gehalten und die Spannung an den Anschlüssen deshalb vergrößert. Folglich wird mehr elektrische Energie als vor der Lasterhöhung zugeführt, wobei eine von einer Lasterhöhung verursachte Verminderung der Schwingamplitude an der Zerstäubungsfläche 53 am

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äußersten Ende des Horns vermieden werden kann Wird die Menge der zugeführten Flüssigkeit verringert, mindert sich die Last an der Zerstäubungsoberflache am äußersten Ende des Horns 51 und somit der Wert des Widerstandes R in Fig. 1 und ein zum oben beschriebenen Vorgang im umgekehrten Sinne verlaufender Prozeß findet statt.

Die erfindungsgemäße, in der Konstruktion relativ einfache Konstantstromschaltung 11 wird zur Stabilisierung der Zerstäubung benutzt. Zur Absorption der mit der Laständerung der Konstantstromschaltung 11 und der Spannungsänderung der elektrischen Spannungsquelle 10 korrespondierendenEnergie ist es notwendig, diese Energie andauernd zu vernichten. Der Wirkungsgrad dieser Ausführungsform ist deshalb niedrig, die Schaltungsanordnung jedoch außerordentlich einfach. Diese Ausführungsform der Erfindung eignet sich deshalb zum Kurzzeitbetrieb von Wandlern, welche, wie Wandler konventioneller Art,einen sehr niedrigen Wirkungsgrad und einen geringen Güte- faktor (Q) aufweisen und hohe Leistung benötigen.

Fig. 6 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform der elektrischen Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Wandlers. Ein Netzteil 10 wandelt eine Netzwechselspannung in Gleichstrom, wobei in einem selbsterregten Schaltregelsystem, wie in einer selbsterregten Oszillatorschaltung (Colnitts-Oszillator) ein konstanter Strom erzeugt wird und damit einem piezoelektrischen Wandler elektrische

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Energie zur Erzeugung von Ultraschall zugeführt wird.

Die Schaltungsanordnung enthält eine Gleichspannungsquelle (Netzteil) 10 zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Y/echselspannung, eine Konstantstroraschaltung 11 zur Erzeugung eines konstanten Stromes, eine Schwingschaltung 12 zur Erzeugung von Hochfrequenzleistung und einen piezoelektrischen Wandler 13, welcher als Teil der Schwingschaltung ausgebildet ist und Ultraschallwellen abgibt.

Die Gleichspannungsyuelle 10 enthält einen Leistungstransformator 20, eine Gleichrichterschaltung 22 und einen Ladekondensator 23. Die Wechselspannung aus dem Leistungstransformator 20 wird einer Doppelv/eggleichrichtung in der .Gleichrichterschaltung 22 zugeführt, welche aus in Brückenschaltung angeordneten Dioden 21 besteht und eine am Ladekondensator 23 anliegende Gleichspannung liefert. Der Kondensator 23 sorgt für eine Glättung der Gleichspannung. Die Konstantstromschaltung 11 ist als Schaltregelteil ausgebildet und hat die Aufgabe, der die Last darstellenden Schwingschaltung 12, unter Benutzung des Ausgangssignals aus dem Netzteil 10, einen konstanten Strom zuzuführen. Die Konstantstromschaltung enthält einen Schaltregler 54 zur Steuerung des Eiη-Aus-Betriebes der Schaltung, eine Srmle 55 zur Speicherung der durch den Schaltkreis 54 zugeführten elektrischen Energie und einen Stromüberwachungswidr.rstand 24 zura Erfassen des Stromflusses, wobei Schaltregler,

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Spule und Widerstand in Serie geschaltet und zwischen die Gleichspannungsquelle 10 und die Schwingschaltung 12 eingefügt sind. Die Konstantstromschaltung 11 enthält im weiteren eine Diode 56, welche zwischen Masse und dem Verbindungspunkt des Schaltkreises 54 und der Spule 55 angeordnet ist und zur Entladung der in der Sr>ule 55 gespeicherten Energie während der "Aus-Periade" des Schaltkreises 54 dient, ferner eine Differentialverstärkerschaltung 57 zur Abgabe der an dem Widerstand 24 anliegenden Spannung, einen zwischen den Ausgangsklemmen der Gleichspannungsquelle 10 und Masse angeordneten Referenzspannungsgenerator 26, ferner eine Komoaratorschaltung 58 zum Vergleich des Ausgangssignals aus dem Referenzgenerator 26 mit dem Ausgangssignal aus dem Differentialverstärker 57 und zur Zuführung des Ergebnisses aus diesem Vergleich zum Schaltkreis 54 und schließlich einen Kondensator 28, welcher der Eliminierung von Oberwellen der Ausgangsspannung und zur Ableitung von Hochfrequenzströmen dient.

