транзисторный генератор для резонансных нагрузок

Формула изобретения

Транзисторный генератор для резонансных нагрузок, содержащий полумостовой инвертор на IGBT транзисторах, управляемых включенным по типовой схеме драйвером полумоста с внутренним генератором и внешней времязадающей RC-цепью, выполненным по NOSFET технологии, с выходным трансформатором, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен оптронным транзистором, тремя резисторами, конденсатором и трансформатором тока, включенным в цепь вторичной обмотки выходного трансформатора последовательно с резонансной нагрузкой, причем информационный выход трансформатора тока подсоединен к дополнительному конденсатору, который через последовательно включенный первый дополнительный резистор подключен параллельно конденсатору внешней времязадающей RC-цепи, точка соединения конденсатора и резистора которой через второй дополнительный резистор связана с "плюсом" питающего драйвер напряжения, а через дополнительный диод - с точкой соединения оптронного транзистора и третьего дополнительного резистора, противоположные выводы которых подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам питающего драйвер напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в различных технологических процессах, идущих с использованием ультразвуковых колебаний.

Известны транзисторные генераторы, выполненные на базе полумостовых или мостовых инверторов [1, 2]. Они достаточно просты по схемному решению, но имеют ряд существенных недостатков, препятствующих их широкому применению в ультразвуковых технологических процессах, а именно:

- сильную зависимость частоты от питающего напряжения;

- трудности в реализации широкодиапазонной системы автоподстройки частоты.

Также известен транзисторный генератор [4], взятый в качестве прототипа. Он содержит полумостовой транзисторный инвертор с выходным трансформатором на IGBT транзисторах, управляемых включенным по типовой схеме драйвером полумоста со встроенным задающим генератором, выполненным по NOSFET технологии с внешней времязадающей RC-цепью. Использование современных транзисторов и последних разработок в микросхемотехнике полумостовых драйверов ( в качестве прототипа использована последняя разработка фирмы IR США) позволило обеспечить высокую надежность работы полумостового инвертора за счет формирования оптимальных режимов управления транзисторами. Основным недостатком при использовании такого типа генераторов для работы на резонансные нагрузки является отсутствие стандартной системы автоподстройки частоты генератора, что приводит к необходимости значительного усложнения схемного решения в целом, снижению надежности работы, снижению быстродействия и возникновению опасных переходных процессов.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы транзисторного генератора на резонансную нагрузку.

Поставленная задача достигается тем, что транзисторный генератор для резонансных нагрузок, содержащий полумостовой инвертор с выходным трансформатором на IGBT транзисторах, управляемых включенным по типовой схеме драйвером полумоста с внутренним генератором и внешней времязадающей RC-цепью, выполненным по NOSFET технологии, дополнительно снабжен оптронным транзистором, тремя резисторами, конденсатором и трансформатором тока, включенным в цепь вторичной обмотки выходного трансформатора последовательно с резонансной нагрузкой, причем информационный выход трансформатора тока подсоединен к дополнительному конденсатору, который через последовательно включенный первый дополнительный резистор подключен параллельно конденсатору внешней времязадающей RC-цепи, точка соединения конденсатора и резистора которой через второй дополнительный резистор связана с плюсом питающего драйвер напряжения, а через дополнительный диод с точкой соединения оптронного транзистора и третьего дополнительного резистора, противоположные выводы которых подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам питающего драйвер напряжения.

На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, а на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Схема состоит из полумостового транзисторного инвертора 1 с управляющим драйвером, включенным по типовой схеме, с выходным трансформатором 2 в диагонали полумоста. Управляющий драйвер содержит встроенный задающий генератор с внешней времязадающей RC-цепью 3-4. Параллельно конденсатору 4 времязадающей RC-цепи подключена дополнительная RC-цепь 5-6, к конденсатору 6 которой подключена информационная обмотка токового трансформатора 7, установленного последовательно с резонансной нагрузкой 8 в цепи вторичной обмотки выходного трансформатора 2. Кроме того, средняя точка времязадающей RC-цепи 3-4 подсоединена через резистор 9 к плюсу источника питания драйвера, а через диод 10, анодом подключенный к средней точке цепи 3-4, к точке соединения оптронного транзистора 11, коллектором подсоединенного к плюсу источника питания драйвера, и дополнительного резистора 12, другим концом связанного с минусом источника питания драйвера.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии силовое напряжение на клеммы питания инвертора подано, но инвертор не работает, поскольку оптронный транзистор 11 закрыт и времязадающий конденсатор 4 драйвера разряжен через диод 10 и резистор 12. При подаче управляющего сигнала на светодиод оптронного транзистора 11 последний открывается и падение напряжения на резисторе 12 закрывает диод 10, обеспечивая разрешение нормальной работы драйвера. Таким образом, предлагаемая цепь 10-11-12 обеспечивает выполнение функций командного устройства, управляя работой драйвера.

