EP0135907A2 - Schaltung zur Anregung eines Ultraschall-Therapiekopfes - Google Patents
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- EP0135907A2 EP0135907A2 EP84111125A EP84111125A EP0135907A2 EP 0135907 A2 EP0135907 A2 EP 0135907A2 EP 84111125 A EP84111125 A EP 84111125A EP 84111125 A EP84111125 A EP 84111125A EP 0135907 A2 EP0135907 A2 EP 0135907A2
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- B06B2201/76—Medical, dental
Definitions
- the invention relates to a circuit arrangement for supplying the piezoelectric oscillator in an ultrasound therapy head according to the preamble of claim 1.
- the ultrasound therapy head was connected via a power amplifier to an oscillator which oscillates at a fixed frequency.
- One was therefore forced either to keep the resonance frequency in a very narrow tolerance band when manufacturing the therapy heads or to readjust the oscillator when the therapy head was changed.
- the invention has for its object to improve a circuit arrangement of the type mentioned with a simple structure so that a much higher effect degree is achieved; this should be retained without readjusting the frequency of the oscillator even when the therapy head is changed, provided the resonance frequency of the therapy heads is within a practically acceptable tolerance range.
- the inventive solution to this problem is characterized in claim 1. It is characterized by extremely low circuit complexity and an unusually high level of efficiency. In conjunction with a very low-resistance therapy head according to DE-GM 82 20 944, an efficiency of about 60% could be achieved at the high resonance frequency of 880 kHz.
- the therapy head is part of the oscillator, which cannot oscillate without the therapy head.
- the resonance frequency of the series resonance circuit is approximately matched to the middle of the tolerance band for the resonance frequency of the therapy head that can be used: As long as the resonance frequency of a therapy head is between 870 and 880 kHz, no adjustment of the resonance frequency of the series resonance circuit is necessary. Nevertheless, the oscillator vibrates at the resonance frequency of the therapy head.
- an oscillator circuit for an ultrasonic atomizer with a bipolar transistor which also works with a feedback transformer and a series resonant circuit in the control circuit of the transistor.
- the low resistance of the series resonance circuit at the resonance frequency leads here to the fact that the transistor works continuously in saturation, whereby it becomes slow and an operating frequency that is significantly higher than 100 kHz can not be achieved.
- the arrangement of the series resonance according to the invention circuit in the control circuit of a power PA field-effect transistor does just the opposite: the low-impedance series resonance circuit at resonance frequency enables extremely rapid discharge of the capacitance of the control path of the field-effect transistor, so that the circuit arrangement according to the invention can oscillate at a frequency that is practically an order of magnitude above the frequency, have so far been used for the power field effect transistors.
- devices which protect the field effect transistor from overvoltages, such as can occur when the ultrasound therapy head is not under load: in addition to a low-pass filter parallel to the drain source line, a protective device can be provided which is controlled by the voltage on the drain source line and switches off the oscillator when the voltage mentioned reaches a critical value.
- 1 designates the piezoceramic oscillator of an ultrasound therapy head, the structure of which is described in detail in DE-GM 82 20 944 and which has a real resistance of ⁇ 20 ohms at the series resonance point.
- the parallel circuit comprising this oscillator 1, an RF choke 2 and a resistor 3 is connected between the first terminal P of a DC voltage source (not shown) and the drain electrode D of a power field-effect transistor, which is connected via a low-pass filter with a resistor 13 and a capacitor 14 on the other hand is connected to the second terminal N of the DC voltage source.
- the secondary winding 21 with a fixed capacitor 24 and an adjustable capacitor 23 forms a series resonant circuit which is parallel to a resistor 7; the latter forms with a further resistor 5 a voltage divider connected between the terminals P and N, the tap of which is connected via a series resistor 11 to the gate electrode G of the field effect transistor 10 and is dimensioned such that the oscillator oscillates when the DC voltage is applied.
- a capacitor 6 is also located between P and N.
- the series resonance circuit is tuned with the aid of the capacitor 23 approximately to the middle of the tolerance band in which the resonance frequencies of the therapy heads in question must lie.
- the feedback condition remains fulfilled within this tolerance band and the oscillator oscillates on the series resonance of the connected therapy head.
- the power output by the therapy head can be adjusted by changing the voltage of the DC voltage source and is, for example, a maximum of 12 watts at a voltage of 20 volts; an efficiency of 60% was measured.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung des piezoelektrischen Schwingers in einem Ultraschall-Therapiekopf gemäß Oberbegriff des Anspruch 1.
- Bei bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art wurde der Ultraschall-Therapiekopf über einen Leistungsverstärker an einen Oszillator angeschlossen, der auf einer fest eingestellten Frequenz schwingt. Man war daher gezwungen, entweder bei der Fertigung der Therapieköpfe deren Resonanzfrequenz in einem sehr engen Toleranzband zu halten oder den Oszillator bei einem Wechsel des Therapiekopfes neu einzustellen.