Im Schaltregler 54 sind der Emitter eines Transistors 59 und der Kollektor eines Transistors 61 an die Ausgangsklemmen der Gleichspannungsquelle 10 angeschaltet. Der Kollektor eines Transistors 60 steht über einen Widerstand 62 mit den Ausgangsklemmen der Gleichspannungsquelle 10 in leitender Verbindung. Die Basis des Transistors 59 steht mit dem Kollektor des Transistors 60 in Verbindung, dessen Basis wiederum an den Emitter des Transistors 61 angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 59 wiederum steht in Verbindung mit einem

Anschluß der Spule 55, wobei deren anderer Anschluß an den Emitter des Transistors 60 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 61 steht in Verbindung mit dem Ausgang der Komparatorschaltung 58· In der Differentialverstärkerschaltung 57 steht der nicht invertierende Eingang und der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers OP über Widerstände und 64 mit den beiden Anschlüssen des Stromüberwachungswiderstandes 24 in Verbindung. Der nicht-invertierende Eingang liegt über einen Widerstand 65 auf Masse. Ein Widerstand 66 ist zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang angeschaltet. In der Komparatorschaltung 58 ist der nichtinvertierende Eingang eines Operationsverstärkers 67 über einen V/iderstand 68 an don Ausgang des Schaltkreises 54 angeschaltet und steht ferner über einen Widerstand 69 mit dem Verbindungspunkt eines ütabilisierungswiaerstandes 70 und einer Zenerdiode 71 im Referenzspannungsgenerator 26 in Verbindung. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 67 steht mit dem Ausgang des Differentialverstärkers 57 in Verbindung.

Im weiteren wird die Arbeitsweise der Konstantstromschaltung beschrieben. \'ienn der Schaltkreis 54 geschlossen ist, kann von. der tileichspannungsquelle 10 über die Spule 55 und den Widerstand 24 zur Schwingschaltung 12, welche die Belastung für die KonstantStromschaltung 11 darstellt, Strom fließen. Polglich wird in der Spule 55 elektrische Energie gespeichert und eine dem zur Schwingschaltung fließenden Strom nropor-

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tionale Soannung über dem Widerstand 24 aufgebaut. Da der im Widerstand 24 fließende Strom wegen der Induktivität der Spule 55 zeitabhängig vergrößert wird, vergrößert sich ebenso die Spannung am Widerstand 24. Diese Spannung wird in eine Spannung geeigneter Größe mittels des OOerationsverstärkers OP in der Differentialverstärkerschaltung 57 verstärkt und diese verstärkte Spannung dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 67 in der Komnaratorschaltung 58 zugeführt. In dieser Komnaratorschaltung 58 wird das Ausgangssignal des Referenzspannungsgenerators 26 über den Widerstand 69 dem nicht-invertierenden Eingang zugeführt, wobei der V/iderstand 69 zur Erzeugung einer Hysterese-Punktion für den Komparator dient und die Referenzspannung mit dem Ausgangssignal aus dem Differentialverstärker 57 verglichen wird und ferner dieser Spannungswert dem Stromfluß im Widerstand 24 proportional ist. Abhängig vom Ergebnis des Vergleichs wird der Schaltkreis 54 ein- oder ausgeschaltet. Wenn nach dem Schließen des Schaltkreis 54 eine gewisse Zeitspanne vergeht, wird das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 57 größer als das Ausgangssignal des Referenzgenerators 26, worauf der Ausgang der Komnaratorschaltung 58 auf Massepotential gelegt und der Schaltkreis 54 in den Aus-Zustand gebracht wird. Die in der Spule 55 gespeicherte elektrische Energie wird dann über die Diode 56 entladen, so daß über den V/iderstand 24 ein Stromfluß zur Schwingschaltung 12 zustande kommt. Dieser Stromfluß nimmt wegen der Induktivität der Spule zeitabhängig ab, wobei dies wiederum

eine Verringerung der SDannung am Widerstand 24 "bedeutet. Dies wiederum bewirkt eine Verringerung des Ausgangesignals des Differentialverstärkers 57· Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 57 nimmt einen kleineren Wert an als das ausgangssignal des Referenzspannungsgenerators 26 und das Ausgangssignal des Komparators 58 wird vergrößert. Polglich wird der Schaltkreis in seinen "Ein-Zustand" geschaltet und eier vorher beschriebene Betriebszustand wiederum erhalten.

Der Schaltkreis ' 54 wiederholt den oben beschriebenen Ein-Aus-Betrieb, wobei sich der hierdurch ermöglichte StromfluP aus aer u-leichspannungsquelle 10 mit diesem Ein-Aus-Betrieb in synchronisation befindet, so daß die elektrische Energie zyklisch in die Spule 55 geladen und aus dieser entladen wird. Auf diese "/eise wird der Strom über den Widerstand 24 der Last, d. h. der Schwingschaltung 12, zugeführt. Die Größe dieses Stromes wird dauernd erfaßt, so daß dieser in den durch die Widerstände 68 und 69 der Ko rrroarat or schaltung 58 definierten Kysteresebereich fällt. Bezogen auf einen mittleren V/ert des Stromflusses läßt sich eine notwendige G-röße des laststromes durch eine Variation des Widerstandswertes des Widerstandes 24 gewinnen oder aber es besteht die Möglichkeit, ein Konstantstrom-Ausgangssignal mit einer Variationsbreite zu erhalten.

