ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИОННОЙ ЛАМПЫ Российский патент 2015 года по МПК H05B33/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к генератору для питания пьезоэлектрического преобразователя, и который также подходит для питания светодиода высокой мощности стоматологической полимеризационной лампы через выпрямитель. Оно также относится к устройству, содержащему такой генератор и стоматологическую полимеризационную лампу, содержащую выпрямитель.

Уровень техники

В стоматологии часто используют фоточувствительные композитные материалы, в частности, для заполнения зубного кариеса и других отверстий в зубах. С этой целью жидкий или пастообразный зубной композитный материал прежде всего помещают на зуб или внутрь зуба, и этот композитный материал затем облучают лампой таким образом, что он полимеризуется и затвердевает. С этой целью известны стоматологические лампы для полимеризации, которые включают в себя LED (светодиоды), предназначенные для получения световой энергии, необходимой для полимеризации. Некоторые изготовители LED также предлагают LED высокой мощности, излучающие цветной свет, называемый "стоматологическим синим светом", спектр которого ограничен относительно узкой полосой вокруг длины волны 460 нм. Преимущество таких LED со "стоматологическим синим светом" состоит в том, что они производят относительно мало паразитного тепла и, таким образом, пригодны для ввода непосредственно в рот пациента.

Во время работы стоматологической лампы для полимеризации ее LED должны быть соединены с источником электропитания, который обычно подает постоянное напряжение приблизительно от 10 до 20 вольт с мощностью приблизительно пятнадцать ватт. Однако, очевидно, что эти значения представлены только для примера, и что напряжение питания зависит, помимо прочего, от количества LED, содержащихся в лампе, а также от типа взаимного соединения этих LED.

В стоматологии также может использоваться ультразвуковое стоматологическое оборудование. Это оборудование используется дантистами для удаления налета или, в более общем случае, для удаления любых осаждений на поверхности зубов. Обычно, ультразвуковое стоматологическое оборудование выполнено в форме рукоятки, в которую устанавливают ультразвуковую вставку, формирующую, собственно, вибрирующий инструмент. Пьезоэлектрический преобразователь также установлен в рукоятке для формирования ультразвуковой вибрации и для передачи этой вибрации на вставку.

Для работы пьезоэлектрический преобразователь ультразвукового оборудования должен быть соединен с источником электропитания, подающим переменное напряжение ультразвуковой частоты с напряжением вплоть до нескольких сотен вольт. Известным образом рукоятка может быть соединена с источником электропитания с помощью гибкого вывода. Кроме того, разъем может быть установлен в месте соединения между рукояткой и выводом для обеспечения возможности отсоединения рукоятки, в частности очистки или стерилизации.

Компания Mectron S.R.L. в последнее время начала продажу универсального электрического ультразвукового генератора, который может быть соединен с двумя типами рукояток, работающими абсолютно по-разному: рукоятки, используемые как ультразвуковое оборудование, и рукоятки, используемые как стоматологические лампы для полимеризации. Одно преимущество использования такого типа универсального электрического генератора состоит в том, что больше нет необходимости иметь два отдельных источника электрического питания, один для ультразвукового инструмента и другой для лампы для полимеризации.

Использование одного универсального генератора вместо двух приводит к некоторым трудностям. Действительно, для работы ультразвукового оборудования требуется переменное напряжение несколько десятков кГц и несколько сотен вольт. И, наоборот, стоматологическая лампа для полимеризации при работе обычно требует только постоянного напряжения порядка десяти вольт. Для преодоления этой трудности и для обеспечения питания полимеризационной лампы с помощью генератора, предусмотренного для ультразвукового устройства, одно из возможных решений состоит в том, чтобы предусмотреть цепь в лампе, которая понижает напряжение и преобразует переменное напряжение в постоянное напряжение.

