ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК H01L41/09 H02N2/06 B06B1/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к генератору для питания пьезоэлектрического преобразователя и, в частности, к применению такового в стоматологии (в настоящей заявке выражение «пьезоэлектрический преобразователь» относится к любому пьезоэлектрическому прибору, который преобразовывает электрический сигнал в другое качество, а именно, отсюда следует, что пьезоэлектрический двигатель является частным случаем пьезоэлектрического преобразователя).

Уровень техники

Известно, что импеданс пьезоэлектрического преобразователя имеет тенденцию к существенному изменению в зависимости от условий эксплуатации, которым он подвергается. С одной стороны, импеданс пьезоэлектрического устройства достигает своего минимума при частоте, соответствующей резонансу напряжений, а с другой стороны, возрастание механической нагрузки вызывает возрастание импеданса. Эти вариации импеданса представляют собой определенные проблемы. Действительно, если преобразователь питается генератором типа «источник тока», то мощность, подаваемая на преобразователь, пропорциональна импедансу. Следовательно, мощность может бесконтрольно возрастать. Таким образом, если например, устройство применяется в стоматологии при удалении зубного камня, то есть вероятность повреждения зуба при снятии камня. С другой стороны, если преобразователь питается генератором типа «источник напряжения», то доставляемая мощность уменьшается по гиперболическому закону в соответствии с возрастанием импеданса. Таким образом, чем больше требуется механической работы, тем меньшей мощностью будет снабжать генератор; это далеко от идеала. Более того, при отсутствии механической нагрузки мощность, приложенная к преобразователю, бесконтрольно возрастает, что может привести к разрушению пьезоэлектрического инструмента.

В документе FR 2391001 предложено решение вышеупомянутой проблемы. Генератор для питания пьезоэлектрического преобразователя, описанный в данном документе, содержит трансформатор, первичная обмотка которого возбуждается генератором колебаний, а вторичная обмотка подключена к питанию преобразователя. Сам генератор колебаний питается одновременно генератором постоянного тока (источник тока) и генератором напряжения (источник напряжения). Предусмотрены средства, которые блокируют генератор напряжения до тех пор, пока импеданс нагрузки остается ниже, чем установленный порог и, наоборот, блокируют генератор тока до тех пор, пока импеданс нагрузки превышает установленный порог.

Фиг.1А, срисованная с вышеупомянутого документа, представляет собой график, показывающий подаваемую мощность Р в зависимости от импеданса Z преобразователя в случае минимальной мощности (кривая I), промежуточной мощности (кривая II) и максимальной мощности (кривая III). Если рассматривать кривую II, соответствующую промежуточной мощности, можно увидеть, что до тех пор, пока импеданс Z преобразователя ниже, чем базовый порог Z_b, мощность Р, подаваемая на преобразователь, возрастает пропорционально импедансу. Если импеданс превышает порог, генератор постоянного тока блокируется, а генератор напряжения освобождается. С этого момента подаваемая мощность уменьшается по гиперболическому закону по мере возрастания импеданса.

Генератор питания пьезоэлектрического преобразователя, который был только что описан, имеет недостаток, заключающийся в том, что обеспечение максимальной мощностью осуществляется только для абсолютно точной величины импеданса преобразователя (в целом трапецеидальной формы кривых I и II, как показано на фиг.1А). Цель настоящего изобретения - создание генератора, подающего постоянную мощность в интервале изменения импеданса (как показано на первой кривой практически трапецеидальной формы на фиг.1В).

Раскрытие изобретения

Эта цель достигается с помощью настоящего изобретения путем создания генератора для подачи питания на пьезоэлектрический преобразователь в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества данного изобретения будут понятны из последующего описания, приведенного только как пример, не ограничивающий изобретение, со ссылкой на прилагаемые рисунки, где:

фиг.1А - график мощности, подаваемой генератором, описанным в прототипе, как функции импеданса пьезоэлектрического преобразователя;

фиг.1В - график, позволяющий осуществлять сравнение мощности, подаваемой генератором, в соответствии с настоящим изобретением, с мощностью, подаваемой генератором согласно прототипу;

фиг.2 - электрическая схема конкретного варианта реализации настоящего изобретения;

фиг.3A, 3B, 3C - три графика, изображающие три значения импеданса пьезоэлектрического преобразователя соответственно, а также изображающие ток и напряжение обмоток трансформаторов генератора на фиг.2.

Осуществление изобретения

На фиг.2 представлена электрическая схема генератора в соответствии с конкретным вариантом реализации изобретения. Генератор для подачи питания на пьезоэлектрический преобразователь содержит два трансформатора 11А и 11В, каждый из которых содержит первичную обмотку L1 и вторичную обмотку L2. Каждая из двух вторичных обмоток L2 соединена одним из своих выводов с одним из контактов пьезоэлектрического устройства 5, а своим другим выводом с землей; при этом диод (13 и 15 соответственно) включается между каждой вторичной обмоткой и пьезоэлектрическим устройством 5.