Die Schwingschaltung 12 ist eine relativ einfache, selbster-

regte Schwingschaltung vom Colüitts-Tyi), welche die Aufgabe hat, dem V/andler 13 Hochfrequenzleistung mit einer Frequenz zuzuführen, die im wesentlichen der Eigenfrequenz des Wandlers 13 entspricht. In der durch die Schwingschaltung 12 und dem Wandler 13 gebildeten Schaltungsanordnung besteht der V/andler 13 aus einem piezoelektrischen Wandler zur Ultraschall-Zerstäubung, v/elcher die Last für die Schwingschaltung 12 darstellt und der die Schwingbedingungen bestimmt. Der Wandler 13 ist zwischen den Kollektor und die Basis eines in Emitterbasisschaltung arbeitenden Transistors 72 angeschaltet. Ein Kondensator 73 und eine Induktivität 74 bestimmen die Schwingverhältnisse: sie sind zwischen dem Kollektor des Transistors 72 und dem Ausgang der Konstant stromschaltung 11 eingefügt. Ein Transistor-Vorspannwidrrstand 75 ist zwischen der Basis des Transistors 72 und dem Ausgang des Konstantstromsystems 11 eingeschaltet. Ein Schwingkondensator 76 und eine Induktivität 77 dienen zur Verbesserung des Wirkungsgrades und sind zwischen Basis und Emitter des Transistors 72 geschaltet. Der Verbindungspunkt des Kondensators 76 und der Induktivität 77 liegt auf Masse. Für aen Erhalt der Schwingungsbedingungen der Schwingschaltung 12 und des Y/andlers 13 besteht die Voraussetzung, daß die Reaktanz zwischen der Basis des Transistors 72 und Masse und die Reaktanz zwischen dem Kollektor des Transistors 72 und der Konstantstromschaltung 11 jeweils kapazitiv ist und daß die Reaktanz zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 72, das heißt die Reaktanz des Wandlers 13, in-

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duktiv ist. Die an den Kollektor des Transistors 72 angeschaltete Parallelschaltung des Kondensators 73 und der Induktivität 74 sollte so bemessen sein, daß bei einer Frequenz nahe der Eigen-Resonanzfrequenz des Wandlers 13 der absolute Wert der Reaktanz des Kondensators 73 kleiner ist als der absolute Wert der Reaktanz der Induktivität 74, d. h. die Parallelschaltung sollte bei dieser Frequenz kapazitiv sein.

Den Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Reaktanz der in Fig. 1 dargestellten elektrischen Ersatzschaltung zeigt Fig. 7, in welcher f_Q die Eigenresonanzfrequenz oder die Serienresonanzfrequenz darstellt und f die Parallelresonanzfrequenz kennzeichnet. Wie Fig. 7 zeigt, ist die Reaktanz in einem schmalen, durch f und f definierten Frequenzbereich nositiv oder induktiv. \^fIenn der Transistor 72, wie in Fig. 6 dargestellt, in Emitterbasisschaltung betrieben wird, sind drei Bedingungen erfüllt, nämlich daß bei den Frequenzen zwischen der Eigenresonanzfrequenz f und der Parallelresonanzfrequenz f des Wandlers 13 die aus dem Kondensator 73 und der Induktivität 74 bestehende und zwischen den Kollektor des Transistors 72 und die Spannungsquelle eingefügte Parallelschaltung kapazitiv ist, der zwischen den Kollektor und die Basis eingefügte Wandler 13 eine induktive Komponente aufweist und der zwischen Basis und Masse geschaltete Kondensator 76 kaOazitiv ist. Wenn" für den Transistor ein TrandistortyO mit hinreichendem Verstärkungsfaktor verwendet wird, genügt die Schwingschaltung 12 den Schwingbe-

dingungen einer Oszillatorschaltung vom Colpitts-Typ und erzeugt Schwingungen.

Die Amplitude der diese Frequenz aufweisenden Schwingspannung wird vergrößert. Der Verstärkungsfaktor des Transistors 72 weist jedoch eine nichtlineare Kennlinie auf: deshalb wird mit anwachsender Amplitude der Yerstärkungsgrad gemindert und es stellt sich bei einer bestimmten Amplitude ein Gleichgewicht ein, so daß sich ein konstanter Betriebszustand ergibt. Die Nichtlinearität des Verstärkungsfaktors des Transistors 72 hängt vom verwendeten 'iransistortyp ab. Falls jedoch der Verstärkungsfaktor eine hinreichende Größe aufweist, entspricht die Betriebsart des Transistors im wesentlichen einem Schaltbetrieb, wobei die Nichtlinearität des Verstärkungsfaktors durch die elektrische Veraorgungsspannung in stärkerem Maß als der Verstärkungsfaktor des Transistors 72 beeinflusst wird, wobei der wirksame Verstärkungsfaktor verringert und unter dieser Betriebsbedingung der eingeschwungene Betriebszustand erreicht wird. Die auf diese V/eise verfügbare elektrische Energie wird durch die Widerstandskomponente in der in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltung verbraucht. Der Wandler ist als ein in seinen Eigenschaften notwendiges Element dieser Oszillatorschaltunf ausgebildet und wird zusätzlich als Mittel zur Erzeugung der angestrebten mechanischen Schwingungen benutzt.