Такое решение также приводит к определенным трудностям. Фактически, большинство генераторов для пьезоэлектрических преобразователей работает, как описано в Патенте FR №2, 391, 001. На приложенной здесь фиг.1 из этого документа предшествующего уровня техники показана схема, предоставляющая передаваемую мощность Р в соответствии с импедансом Z преобразователя, соответственно, в случае минимальной мощности (кривая I), промежуточной мощности (кривая II) и максимальной мощности (кривая III). Как можно видеть на кривой II промежуточной мощности, когда импеданс Z преобразователя остается меньше, чем пороговое значение Zb, мощность Р, подаваемая в преобразователь, повышается пропорционально импедансу. Если импеданс превышает опорное пороговое значение, генератор постоянного тока блокируется, и генератор напряжения разблокируется. От этой точки и далее подаваемая мощность уменьшается в соответствии с гиперболическим законом, по мере увеличения импеданса. Очевидно, таким образом, что обычные мощные генераторы для пьезоэлектрических преобразователей имеют недостаток подачи только максимальной мощности для очень точного значения импеданса преобразователя (что можно видеть по, в общем, треугольной форме кривых I и II на фиг.1А). Таким образом, становится понятным, что для питания лампы для полимеризации недостаточно просто понижать и выпрямлять напряжение. Также необходимо проверять, чтобы импеданс нагрузки, формируемый лампой и схемой для снижения напряжения, был адаптирован к генератору.

Поэтому, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы подавать питание в электрический ультразвуковой генератор, выполненный с возможностью питания стоматологической лампы для полимеризации, в котором подаваемая мощность несущественно зависит от импеданса нагрузки, и другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить электрический ультразвуковой генератор, выполненный с возможностью питания стоматологической полимеризационной лампы, для которого не требуется установка цепи для понижения напряжения между генератором и лампой.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении эта цель достигается, благодаря предоставлению генератора, в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Одно из свойств и преимуществ изобретения будет понятно при чтении следующего описания, представленного исключительно в качестве неограничительного примера, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1А - график показывает мощность, выдаваемую генератором из уровня техники, для пьезоэлектрического преобразователя в зависимости от импеданса пьезоэлектрического преобразователя.

На фиг.1В показан график сравнения мощности, выдаваемой генератором по настоящему изобретению, в зависимости от импеданса нагрузки, с мощностью, выдаваемой при тех же обстоятельствах генератором, известным из уровня техники.

На фиг.2 показана электрическая схема варианта осуществления изобретения.

На фиг.3А, 3В и 3С показаны графики, представляющие ток и напряжение в обмотках трансформаторов генератора по фиг.2 для трех значений импеданса.

Осуществление изобретения

На фиг.2 показана электрическая схема конкретного варианта осуществления генератора в соответствии с изобретением, выход которого соединен с LED 5 высокой мощности стоматологической лампы 7 для полимеризации. В лампе 7 также предусмотрен выпрямитель 9. Генератор для питания стоматологической лампы 7 для полимеризации включает в себя 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 ее выводов с одним из двух выводов лампы 7, диод (13 или 15) также включен между каждой вторичной обмоткой и лампой. Другой вывод каждой из вторичных обмоток L2 соединен с землей.

Каждая из первичных обмоток L1 трансформаторов 11А и 11В последовательно соединена с переключателем (19А или 19В) между выводами источника питания. В настоящем примере источник питания формируется источником напряжения, обозначенным номером 17, один вывод которого соединен с каждой из первичных обмоток L1 и другой вывод которого соединен с землей. Переключатели 19А и 19В так же, как и другие переключатели, упомянутые в этом описании, представляют собой электрически управляемые переключатели, которые могут быть воплощены в форме транзисторов. Эти переключатели ниже называются просто "переключателями". В дополнение к соединению со вторичными обмотками L2 двух трансформаторов, два вывода лампы 7 также соединены с землей через диод 23 и переключатель 21В, соответственно, диод 25 и переключатель 21А. Другими словами, лампа 7 последовательно соединена с диодом 13, диодом 25 и переключателем 21А между выводами вторичной обмотки L2 трансформатора 11А, и лампа 7 также последовательно соединена с диодом 15, диодом 23 и переключателем 21В между выводами вторичной обмотки L2 трансформатора 11В.

Переключатели 19А, 21В установлены так, что ими управляют первым периодическим сигналом управления, называемым здесь "прямым" сигналом, тогда как переключатели 19В и 21А установлены так, что ими управляют вторым периодическим сигналом управления, который сдвинут по фазе на полупериод относительно первого периодического сигнала и который называется здесь "обратным" сигналом. В представленном примере средство (не показано) управляет длительностью периодических импульсов, формируя первый и второй сигналы управления. Такая широтно-импульсная модуляция (PWM) предпочтительно воздействует на оба сигнала таким образом, что оба периодические импульсы двух сигналов управления имеют одинаковую длительность.