Каждая первичная обмотка L1 трансформаторов 11А и 11В соединена последовательно с выключателем (19А и 19В соответственно) между выводами источника питания. В данном примере источник питания представляет собой источник напряжения, обозначенный 17, один вывод которого соединен с обеими первичными обмотками L1, а другой вывод с землей. Выключатели 19А и 19В так же, как и другие выключатели, упомянутые в данном описании, являются электрически регулируемыми выключателями, которые могут быть реализованы в виде транзисторов. Кроме того, что каждый вывод соединен со вторичной обмоткой L2 одного из двух трансформаторов, оба вывода пьезоэлектрического преобразователя 5 также соединяются с землей через диод 23 и выключатель 21В и через диод 25 и выключатель 21А соответственно. Это означает, что с одной стороны пьезоэлектрический преобразователь 5 соединен последовательно с диодом 13, диодом 25 и выключателем 21А между выводами вторичной обмотки L2 трансформатора 11А, а с другой стороны пьезоэлектрический преобразователь 5 также соединен последовательно с диодом 15, диодом 23 и выключателем 21В между выводами вторичной обмотки L2 трансформатора 11В.

Имеется в виду, что выключатели 19А и 21В приводятся в действие первым управляющим сигналом генератора колебаний, называемым в данном описании «прямым» сигналом, тогда как другие выключатели 19В и 21А приводятся в действие вторым управляющим сигналом генератора колебаний, далее называемым «обратным». В данном примере оба сигнала управления формируются одним и тем же генератором колебаний 27, создавая прямоугольные импульсы напряжения, представляющие собой постоянную последовательность положительных и отрицательных полупериодов. Во время отрицательных полупериодов выключатели 19А и 21В разомкнуты, а выключатели 19В и 21А замкнуты. Во время положительных полупериодов происходит обратное. Во время отрицательных полупериодов цепь формируется за счет вторичной обмотки L2 трансформатора 11А, пьезоэлектрического преобразователя 5, диодов 13 и 25 и замкнутого выключателя 21А, и энергия, накопленная в трансформаторе 11А, передается на нагрузку. В то же самое время выключатель 19В замкнут и первичная обмотка L1 трансформатора 11В соединяется напрямую с источником напряжения 17. Ток через первичную обмотку вызывает возрастание магнитного потока. Таким образом, энергия накапливается в магнитной цепи. Во время прохождения положительных полупериодов происходит обратное. Вторичная обмотка L2 трансформатора 11В возвращает свою энергию при разряде в цепи, содержащей пьезоэлектрический преобразователь 5, диоды 15 и 23 и выключатель 21В, в то время как ток через первичную обмотку L1 трансформатора 11А накапливает индуктивную энергию в своей магнитной цепи. Графики на фиг.3 показывают характер изменения тока и напряжения в обмотках L1, L2 и L3 одного из трансформаторов 11A или 11В. Видно, что ток IL1 в первичной обмотке трансформатора равномерно растет в течение полупериода до снижения до нуля и, оставаясь в этом значении, в течение следующего полупериода. При переходе от одного полупериода к другому вступает в работу вторичная обмотка. Видно, что ток IL2, сила которого снижается, циркулирует во вторичной обмотке. В данном примере ток IL2 циркулирует до полного рассеяния накопленной энергии. Изменение напряжения UL2 между выводами вторичной обмотки повторяют изменение силы тока IL2.

Понятно, что факт наличия двух трансформаторов 11А и 11В и поочередное соединение пьезоэлектрического преобразователя 5 к одному трансформатору и затем к другому позволяет питать пьезоэлектрический преобразователь переменным напряжением. Кроме того, специалисты понимают, что, короче говоря, функция выключателей 19А, 19В, 21А, 21В заключается в том, чтобы приводить в действие трансформаторы 11А и 11В для выполнения своей функции в режиме под общим названием режим «обратного хода».