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Fig. 8 zeigt den in der bchwingschaltung der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der elektrischen Schaltung benutzten piezoelektrischen Wandler. Der Wandler ist grundsätzlich gleichartig dem im Zusammenhang mit Fig. 5 dargestellten Wandler aufgebaut. Der Wandler 78 weist eine Elektrode 79 auf, welche zwischen zwei piezoelektrischen Elementen 80 und 80' eingefügt ist. An einem der piezoelektrischen Elemente ist ein Stützblock 81 zur Unterstützung der Resonanz angebracht, das andere piezoelektrische Element ist an einem Metallblock 82 befestigt, welcher wiederum mit einem Stützflansch eines der Amplitudenverstärkung dienenden abgestuften Horns 83 verbunden ist. Eine große Scheibe 84 dient zur Zerstäubung von großen Mengen Flüssigkeit; sie ist mit der durch das mechanische Ausgangsende des Horns 83 gebildeten Zerstäubungsoberfläche verbunden. Eine Flüssigkeitszuführung 85 verläuft entlang der Längsachse des Horns 83 in einer ',Veise, daß sich ihre Öffnung in dem Mittelpunkt der Scheibe 84 befindet.

Führt man elektrische Energie aus der Schwingschaltung 12 dem so konstruierten Wandler zu, wird diese Energie mittels der piezoelektrischen Elemente 80 und 80' in vertikale mechanische Schwingung umgewandelt, wobei das Horn 83 die Amplitude der Schwingung mit der Eigenresonanzfrequenz des Gesamtsystems verstärkt und somit eine Schwinganrnlitude erzielt wird, die eine ausreichende Schwingung der Scheibe 84 zur Zerstäubung hervorruft.

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Es wird angenommen, daß die Schaltung der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform sich in einem eingeschwungenen Betriebs· zustand befindet. Wenn nun in dem iietzteil 10 Wechselspannung in G-leichspannung umgewandelt und der vorbestimmte Gleichstrom aus dem Netzteil dem Konstantstromsystem 11 und dann der Schwingschaltung 12 zugeführt wird, arbeitet die Schwingschaltung 12 in*einem gleichförmigen Betriebszustand. Elektrische Energie mit einer iTequenz nahe der Eigenresonanzfrequenz des Wandlers 13 wird dem Wandler 13 zugeführt und mittels der piezoelektrischen Elemente 80, 80' des ','/analers 13 in mechanische Energie umgeformt (Fig. 7)· Wenn der scheibenförmige Schwinger 84 mit einer bestimmten Amplitude schwingt und eine geeignete .Flüssigkeitsmenge durch die i'lüssigkeitszuführung 85 austritt, wird diese xlüssigkeit durch den Schwinger 84 zerstäubt, wenn die Flüssigkeitszufuhr gesteigert wird, steigt die Größe der Widerstandskomnonente R der in Fig. 1 dargestellten Ersatzschaltung, bezogen auf den elektrischen Eingang der piezoelektrischen Elemente 80, B1 des Wandlers 13 an. Da jedoch der Wandler Bestandteil der Schwingschaltung 12 ist und zugleich den Ausgang der Schwingschaltung darstellt und da die dem Wandler 13 zugeführte elektrische Energie im wesentlichen durch die oben beschriebene Versorgungsspannung bestimmt ist, arbeitet die Konstuntstromschultung so, daß, unabhängig von der Variation der an die Konstantstromschaltung 11 angelegten Last, ein konstanter Strom fließt und die Betriebsspannung der Schwingschaltung 12 vergrößert wird. Die Spannung zwischen den Anschlüssen des

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Wandlers 13 hängt von dieser Snannung ab und wird folglich vergrößert, wobei eine größere Menge an elektrischer Energie dem Wandler zugeführt v/ird. Auf diese Weise wird die Amplitude des. scheibenförmigen Schwingers 84 zu keiner Zeit kleiner als die vor der Vergrößerung der Flüssigkeitszufuhr wirksame Amplitude und es erfolgt, abhängig von der Plüssigkeitszuführung eine Zunahme an Zerstäubungswirkung. Mit anderen Worten, es wird die dem Wandler 13 zugeführte Energie und auch die Zerst-iubungswirkung vergrößert, wenn die Menge an zugeführter Flüssigkeit anwächst. Auf diese Weise läßt sich eine Unterbrechung des Zerstäubungsvorganges verhüten und die Zerstäubung in einem stabilen Betriebszustand weiterführen. Die zweite erfindungsgemäße ausführungsform enthält einen Schaltregler. Folglich wird in dieser zweiten Ausführungsform, im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, nämlich dem kontinuierlich arbeitenden Serienregler, der Spannungsabfall zwischen der Gleichspannungsquelle der Konstantstromquelle und dessen Ausgang nicht durch die aktiven Elemente der Schaltung verbraucht und der Energieverlust (Verlust an Steuerleistung) ist deshalb geringer. Da die Konstantstromschaltung 11 mit Ausnahme der elektrischen Stromzuführungen vollständig von der Schwingschaltung 12 getrennt ist, lassen sich diese Schaltungen individuell bemessen. Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform weist deshalb ähnlich der ersten Ausführungsform den Vorzug auf, daß die Konstantstromschaltung 11 beständig gegen den Bruch der Schwingschaltung 12 und des Wandlers 13 ausgeführt werden kann. Ein weiterer Vorzug der zweiten ausführungsform

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besteht darin, daß gerade bei Betrieb eines Wandlers mit hohem Güte- faktor "Q" bei unterschiedlichen Temaeraturen und bei langandauerndem Betrieb die Schwingung bei einer Frequenz in der Nihe der Eigenresonanzfrequenz des Wandlers erfolgt, wobei sich stabile Betriebsbedingungen ergeben.