Из следующего описания для специалиста в данной области техники будет понятно, что мощность, подаваемая генератором, зависит от длительности импульса, и что средство PWM, таким образом, управляет мощностью, подаваемой генератором. Следует, однако, указать, что настоящее изобретение не ограничивается генератором, мощностью которого управляют с помощью PWM. Действительно, в соответствии с другим вариантом осуществления, мощность, подаваемая генератором, может, например, быть установлена один раз для всех случаев. В качестве альтернативы, также возможно управлять мощностью, подаваемой генератором, для регулирования напряжения, подаваемого от источника 17 питания, или изменяя частоту первого и второго периодических сигналов управления. Что касается последней возможности, важно отметить, что, в отличие от пьезоэлектрического преобразователя, стоматологическая лампа для полимеризации не формирует резонансную цепь, а только резистивную цепь (другими словами, характеристики лампы для полимеризации, соединенной с генератором, не определяют частоту, на которой должен работать генератор).

Переключатели 19А и 21В закрыты в течение длительности импульсов "прямого" сигнала. В течение длительности импульсов "обратного" сигнала закрыты переключатели 19В и 21А. В течение импульса "обратного" сигнала цепь, формируемая вторичной обмоткой L2 трансформатора 11А, лампой 7, диодами 13 и 25 и переключателем 21А, закрыта, и энергия, накапливаемая в трансформаторе 11А, передается на нагрузку. Одновременно, переключатель 19В закрыт и первичная обмотка L1 трансформатора 11В непосредственно соединяется с источником 17 напряжения. Ток через первичную обмотку формирует увеличение магнитного потока. Энергия, таким образом, накапливается в магнитной цепи. Во время импульса "прямого" сигнала справедливо обратное. Вторичная обмотка L2 трансформатора 11В получает накопленную энергию в результате разряда в цепь, включающую в себя лампу 7, диоды 15 и 23 и переключатель 21В, тогда как ток, протекающий через первичную обмотку L1 трансформатора 11А, обеспечивает накопление энергии в ее магнитной цепи. На графике на фиг.3А показано поведение тока и напряжения в обмотках L1, L2 и L3 одного из двух трансформаторов 11А или 11В в примерном случае, когда длительность импульса точно равна половине периода. Как можно видеть, ток IL1 в первичной обмотке трансформатора постепенно увеличивается за один период колебания, перед падением обратно до нуля и остается там в течение длительности следующего колебания. Вторичная обмотка принимает на себя работу при переходе между двумя колебаниями. Можно видеть, что ток IL2, с понижающейся интенсивностью, протекает через вторичную обмотку. В представленном примере ток IL2 протекает до тех пор, пока запасенная энергия не будет полностью рассеяна. Вариации интенсивности тока IL2 сопровождаются соответствующими вариациями напряжении UL2 между выводами вторичной обмотки.

Понятно, что использование двух трансформаторов 11А и 11В и подключение лампы 7 поочередно к одному и затем к другому трансформатору приводит к подаче переменного напряжения питания в лампу. Кроме того, для специалиста в данной области техники будет понятно, что, вкратце, функция переключателей 19А, 19В, 21А, 21В состоит в том, чтобы управлять трансформаторами 11А и 11В таким образом, чтобы они работали в режиме обратного хода.

Может случиться, что импеданс нагрузки будет недостаточным для рассеяния всей энергии, накопленной в трансформаторе. Эта ситуация иллюстрируется графиком на фиг.3С. Как показано на этом графике, можно видеть, что, когда импеданс нагрузки, в частности, низкий, ток IL2 и напряжение UL2 не имеют времени возврата назад до окончания колебания. Также можно видеть, что энергия, не рассеявшаяся во вторичной обмотке, находится в первичной обмотке в момент начала следующего колебания. Такая нерассеянная энергия приводит к ненулевой интенсивности тока IL1 в первичной обмотке L1 в начале колебания (фиг.3С). Таким образом, понятно, что ниже определенного порога, чем меньше импеданс, тем больше интенсивность тока IL1 будет в первичной обмотке.

На фиг.2 также показаны две измерительные цепи 39А и 39В. Эти измерительные цепи каждая выполнена с возможностью измерения тока в первичной обмотке (L1) и в одном из этих двух трансформаторов 11А и 11В. В основном, ток, измеряемый измерительными цепями, представляет собой функцию импеданса нагрузки, соединенной с генератором. Такое измерение, таким образом, можно использовать для регулирования генератора. В частности, любая трапецеидальная форма тока (IL1, на фиг.3С) представляет собой знак того, что часть энергии не была рассеяна и остается в трансформаторе после предыдущего колебания. Кроме того, измерение тока позволяет детектировать, например, любое короткое замыкание или резонансную частоту или может также автоматически определять тип нагрузки, соединенной с генератором (резонансная цепь или резистивная цепь).