При работе на резонансную нагрузку, в качестве которой можно для примера рассмотреть ультразвуковой пьезокерамический излучатель, ток, протекающий по вторичной обмотке выходного трансформатора 2, в зависимости от добротности нагрузки будет более или менее приближаться к синусоидальному. Основная задача любого генератора, работающего на резонансную нагрузку, - обеспечивать поддержание резонансного режима работы. При относительно простых эквивалентных схемах резонансной нагрузки, приближающихся в резонансных режимах к простейшим резонансным контурам, наиболее предпочтительной системой регулирования частоты является фазовая. В своем стандартном исполнении такая система достаточно сложна в исполнении, инерционна за счет используемых фильтров, требует наличия нескольких датчиков, поскольку должна обеспечивать выполнение определенных фазовых соотношений между выходным током и выходным напряжением, должна содержать блоки преобразования сравниваемых сигналов и блоки формирования управляющих сигналов. Предлагаемая система фазового регулирования частоты генератора лишена указанных недостатков. При подаче токового сигнала с трансформатора тока 7 на конденсатор 6 происходит выделение информационного сигнала, соответствующего первой гармонике выходного тока генератора, но сдвинутого относительно ее на 90 град. Этот информационный сигнал поступает через резистор 5 на конденсатор 4 времязадающей RC-цепи драйвера, где одновременно происходит сравнение фаз и преобразование фазового рассогласования информационных сигналов, соответствующих выходному току и выходному напряжению. Поскольку резистор 5 много больше по номиналу, чем резистор 3 времязадающей цепи драйвера, а конденсатор 6 по номиналу много больше конденсатора 4 времязадающей цепи драйвера, можно считать, что конденсатор 6 выступает по отношению к конденсатору 4 как источник синусоидального тока. Тогда, как показано на эпюрах фиг.2 заштрихованная площадь информационного токового сигнала одной полярности для спада пилообразного сигнала времязадающего конденсатора 4 является замедляющей, а другой полярности - ускоряющей, а для фронта пилообразного сигнала - наоборот, что при точном сдвиге фаз сравниваемых информационных сигналов в 90 град. не меняет частоту работы генератора. При прочих вариантах фазировки информационных сигналов: ток опережает напряжение - частота снижается до наступления резонанса; напряжение опережает ток - частота повышается до наступления резонанса. В описанной системе есть лишь один недостаток: одновременно с описанными процессами происходит разряд времязадающего конденсатора 4 через резистор 5 и обмотку токового трансформатора 7. Для компенсации этого процесса в схему введен дополнительный резистор 9, равный по номиналу резистору 5, обеспечивающий заряд конденсатора 4 с той же постоянной времени, что и разряд.

Таким образом, предлагаемый транзисторный генератор для резонансных нагрузок оказывается максимально прост по исполнению, позволяет использовать самую современную элементную базу, что в сочетании обеспечивает высокую надежность его работы. Кроме того, использование предложенной системы фазовой автоподстройки частоты за счет прямого преобразования фазового сдвига в частотное изменение позволяет минимизировать длительность переходных процессов с одной стороны и обеспечить повышенный диапазон удержания резонансного режима при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Поскольку пьезокерамический излучатель 8, являющийся нагрузкой предлагаемого генератора, характеризуется эквивалентной схемой последовательного колебательного контура [3], у которого в качестве активного сопротивления выступают последовательно включенные сопротивление потерь и сопротивление технологической нагрузки, очевидно, что в согласованном режиме при работе на частотах, близких к резонансной, эквивалентное сопротивление излучателя как нагрузки выходного трансформатора генератора будет изменяться в очень широких пределах в зависимости от величины технологической нагрузки. То есть при отсутствии технологической нагрузки (режим холостого хода) эквивалентное сопротивление излучателя мало и добротность велика, а при значительной технологической нагрузке (так, например, при работе ультразвукового скальпеля по костной ткани либо при чистке в жидкой среде большой активной поверхностью ультразвукового инструмента) эквивалентное сопротивление излучателя может вырасти более чем на порядок, а добротность соответственно сильно уменьшиться. Очевидна необходимость адаптации режима работы системы автоподстройки частоты к изменяющимся в широких пределах параметрам нагрузки. Предлагаемая схема генератора и обеспечивает такого рода адаптацию за счет изменения амплитуды информационного токового сигнала, поступающего с токового трансформатора 7 при изменении добротности нагрузки. Таким образом, чем уже резонансная кривая нагрузки, тем выше уровень возникающего фазового рассогласования, тем более жестко система удерживает режим резонанса.

Предлагаемая схема имеет следующие преимущества перед известными:

- использование стандартной схемы транзисторного инвертора на современной элементной базе и управляющего драйвера, включаемого по типовой схеме, обеспечивает схемную простоту и высокую надежность генератора в целом, а применение предлагаемой исключительно простой системы фазовой автоподстройки частоты позволяет сохранить высокую надежность устройства даже при придании ему новых важных функций;

- применение внутреннего сигнала генератора (с конденсатора времязадающей RC-цепи драйвера) в качестве одного из сравниваемых по фазе обеспечивает возможность прямого преобразования фазового сдвига в частотное изменение выходного сигнала генератора;

- наконец, применение предлагаемой системы позволяет адаптировать работу генератора к условиям изменяющейся добротности резонансной нагрузки.

Литература

1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергия, 1986, 136 с.

2. Патент РФ №2086070. «Ультразвуковой транзисторный генератор», МКИ 5 Н 02 М 7/537, БИ №21, 1997 г.

3. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. - М., Мир, 1972, - 424 с.

4. Информационный материал PD-91800 фирмы International Rectifier по техническим характеристикам драйвера полумоста IR 2153 Z, http://www.irf.com.1995 г., стр.2 (прототип).