Fig. 9 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Wandlers, in welcher die Stromquelle in Form einer Batterie gegeben ist und die Energie wirksam und gleichförmig einem piezoelektrischen Wandler für Ultraschallzerstäubung zugeführt werden kann. Die Schaltung enthält eine Batterie 10c, eine Konstantstromschaltung 11, eine Schwingschaltung 12 und einen piezoelektrischen Wandler 13·

In. der Konstant Stromschaltung 11 wird die aus der Batterie 10c gelieferte elektrische Energie in einen geeigneten konstanten Strom umgewandelt, welcher einer Last, hier der Sehwingschaltung 12, zugeführt wird. Die Konstantstromschaltung 11 enthält einen Flyback-Transformator 86, einen Schaltkreis 87 zur Zuführung von Energie aus der Batterie 10c, eine Diode 88, die zur Gleichrichtung des vom Flyback-Transformators 86 gelieferten Ausgangssignals dient, einen Glättungsund HF-Bypass-Kondensator 89, einen Stromüberwachungswiderstand 24, eine SOannungsvergleicherschaltung oder einen Differentialverstärker 90 zur Verstärkung der Differenz der Spannung am Widerstand 24 und der Ausgangsspannung eines

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Eeferenzspannungsgenerators 26 und schließlich einen Generator zur Erzeugung variabler Impulsbreiten 91, der zur Verarbeitung des Signals aus dem Differentialverstärker 90 und zur Ansteuerung des Schaltkreises 87 dient.

Im weiteren wird die Schaltungsanordnung und die Arbeitsweise der verschiedenen Schaltungselemente in der Konstantstromschaltung beschrieben. Der positive Pol der Batterie 10c steht mit einem Anschluß der Primärwicklung 86a des Flyback-Transformators 86, der andere Pol der Batterie steht mit dem Kollektor eines Transistors 92 im Schaltkreis 87 in Verbindung, welcher neben dem Transistor 92 einen Transistor 93, beide in Darlington-Schaltung verbunden, und einen Widerstand 94 enthalt. Der Emitter des Transistors 92 liegt auf Masse. Ein Ende der Sekundärwicklung 86b, welches die gleiche Polarität wie das an die Batterie 10c angeschlossene Ende der Primärwicklung 86a des Flyback-Transformators 86 aufweist, liegt an Masse. Das andere Ende der Sekundärv/icklung steht über die Gleichriehterdiode 88 mit der Schwingschaltung 12, welche die Last für üie Konstantstromschaltung 11 darstellt, in Verbindung. Der Glättungs- und HF-Byoass-Kondensator 89 ist zwischen, dem ausgang der Konstantstromschaltung 11 und Masse angeschlossen. Der über die Gleichriehterdiode der Last zugeführte Strom wird in eine Spannung, die sich über dem Widerstand 24 aufbaut, umgewandelt. Diese Ssannung wird dem nicht-invertierenden Eingang aes Differentialverstärkers 90 zugeführt, welcher einen Operationsverstärker 95 und Widerstände 96 bis 98 enthält. Die

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Ausgangs spannung aus dem aus einem Stabilisierungswiderstand, 70 und einer Zenerdiode 71 gebildeten Spannungsreferenzgenerator 26 wird dem invertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt, wobei die Differenzspannung zwischen der Spannung, welche dem in die Last fließenden Strom proportional ist und der Referenzspannung am Ausgang des Differentialverstärkers zur Verfugung steht.

Der Generator zur Erzeugung variabler Impulsbreiten 91 besteht aus einem astabilen Multivibrator, welcher einen Operationsverstärker 101, Widerstände 102 bis 104, einen Kondensator 105 uiiα Mittel zur elektrischen Vorspannung einschließlich Y/iderst inde 106, 107 und ferner eine Zenerdiode 103 enthält, die den Betrieb des Operationsverstärkers 101 an einer einzigen Stromquelle zuläßt. Der Generator 9"¹ gibt Impulse mit Imnulsbreiten ab, welche proportional sind der Differenzsrannung zwischen der dem in die Last fließenden Strom proportionalen Spannung und der Referenzspannung. Im weiteren wire die Punktion ües Generators zur Erzeugung variabler Impulsbreiten 91 beschrieben. ,'Jenn der Ausgang des Differentialvei'S'iärkers 9u über einen Widerstand 100 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 101 angeschlossen ist und die die Frequenz oder die ^eitgabe bestimmende Spannung am Kondensator 105 deshalb eine änderung erfährt, wird die Breite des Ausgangsimpulses des Operationsverstärkers 101 geändert. Dieser Impuls wird dem Schaltkreis 87 so zugeführt, daß dieser abhängig von der Impulsbreite in einen leitenden oder

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nichtleitenden zustand gebracht wird. Dieser Ein-Aus-Betrieb des Schaltkreises 87 bewirkt, daß die der Primärwicklung des Flyback-Transformators 86 zugeführte elektrische Energie der Sekundärwicklung übertragen und aie Energiemenge bestimmt wird von der Zeitdauer, für aie der Schaltkreis 87 während einer Periode des erzeugten Imnulses geschlossen ist.

