Результат интеллектуальной деятельности: ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ РЕЗОНАНСНЫХ НАГРУЗОК

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 [Моин B.C. «Стабилизированные транзисторные преобразователи». - М., Энергия, 1986, - 136 с.; Патент РФ №2086070 «Ультразвуковой транзисторный генератор», МКИ 5 Н02М 7/537, Б.И. №21, 1997 г.]. 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 [Патент РФ №2260899 «Транзисторный генератор для резонансных нагрузок», МПК 7 H03В 5/12, Н02М 7/537, Б.И. №26, 2005 г.], 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 [Информационный материал PD-91800 фирмы International Rectifier по техническим характеристикам драйвера полумоста IR2153Z] позволило обеспечить высокую надежность работы полумостового инвертора за счет формирования оптимальных режимов управления транзисторами, а применение оптронного командного устройства позволило достичь высокой помехоустойчивости и надежности в управлении генератором. Использование для фазовой автоподстройки частоты сигнала токового трансформатора и внутреннего сигнала драйвера обеспечило достаточно простую и надежную систему эффективной работы генератора на резонансную нагрузку.

Основным недостатком при использовании такого типа генераторов для работы на резонансные нагрузки типа пьезокерамических излучателей является значительное (иногда более чем на порядок) увеличение нагрузки активных силовых элементов генератора в режимах, близких к холостому ходу. Особенно при работе мощных генераторов на высокодобротные пьезокерамические излучатели в технологических процессах, рассчитанных на значительные нагрузки, что значительно снижает надежность работы транзисторного генератора

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы транзисторного генератора на резкопеременную высокодобротную нагрузку типа пьезокерамического излучателя при повышенных значениях эквивалентной технологической нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что 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, выполненному по NOSFET технологии, с выходным трансформатором, оптронным транзистором и трансформатором тока, информационный выход которого подсоединен к конденсатору, который через RC-цепь подключен параллельно конденсатору внешней времязадающей RC-цепи, включенному в цепь вторичной обмотки выходного трансформатора последовательно с резонансной нагрузкой, согласно заявляемому изобретению дополнительно снабжен двумя конденсаторами, двумя резисторами, вторичной обмоткой токового трансформатора, ключом переменного тока, компаратором и выпрямителем, причем к дополнительной вторичной обмотке токового трансформатора подсоединен первый конденсатор и вход выпрямителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с источником опорного напряжения, а выход подсоединен к управляющему входу ключа переменного тока, подключающего дополнительную вторичную обмотку токового трансформатора к первому дополнительному резистору и через последовательно соединенные второй конденсатор и второй резистор к конденсатору времязадающей цепи драйвера.

На рис.1 приведена принципиальная схема устройства.

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 через RC-цепь 5-6 подключен конденсатор 7, к которому подключена информационная обмотка токового трансформатора 8, первичная обмотка которого соединяет вывод вторичной обмотки выходного трансформатора 2 и первый вывод резонансной нагрузки в виде пьезокерамического излучателя 11. Другой вывод вторичной обмотки выходного трансформатора 2 подсоединен ко второму выводу резонансной нагрузки 11. Дополнительная вторичная (информационная) обмотка токового трансформатора 9 с параллельно включенным первым дополнительным конденсатором 10 подключена ко входу выпрямителя 13 и через ключ переменного тока 14 к первому дополнительному резистору 15 и через последовательную цепочку второй дополнительный резистор 17 и второй дополнительный конденсатор 16 к конденсатору 4 времязадающей RC- цепи драйвера. Выход выпрямителя 13 подсоединен к первому входу компаратора 18, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход подсоединен к управляющему входу ключа переменного тока 14.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии силовое напряжение на клеммы питания инвертора подано, но инвертор не работает, поскольку оптронное командное устройство 12 не включено. При подаче управляющего сигнала на оптронное командное устройство последнее открывается, обеспечивая разрешение нормальной работы драйвера. Таким образом, оптронное командное устройство управляет работой драйвера.

При работе на резонансную нагрузку, в качестве которой рассматривается ультразвуковой пьезокерамический излучатель 11, ток, протекающий по вторичной обмотке выходного трансформатора 2, в зависимости от добротности нагрузки будет более или менее приближаться к синусоидальному. Основная задача генератора, работающего на пьезокерамический излучатель, - обеспечивать поддержание максимальной амплитуды акустических колебаний излучателя (что соответствует режиму работы, называемому механическим резонансом) при различных условиях протекания технологического процесса (при различных технологических нагрузках). 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. Известная система (прототип), сохраняя в этом смысле все свои положительные качества, обеспечивает поддержание электрического резонанса акустической системы (пьезокерамического излучателя), а не механического, поскольку в качестве одного из фазовых сигналов используется полный ток акустической системы, представляющий сумму механической и электрической ветвей эквивалентной схемы пьезокерамического излучателя [Ультразвуковые преобразователи / Под ред. Е.Кикучи. - М.: МИР, 1972. - 424 с.].

Предлагаемая система фазового регулирования частоты генератора лишена указанных недостатков. При поступлении полного токового сигнала на основную первичную обмотку токового трансформатора 8 через встречно включенную дополнительную первичную обмотку проходит ток, соответствующий электрической составляющей полного тока за счет включения дополнительного конденсатора 10, емкость которого соответствует собственной емкости используемой пьезокерамики. В результате с информационной обмотки трансформатора тока 8 на конденсаторе 7 происходит выделение информационного сигнала, соответствующего первой гармонике тока механической ветви акустической системы. Этот информационный сигнал поступает через RC-цепь 5-6 на конденсатор 4 времязадающей RC - цепи драйвера, где одновременно происходит сравнение фаз и преобразование фазового рассогласования информационных сигналов, соответствующих первой гармонике тока механической ветви акустической системы (резонансной нагрузки) и выходному напряжению.

Поскольку пьезокерамический излучатель 11, являющийся нагрузкой предлагаемого генератора, характеризуется эквивалентной схемой последовательного колебательного контура [Ультразвуковые преобразователи / Под ред. Е.Кикучи. - М.: МИР, 1972. - 424 с.], 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. Это приводит к существенному уменьшению тока, протекающего через пьезокерамический излучатель, и, соответственно, снижению основного технологического параметра - амплитуды колебаний рабочего торца ультразвукового излучателя. Для компенсации этого явления предложено использовать дополнительный высокочастотный дроссель 9. С одной стороны, обеспечивая электрический резонанс контура, образованного индуктивностью дросселя 9 и собственной емкостью пьезокерамики излучателя, он формирует напряжение на излучателе, близкое к синусоидальному, а с другой стороны, обеспечивает акустической системе и генератору режим, близкий к источнику тока, поскольку при возрастании эквивалентной нагрузки добротность этого контура возрастает и напряжение на излучателе увеличивается, в какой-то мере сохраняя протекающий по излучателю ток. При этом очевидно увеличение влияния электрической составляющей полного тока с ростом эквивалентного сопротивления нагрузки. 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 компенсации электрической составляющей в полном токе излучателя и соответствующих изменений информационного токового сигнала, поступающего с токового трансформатора 8 при изменении добротности нагрузки.

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 повышение акустической эффективности работы транзисторного генератора при работе на резонансную нагрузку типа пьезокерамического излучателя при повышенных значениях эквивалентной технологической нагрузки.

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.