На фиг.2 также показаны трансформаторы 11А и 11В, каждый из которых включает в себя третичную обмотку L3. Обмотка L3 трансформатора 11А последовательно соединена с диодом 31 и резистором 35 между источником 17 напряжения и землей. Аналогично, обмотка L3 трансформатора 11В последовательно соединена с диодом 33 и резистором 37 между источником 17 напряжения и землей. Как можно видеть более подробно ниже, функция обмотки L3 состоит в том, чтобы ограничить максимальное напряжение, подаваемое на выход вторичной обмотки L2.

Скорость, с которой понижается сила тока в L2, когда энергию, накопленную в одном из трансформаторов, передают в нагрузку, естественно, зависит от импеданса, связанного с нагрузкой. Чем выше импеданс, тем быстрее сила тока уменьшается и тем выше будет напряжение между выводами вторичной обмотки. График на фиг.3В представляет поведение генератора на фиг.2 в ситуации, когда импеданс нагрузки, соединенной с генератором, особенно высок. На фиг.3В показано, что интенсивность тока IL2 существенно снижается быстрее, чем на фиг.3А. Кроме того, напряжение UL2 в начале колебания также существенно выше, чем в случае, показанном на фиг.3А. Следует понимать, что, если, по одной или другой причине, импеданс лампы 7 становится очень высоким (например, из-за сгоревшего компонента в цепи), выходное напряжение UL2 проявляет тенденцию увеличения до точки повреждения генератора. По этой причине в настоящем примере каждый из двух трансформаторов 11А и 11В включает в себя третью обмотку L3, которая индуктивно соединена с первичной и вторичной обмотками L1 и L2.

Снова обращаясь к фиг.2, можно видеть, что катоды диодов 31 и 33 соединены с обмотками L3, и их аноды соединены с землей. Поскольку другой вывод каждой из обмотки L3 соединен с положительным выводом источника 17 напряжения, на диоды обычно воздействует отрицательное напряжение UL3. В этих условиях диоды 31 и 33 предотвращают протекание тока через них. Однако, если напряжение, индуцируемое в L3, превысит постоянное напряжение питания, напряжение UL3, остающееся на диодах, временно становится положительным, и ток IL3 может начать протекать в L3. Такой переходный ток IL3 обладает эффектом ограничения напряжения UL2 на выводах обмотки L2. Присутствие обмотки L3, таким образом, позволяет ограничивать напряжение UL2 на значение, которое определяется путем выбора отношения между значениями L2 и L3 индукции.

На фиг.1В показан график, включающий в себя первую кривую, на которой показано поведение мощности, подаваемой генератором, который только что был описан выше, в соответствии с импедансом пьезоэлектрического преобразователя. График также включает в себя вторую кривую, которая представляет поведение мощности генератора предшествующего уровня техники пьезоэлектрического преобразователя такого, как описанного в упомянутом выше патенте FR №2,391,001. На фиг.1В показано, что первая кривая включает в себя первый участок увеличения, второй постоянный участок и, наконец, третий участок снижения. Второй участок занимает всю центральную часть графика и, таким образом, соответствует средним значениям импеданса. В этом диапазоне мощность, подаваемая генератором в соответствии с изобретением, по существу, остается постоянной, и поведение генератора соответствует тому, что показано на графике, представленном на фиг.3А. Первая часть кривой предназначена для значений импеданса, которые недостаточны для рассеяния всей энергии, накопленной в трансформаторах перед окончанием колебания. Эта первая часть кривой предназначена для диапазона, в котором поведение генератора соответствует показанному на графике на фиг.3С. В этом диапазоне подаваемая энергия уменьшается пропорционально импедансу. Третья часть кривой предназначена для самых больших импедансов. Поведение генератора в этой области соответствует графику, описанному на фиг.3В. В этой области напряжение между выводами вторичной обмотки L2 ограничено обмоткой L3, и ток, таким образом, последовательно уменьшается при увеличении импеданса.