Wenn der Schaltkreis 87 durch den Generator zur Erzeugung variabler Impulsbreiten 91 mit einer bestimmten Impulsbreite ein- und ausgeschaltet wird, kommt über die Diode 88 ein Stromfluß in die Last und deshalb auch ein -oroportionaler Stromfluß im Widerstand 24 zustande. Die Spannung am Widerstand 24 wird mit der durch den ReferenzsDannungsgenerator 26 erzeugten Referenzspannung verglichen und die resultierende DifferenzsDannung vom Differentialverstärker 90 abgegeben. Für den Pail, daß ein in der Last fließender Strom einen geringeren Wert aufweist als es dem vorgewählten Stromwert entspricht, wird die Ausgangsimpulsbreite des Generators 91 vergrößert, worauf die "Eln-Periode" des Schaltkreises 87 derart verlängert wird, daß die über den Flyback-Transformator 86 übertragene Energiemenge vergrößert und der Last ein größerer Strom zugeführt wird. \!enn der in die Last fließende Strom einen größeren Wert aufweist als der vorgewählte Stromwert, wird die Breite des Ausgangsimnulses aus dem Generator 91 verringert. Auf diese Weise wird der Last ein konstanter Strom zugeführt. Die Impulsbreite läßt sich durch Ändern des Wertes des Widerstandes 24 einstellen.

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Die Schwingschaltung 12 beruht auf dem selben Prinzip, wie der mit Bezug auf Fig. 6 beschriebene selbsterregte Oszillator-Schaltkreis vom Colpitts-Typ. Eine Darlingtonschaltung 72' enthält Transistoren 109 und 110, sowie widerstände 111 und 112: sie findet anstelle .des früher beschriebenen Transistors 72 Anwendung mit dem Ziel der Verbesserung des Verstärkungsfaktors . In Serie zur Basis des Transistors 72 ist eine Induktivität 113 geschaltet, wobei zwischen den Kollektor und den Emitter des Transistors 72 ein Kondensator 73 eingefügt ist, um den Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung zu steigern. Über einen Gleichstrom-Abblockkondensator 114 ist ein Transformator 115 zwischen den Kollektor und die Basis angeschaltet; die Einschaltung des Transformators 115 dient der wirksamen Anoassung des Wandlers 13· Die Schwingbedingungen dieser Schwingschaltung 12 sind in vollem Umfang dieselben, wie jene der Schwingschaltung 12 in Fig. 6.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Wandlers 13· Der Wandler 13 enthält zwei scheibenförmige, übereinstimmende Polarität aufweisende piezoelektrische Elemente 116 und 116', eine zwischen die beiden Elemente 116, 116' eingefügte Elektrode 117, einen Stützblock 118 und ein mittels vier Befestigungsbolzen 120 fest angeordnetes Amplitudenverstärkungshorn 119 und schließlich einen ringförmigen Vibrator 121, welcher an das Ende des Amplitudenverstärkungshorns 119 angekoppelt ist.

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Im folgenden wird der Betrieb des Wandlers 13 beschrieben. Führt man elektrische Energie geeigneter Frequenz und Spannung aus der oben beschriebenen Schwingschaltung 12 den piezoelektrischen Elementen 116 und 116', zwischen denen die Elektrode 117 eingefügt ist, zu, erfährt die elektrische Energie durch den piezoelektrischen Effekt eine Umwandlung in mechanische Energie, wobei der Wandler 13 in Richtung der Dicke der piezoelektrischen Elemente 116 und 116' erregt wird. Der Stützblock 118 und das Korn 119 sind so bemessen, daß sie als Gesamteinheit mit der Schwingung in Resonanz geraten. Hierdurch wird bewirkt, daß der ringförmige Schwinger 121 mit einer größeren Amplitude schwingt, da die mechanischen Dimensionen der relevanten Teile so bemessen sind, daß die Amplitude der schwingung an dor Verbindungsfliehe des Horns 119 und des ringförmigen achwingers 121 größer ist als die Amplitude der piezoelektrischen Elemente 116 und 116'. Der ringförmige Schwinger 121 ist so bemessen, daß er senkrecht zur zylindrischen Oberflache mit einer Resonanzfrequenz schwingt, die gleich der zugeführten üchwingfrequenz ist und daß er blattförmige Biegeschwingungen mit einer Vielzahl von Schwingungsknoten und -bauchen ausführt. Auf aiese V/eise wird die zwischen der elektrode 117 und Masse zugeführte elektrische Energie in ultraschallschwingung umgesetzt. Wegen der großen Ausdehnung innerer und äußerer zylindrischer Flächen des ringförmigen Schwingers 121 kann die Zerstäubung einer großen Menge von Flüssigkeit mit hinreichender Schwingamülitude erfolgen.