Далее на фиг.2 видно, что последовательно с первичными обмотками L1 и выключателями 19А и 19В включены два резистора (обозначенные соответственно 39А и 39В). Резисторы 39А и 39В соответственно обеспечивают возможность измерения силы тока, циркулирующего в первичной обмотке L1 трансформаторов 11А и 11В. Измерение тока в обмотке L1 может быть использовано для того, чтобы обеспечить определение максимального значения силы тока. Это максимальное значение свидетельствует о том, что пьезоэлектрический преобразователь 5 вибрирует на своей резонансной частоте. Действительно как уже было сказано, импеданс пьезоэлектрического устройства достигает своего минимума на резонансной частоте. Таким образом, на резонансной частоте нагрузка, включенная между выводами вторичной обмотки L2, является минимальной. При таких условиях может произойти, что нагрузка недостаточна для полного рассеяния мощности, накопленной в трансформаторе. Такой случай представлен графиками на фиг.3В. При рассмотрении этого графика можно видеть, что когда нагрузка очень низкая, ток IL2 и напряжение UL2 не имеют времени упасть до нуля до конца полупериода. Более того, мощность, не рассеянная во вторичной обмотке, обнаруживается в первичной обмотке в начале следующего полупериода. Эта не рассеянная мощность обусловливает появление тока IL1 в начале полупериода (фиг.3В). Следовательно, понятно, что ниже определенной пороговой величины, чем ниже импеданс, тем больше сила тока IL1 в первичной обмотке. Из этого следует, что ток IL1 максимальной силы указывает на то, что преобразователь вибрирует на резонансе. Измерение тока IL1 посредством резисторов 39А и 39В может успешно применяться в контуре обратной связи (не показан), чтобы привести в действие генератор колебаний 27 так, что он вибрирует на резонансной частоте пьезоэлектрического преобразователя 5.

На фиг.2 можно видеть, что каждый из трансформаторов 11А и 11В также содержит третичную обмотку L3. Обмотка L3 трансформатора 11А соединена последовательно с диодом 31 и одним резистором 35 между источником напряжения 17 и землей. Аналогичным образом обмотка L3 трансформатора 11В соединена последовательно с диодом 33 и одним резистором 37 между источником напряжения 17 и землей. Как будет понятно из более подробного дальнейшего описания, функция обмотки L3 заключается в том, чтобы ограничивать максимальную мощность, запасенную вторичной обмоткой L2.

Скорость возрастания силы тока в обмотке L2, когда мощность, накопленная в одном из трансформаторов, передается на нагрузку, естественно зависит от импеданса, связанного с нагрузкой. Чем выше импеданс, тем быстрее снижение тока и выше напряжение между выводами вторичной обмотки. Графики на фиг.3В описывают работу генератора, представленного на фиг.2, в случае, когда механическая нагрузка на пьезоэлектрический преобразователь 5 особенно высокая. На фиг.3В можно видеть, что сила тока IL2 снижается значительно быстрее, чем на фиг.3А. Более того, напряжение UL2 в начале полупериода также существенно выше, чем в случае, представленном на фиг.3А. Понятно, что если по той или иной причине, механическая нагрузка на пьезоэлектрический преобразователь бесконтрольно растет, то выходное напряжение UL2, вероятно, возрастает до такого уровня, при котором нарушается работа генератора. Вот почему в этом примере каждый трансформатор 11А и 11В содержит третью обмотку L3, которая соединяется индуктивно с первичной и вторичной обмотками L1 и L2.

Снова, обратившись к фиг.2, можно увидеть, что диоды 31 и 33 подсоединены к обмотке L3 своими катодами и к земле своими анодами. Поскольку другой вывод каждой из обмоток L3 соединен с положительным выводом источника напряжения 17, диоды находятся под действием отрицательного напряжения UL3. В таких условиях диоды 31 и 33 препятствуют прохождению тока. Однако, если напряжение, индуцированное в обмотке L3, превышает постоянное напряжение питания, результирующее напряжение UL3 на диодах временно становится положительным и ток IL3 начинает циркулировать в обмотке L3. Этот кратковременный ток IL3 имеет цель ограничить напряжение UL2 между выводами обмотки L2. Следовательно, наличие обмотки L3 позволяет ограничить напряжение UL2 до величины, которая определяется выбором соотношения между величинами индукции L2 и L3.

Фиг.1В представляет график, содержащий первую кривую, которая показывает характер изменения мощности, подаваемой генератором, которая описана уже как функция импеданса пьезоэлектрического преобразователя. График также содержит вторую кривую, которая соответствует поведению генератора прототипа, как описано в уже упомянутом патентном документе FR 2391001. На фиг.1В видно, что первая кривая содержит первую возрастающую часть, вторую постоянную часть и, наконец, третью убывающую часть. Вторая часть занимает всю центральную часть графика и, следовательно, соответствует срединным значениям импеданса. В этом интервале мощность, производимая генератором в соответствии с изобретением, является постоянной, и работа генератора соответствует тому, как описано графиками на фиг.3А. Первая часть кривой соответствует значениям импеданса, которые недостаточны для полного рассеяния мощности, накопленной в трансформаторах до конца полупериода. Эта первая часть кривой соответствует интервалу, в котором работа генератора подобна той, что описана графиками на фиг.3С. В этом интервале затрачиваемая мощность понижается пропорционально импедансу. Третья часть кривой соответствует самым высоким значениям импеданса. Работа генератора в этом диапазоне соответствует той, что описана графиками на фиг.3В. В этом диапазоне напряжение между выводами вторичной обмотки L2 ограничивается обмоткой L3, и ток вследствие этого уменьшается по мере возрастания импеданса.