Первая кривая на фиг.1В, таким образом, демонстрирует то, что мощность, подаваемая на выход генератора в соответствии с изобретением, является, по существу, постоянной для большого диапазона значений импеданса нагрузки. Когда генератор подает питание в пьезоэлектрический преобразователь, это свойство изобретения позволяет подавать в преобразователь постоянную энергию, независимо от любых флуктуаций в механической нагрузке, которую подключают к этому пьезоэлектрическому преобразователю. Кроме того, когда LED стоматологической лампы для полимеризации (импеданс которого намного меньше) используют вместо пьезоэлектрического преобразователя, это не влияет на мощность, подаваемую генератором.

Генератор для пьезоэлектрического электродвигателя также пригоден для питания LED большой мощности стоматологической полимеризационной лампы через выпрямитель; генератор содержит два трансформатора (11А, 11В), каждый из которых включает в себя первичную обмотку (L1) и вторичную обмотку (L2), и четыре переключателя (19А, 19В, 21А, 21В), управляемые ультразвуковым опорным генератором, причем два переключателя (21А, 21В) установлены с возможностью поочередного соединения вторичных обмоток двух трансформаторов с пьезоэлектрической нагрузкой (5), а два других переключателя (19А, 19В) установлены с возможностью поочередного соединения двух первичных обмоток с источником (17) напряжения таким образом, что в течение положительного колебания первичная обмотка одного из трансформаторов заряжается энергией, тогда как вторичная обмотка другого трансформатора разряжается в пьезоэлектрическую нагрузку (5), а во время отрицательного колебания вторичная обмотка первого трансформатора разряжает свою энергию, тогда как первичная обмотка первого трансформатора заряжается. Технический результат - малая зависимость мощности от сопротивления нагрузки и возможность питания стоматологической полимеризационной лампы без цепи для понижения напряжения между генератором и лампой. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Генератор для питания пьезоэлектрического преобразователя и пригодный для питания LED большой мощности стоматологической полимеризационной лампы через выпрямитель, содержащий два трансформатора (11А, 11В), каждый из которых включает в себя первичную обмотку (L1) и вторичную обмотку (L2) и четыре переключателя (19А, 19В, 21А, 21В), управляемые опорным ультразвуковым генератором, при этом два переключателя (21А, 21В) расположены так, что они поочередно соединяют вторичные обмотки двух трансформаторов с пьезоэлектрической нагрузкой (5), а другие два переключателя (19А, 19В) установлены так, что они поочередно соединяют две первичные обмотки с источником напряжения (17), причем во время первого колебания, называемого "положительным" колебанием, первичная обмотка одного из трансформаторов заряжается энергией, тогда как вторичная обмотка другого трансформатора разряжается в пьезоэлектрическую нагрузку (5), а во время второго колебания, называемого "отрицательным" колебанием, вторичная обмотка первого трансформатора разряжает энергию, тогда как первичная обмотка первого трансформатора заряжается.

2. Генератор по п.1, дополнительно содержащий средство для управления мощностью, подаваемой генератором.

3. Генератор по п.2, в котором в средстве управления мощностью используется широтно-импульсная модуляция (PWM).

4. Генератор по п.2, в котором средство управления мощностью выполнено с возможностью модулировать напряжение, подаваемое указанным источником (17) напряжения, и/или частоту первого и второго периодических сигналов управления.

5. Генератор по п.1, в котором каждый трансформатор (11А, 11В) включает в себя третью обмотку (L3), на которой поддерживается фиксированное напряжение, и диод (31, 33), включенный последовательно с третьей обмоткой так, что он ограничивает отрицательное напряжение между выводами третьей обмотки (L3).

6. Генератор по п.1, в котором по меньшей мере один из трансформаторов (11А, 11В) включает в себя цепь (39А, 39В) для измерения тока в первичной обмотке (L1), выполненную с возможностью детектировать любую трапецеидальную форму тока, при этом трапецеидальная форма тока указывает на присутствие нерассеянной энергии, остающейся после предыдущего колебания.

7. Генератор по п.5, в котором по меньшей мере один из трансформаторов (11А, 11В) включает в себя цепь (35, 37) для измерения тока в третьей обмотке (L3), выполненную с возможностью детектировать, позволяет ли третья обмотка пропускать ток, и, таким образом, детектировать, ограничено ли отрицательное напряжение между выводами третьей обмотки.

8. Электронное устройство для стоматологии, характеризующееся тем, что содержит генератор по любому из пп.1-7, причем указанный генератор соединен по меньшей мере с одним LED (5) большой мощности через выпрямитель (9).