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Es wird angenommen, daß sich sämtliche Schaltungen in einem eingeschwungenen Betriebszustand befinden und eine geeignete Flüssigkeitsmenge dem ringförmigen Schwinger 121 des Wandlers 13 zugeführt und dort zerstäubt wird . Erhöht man unter dieser Betriebsbedingung die Flüssigkeitszufuhr, so wird die WiderstandskomDonente R des V/andlers 13 vergrößert und in Übereinstimmung damit auch die Widerstandskomnonente aus der Sicht der Primärseite des Transformators 115 vergrössert. Andererseits arbeitet die Konstantstromschaltung 11 zur Umwandlung der elektrischen Energie aus der Batterie 10c in konstanten Strom unabhängig von der Laständerung, wobei der konstante Strom der Schwingschaltung zugeführt wird. Da der in der Widerstandskomnonente R fließende Hochfreuuenzstrom von der Spannung zwischen den Anschlüssen der Schwingschaltung 12 abhingt, wird diese Spannung vergrößert. Auf diese Weise wird eine Energiezufuhr bewirkt, die größer ist als die Zufuhr an Energie vor der Vergrößerung der Flüssigkeitszuführung und somit bewirkt, daß der Wandler dem Zuwachs an Flüssigkeitsmenge standhält. Die Konstantstromschaltung 11 ist in ähnlicher V/eise ausgebildet, wie die im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebene Schaltung und arbeitet so, daß der Laststrom unabhängig von der Variation der Eingangssnannung konstant gehalten wird. Da der Flyback-Transformator 86 und der Anpaßtransformator 115 Anwendung finden, läßt sich ein geeigneter Arbeitsounkt bestimmen und der Wirkungsgrad der gesamten Schaltung durch nassende Bemessung der Impulsbreite des Ausgangssignals aus dem Generator zur Erzeugung variabler

Impulsbreiten 91 verbessern. Ungleich der in Fig. 4 dargestellten Konstantstromschaltung ist die hier vorgestellte Konstantstromschaltung 11 so bemessen, daß die zur Absorption der Laständerungskoinponente und der G-leichspannungskomponente notwendige überschüssige Energie nicht dauernd verbraucht wird, sondern die einmal gespeicherte Energie entladen wird. Die Konstantstromschaltung 11 kann deshalb theoretisch die Steuerfunktion ausüben, ohne Energie zu verbrauchen. Wenn deshalb diese Zerstäubevorrichtung in einem Automobil Verwendung finden soll, läßt sich die Zerstäubung mit hohem V/irkungsgrad und guter Stabilität auch mit einer Batteriespannung, die in weitem Umfang variabel und niedrig sein kann, bewirken. Ferner sind, ähnlich wie in dem oben beschriebenen Beispiel, die Konstantstromschaltung 11 und die Schwingschaltung 12 mit der Ausnahme der elektrischen SDeiseleitungen in vollem Umfang voneinander getrennt. Die Schaltungen 11 und können deshalb geeignet festgelegt werden, wobei die Konstantstromschaltung 11 von einer möglicherweise in Verbindung mit einem Fehler in der Schwingschaltung 12 oder dem Wandler 15 verursachten Beschädigung geschützt ist. Der Wandler 13 weist geringe Abmessungen auf und läßt die Zerstäubung einer großen Menge an Flüssigkeit zu, er weist ferner einen hohen V/irkungsgrad auf, d. h. er ist mit einem sehr hohen Gütefaktor "Q" versehen. Eigenresonanzfrequenz und Impedanz des Wandlers ändern sich in erheblichem Maße abhängig von der TemOeratur und uer Variation der Last. Der Wandler läßt sich

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jedoch immer bei einer Frequenz, die der Eigenresonanzfrequenz entspricht oder nahe dieser Frequenz liegt, bei Benutzung des oben beschriebenen, selbsterregten Oszillatorschaltung betreiben. Ferner lassen sich bezüglich der ImOedanzvariation,mittels Speisung des Wandlers mit einer näherungsweise konstanten Stromstärke, große Flüssigkeitsmengen gleich· förmig zerstäuben.

In den oben beschriebenen ersten, zweiten und dritten erfindungsgemäßen Ausführungsformen läßt sich anstelle der Konstantstromschaltung 11 eine KonstantStromsehaltung des sog. Paralleltyps benutzen, welche eine parallel zur Stromquelle angeordnete Stromsteuerschaltung für den Betrieb der Schwingschaltung 12 enthält, welche die Last für die Konstant Stromschaltung darstellt.

Obgleich die variable Gestaltung des ArbeitsPunktes eine Schwierigkeit darstellt, läßt sich näherungsweise dieselbe Konstantstromcharakteristik und derselbe Effekt auch durch den Einsatz einer Konstantstromdiode als elektrisch aktives Element oder eines eine positive Temperaturcharakteristik aufweisenden Widerstandes als elektrisch passives Element anstelle der Konstantstromschaltung 11 erzielen.

In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung finden diese Anwendung in Vorrichtungen zur Zerstäubung von Flüssigkeiten: es sei jedoch festgestellt, da!? der An-

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Wendungsbereich, der Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. BeisOielsweise kann die Erfindung auch Anwendung finden bei der Ansteuerung und dem Betrieb eines in einer Bearbeitungsvorrichtung oder ähnlichen Vorrichtungen enthaltenen niezoelektrischen Wandlers, in welcher am Ende des Horns, wie in Fig. 11 dargestellt, ein Bearbeitungsv/erkzeug angebracht ist, so daß ein Werkstück durch die Ultraschallschwingung des Werkzeuges bearbeitet wird.