Другое преимущество данного изобретения заключается в том, что трансформаторы 11А и 11В создают гальваническую развязку между пьезоэлектрическим преобразователем 5 и источником питания 17. На фиг.2 разделение генератора на две зоны с помощью гальванической развязки представлено прямоугольником из пунктирных линий 40. Далее на фиг.2 можно видеть, что выключатели 21А и 21В находятся внутри пунктирного прямоугольника. Чтобы обеспечить гальваническую развязку на уровне приведения в действие выключателей, включается оптрон 43 между генератором колебаний 27 и одним усилителем/преобразователем 45, предназначенным для приведения в действие обоих выключателей.

Изобретение относится к области пьезоэлектрических преобразователей. Сущность: генератор содержит два трансформатора (11А, 11В), каждый из которых содержит первичную обмотку (L1) и вторичную обмотку (L2), и четыре выключателя (19А, 19В, 21А, 21В), приводимых в действие генератором сверхзвуковой частоты. Два (21А, 21В) из четырех выключателей соединяют поочередно вторичную обмотку каждого трансформатора с пьезоэлектрической нагрузкой (5). Два других выключателя (19А, 19В) соединяют поочередно две первичные обмотки с источником питания (17). При этом в течение первого полупериода, называемого «положительным полупериодом», первичная обмотка одного из указанных трансформаторов заряжается энергией, в то время как вторичная обмотка другого трансформатора отдает мощность на пьезоэлектрическую нагрузку. В течение второго полупериода, называемого «отрицательным полупериодом», вторичная обмотка одного трансформатора отдает мощность на пьезоэлектрическую нагрузку, в то время как первичная обмотка другого трансформатора заряжается энергией. Технический результат: обеспечение постоянства мощности в интервале изменения импеданса. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор для пьезоэлектрического преобразователя, содержащий два трансформатора (11А, 11В), каждый из которых содержит первичную обмотку (L1) и вторичную обмотку (L2), и четыре выключателя (19А, 19В, 21А, 21В), приводимых в действие генератором сверхзвуковой частоты, причем два (21А, 21В) из указанных четырех выключателей соединяют поочередно вторичную обмотку каждого трансформатора с пьезоэлектрической нагрузкой (5), а два других выключателя (19А, 19В) соединяют поочередно две первичные обмотки с источником питания (17) так, что в течение первого полупериода, называемого «положительным полупериодом», первичная обмотка одного из указанных трансформаторов заряжается энергией, в то время как вторичная обмотка другого трансформатора отдает мощность на пьезоэлектрическую нагрузку так, что в течение второго полупериода, называемого «отрицательным полупериодом», вторичная обмотка одного трансформатора отдает мощность на пьезоэлектрическую нагрузку, в то время как первичная обмотка другого трансформатора заряжается энергией.

2. Генератор для пьезоэлектрического преобразователя по п.1, отличающийся тем, что каждый трансформатор содержит третью обмотку (L3), на которой поддерживается определенное напряжение, и диоды (31, 33), последовательно соединенные с третьей обмоткой так, чтобы ограничить отрицательное напряжение между выводами третьей обмотки (L3).

3. Генератор для пьезоэлектрического преобразователя по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из двух трансформаторов (11А, 11В) содержит цепь (39А, 39В) для измерения тока в первичной обмотке (L1) с целью осуществления возможности контролировать форму тока таким образом, чтобы устанавливать возможную трапецеидальную форму тока, вызванного наличием нерассеянной мощности, оставшейся от предыдущего полупериода.

4. Генератор для пьезоэлектрического преобразователя по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из двух трансформаторов (11А, 11В) содержит цепь (39А, 39В) для измерения тока в первичной обмотке (L1) с целью осуществления возможности контролировать форму тока таким образом, чтобы устанавливать возможную трапецеидальную форму тока, вызванного наличием нерассеянной мощности, оставшейся от предыдущего полупериода.

5. Генератор для пьезоэлектрического преобразователя по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из двух трансформаторов (11А, 11В) содержит дополнительную цепь (35, 37) для измерения тока в третьей обмотке (L3) для получения возможности определять, протекает ли ток через третью обмотку, и, следовательно, определять, ограничено ли отрицательное напряжение между выводами третьей обмотки.

6. Генератор для пьезоэлектрического преобразователя по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из двух трансформаторов (11А, 11В) содержит дополнительную цепь (35, 37) для измерения тока в третьей обмотке (L3) для получения возможности определять, протекает ли ток через третью обмотку, и, следовательно, определять, ограничено ли отрицательное напряжение между выводами третьей обмотки.