Diese Anwendung wird im folgenden beschrieben. Ein Tragearm 126 ist mittels eines drehbaren Stellrades 124 auf einer Führungss^Lule 123 verschiebbar angeordnet. Die Säule 123 ist in einer G-rundnlatte 122 einer Bearbeitungsvorrichtung befestigt. Ein Bohrwerkzeug 128 ist am Ende eines konischen Horns 127 befestigt, das im Bereich seines Schwingungsknotens mittels den Tragearms befestigt ist, so daß ein fest mit einer Grundnlatte 122 verbundenes Werkstück 129 mittels der Ultraschallschwingung des Bohrwerkzeuges bearbeitet werden kann. Wenn in einer in dieser Weise konstruierten Torrichtung das piezoelektrische Element 130 mit dem Horn 127 integriert ist und mit einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen '.''and le rs betrieben wird, erfolgt die zuführung elektrischer Leistung in Abhängigkeit von der Last, weil ein konstanter Strom, dessen Stärke unabhängig ist υοώ. der Laständerung, zugeführt wird, dies auch bei auf das Bearbeitungswerkzeug einwirkenden, von Inhomogenitäten im

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Material des ',/erkstücks 129 herrührenden Laständerungen. Es lassen sich somit Schwierigkeiten, beispielsweise dor Art, ca.?, die Bearbeitung eines Y/erkstückes unmöglich ist oder dieses bei der Bearbeitung überbeansprucht wird, vermeiden; dies bedeutet, daß das Werkstück gleichmäßig bearbeitet werden kann.

Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung macht deutlich, daß die Konstantstromschaltung und die Schv.-ingschaltung dazu dienen, den niezoelektrischen Wandler mit näherungsweise konstantem Strom zu betreiben. V/eder die Stromquelle noch die Konstantstromschaltung können deshalb jemals durch einen Kurzschluß im 7/andler oder dergleichen beschädigt weraen. Da die Schaltungsanordnung in einen Gleichstrom- und einen HP-Teil unterteilt ist, werden Schaltungsauslegung und Betrieb relativ einfach.

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Claims

BLUMBACH ..WESER · 3EfRGEN · KRAMER

■ ZWIRNER« BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN ^ ^ I ü O H U

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger StraOe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

KABTJSHIKI KAISHA TOYOTA CHUO KENKYUSHO 79/8724

2-12, Hisakata, Tempaku-ku, Jiagoya-shi, 2J. April 1979 Aichi-ken

Pat entansprüche:

Elektrische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Wandlers mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle und einer an die elektrische Gleichspannungsquelle angeschlossenen Schwingschaltung, wobei die Schwingschaltung den piezoelektrischen Wandler mit einem elektrischen Signal einer der Resonanzfrequenz des Wandlers entsprechenden !Frequenz ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Gleichspannungsquelle (10) und die Schwingschaltung (12) eine Konstantstromschaltung (11) eingefügt ist, die ein von der Gleichspannungsquelle (10) erhaltenes Gleichstromsignal verarbeitet und einen konstanten Ausgangsstrom mit vorbestimmter, konstanter Stromstärke an die Schwingschaltung (12) abgibt, wodurch der piezoelektrische Wandler (13) mit näherungsv/eise konstanter Stromstärke angetrieben wird.

Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromschaltung (11) ein

München: R. Kramer Dipt.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . H. P. ßrehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dlpl.-Ing. · P, Bergen Dipl.-ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-lng.

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elektrisches Element (24 bis 28, 54-, 91) mit vorbestimmten elektrischen.Kennwerten enthält und den konstanten Ausgangsstrom unter Ausnutzung dieser Kennwerte des elektrischen Elements abgibt.

3. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 ί" dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromschaltung (11) enthält

eine Stromüberwachungsschaltung (15)

zur Überwachung des Stromflusses von der Gleichspannungsquelle (10) zum piezoelektrischen Wandler (13)

einen der Erzeugung einer Referenzspannung dienendes Referenz spannungsgenerator (17)

eine Spannungsvergleicherschaltung (16) zum Vergleich einer von der Stromüberwachungsschaltung (15) abgegebenen Spannung mit der Referenzspannung und schließlich

eine Konstantstrom-Steuerschaltung (14) zur Steuerung des Ausgangsstromes auf einen vorbestimmten, konstanten Wert, wobei eine Ausgangsspannung abgegeben wird, deren Spannungswert in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Spannungsvergleicherschaltung (16) steht und ein konstanter Ausgangsstrom abgegeben wird, so daß der Schwingschaltung (12) der konstante Ausgangsstrom zugeführt und der piezoelektrische Wandler (13) mit näherungsweise konstantem Strom gespeist wird.

4. Elektrische Spannungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisches Element ein elektrisch aktives Element mit vox'gegebenen elektrischen Kennwerten verwendet ist.

5. Elektrische Spannungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisches Element ein elektrisch passives Element mit vorgegebenen elektrischen Kennwerten verwendet ist.

6.- Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische, aktive Element der Konstantstromschaltung (11) einen Transistor enthält.

7. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische aktive Element der Konstantstromschaltung (11) eine Konstantstromdiode enthält.

8. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anpsurch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische, passive Element der Konstantstromschaltung (11) einen eine positive Temperaturkennlinie aufweisenden Widerstand enthält.