- Bei der bekannten Schaltungsanordnung liegt ferner ihr Innenwiderstand über dem minimalen Widerstand des Therapiekopfes bei dessen Serienresonanz. Um eine befriedigende Leistungsauskopplung zu erreichen, mußte daher mit einer zwischen Serienresonanz und Parallelresonanz des Therapiekopfes liegenden Frequenz gearbeitet werden, bei der der Innenwiderstand der Schaltungsanordnung etwa gleich dem Betrag der Impedanz des Therapiekopfes ist; in diesem Arbeitspunkt ist aber zwangsläufig der Wirkungsgrad wesentlich schlechter als im Resonanzpunkt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bei einfacherem Aufbau so zu verbessern, daß ein wesentlich höherer Wirkungsgrad erzielt wird; dieser soll ohne Nachstellung der Frequenz des Oszillators auch bei einem Wechsel des Therapiekopfes erhalten bleiben, sofern die Resonanzfrequenz der Therapieköpfe in einem praktisch akzeptablen Toleranzbereich liegt.
- Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 gekennzeichnet. Sie zeichnet sich durch äußerst niedrigen schaltungstechnischen Aufwand und einen ungewöhnlich hohen Wirkungsgrad aus. In Verbindung mit einem sehr niederohmigen Therapiekopf gemäß DE-GM 82 20 944 ließ sich bei der hohen Resonanzfrequenz von 880 kHz ein Wirkungsgrad von etwa 60 % erzielen.
- Bei der Erfindung ist der Therapiekopf Teil des Oszillators, der ohne Therapiekopf nicht schwingen kann. Die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises ist etwa auf die Mitte des Toleranzbandes für die Resonanzfrequenz des verwendbaren Therapiekopfes abgestimmt: Solange die Resonanzfrequenz eines Therapiekopfes etwa zwischen 870 und 880 kHz liegt, ist keine Nachstellung der Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises erforderlich. Trotzdem schwingt der Oszillator auf der Resonanzfrequenz des Therapiekopfes.
- Aus Elektronik, 1979, Heft 10, S. 83-90 ist zwar eine Oszillatorschaltung für einen Ultraschallzerstäuber mit einem bipolaren Transistor bekannt, der ebenfalls mit einem Rückkopplungstransformator und einem Serienresonanzkreis im Steuerkreis des Transistors arbeitet. Der niedrige Widerstand des Serienresonanzkreises bei Resonanzfrequenz führt aber hier dazu, daß der Transistor ständig in der Sättigung arbeitet, wodurch er langsam wird und keine Betriebsfrequenz erzielbar ist, die wesentlich über 100 kHz liegt. Die erfindungsgemäße Anordnung des Serienresonanzkreises im Steuerkreis eines Leistungs PA-Feldeffekttransistors bewirkt gerade das Gegenteil: Der bei Resonanzfrequenz niederohmige Serienresonanzkreis ermöglicht eine extrem schnelle Entladung der Kapazität der Steuerstrecke des Feldeffekttransistors, so daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf einer Frequenz schwingen kann, die praktisch eine Größenordnung über der Frequenz liegt, für die Leistungs-Feldeffekttransistoren bisher eingesetzt wurden.
- Gemäß Weiterbildungen der Erfindung sind Einrichtungen vorgesehen, die den Feldeffekttransistor vor Überspannungen schützen, wie sie bei nicht belastetem Ultraschall-Therapiekopf auftreten können: Neben einem Tiefpaßfilter parallel zur Drain-Sourcestrecke kann eine Schutzeinrichtung vorgesehen sein, die mit der Spannung an der Drain-Sourcestrecke gesteuert wird und den Oszillator abschaltet, wenn die erwähnte Spannung einen kritischen Wert erreicht.
- Die Erfindung wird anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Mit 1 ist der piezokeramische Schwinger eines Ultraschall-Therapiekopfes bezeichnet, dessen Aufbau in dem DE-GM 82 20 944 im Detail beschrieben ist und der im Serienresonanzpunkt einen reellen Widerstand von ≦ 20 Ohm hat. Die Parallelschaltung aus diesem Schwinger 1, einer HF-Drossel 2 und einem Widerstand 3 ist zwischen der ersten Klemme P einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle und der Drain-Elektrode D eines Leistungs-Feldeffekttransistors angeschlossen, die über ein Tiefpaßfilter mit einem Widerstand 13 und einem Kondensator 14 andererseits mit der zweiten Klemme N der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Zwischen dieser zweiten Klemme N und der Source-Elektrode S liegt die Primärwicklung 22 eines Rückkopplungstransformators 20, dessen Sekundärwicklung 21 mit einem Festkondensator 24 und einem einstellbaren Kondensator 23 einen Serienresonanzkreis bildet, der parallel zu einem Widerstand 7 liegt; letzterer bildet mit einem weiteren Widerstand 5 einen zwischen den Klemmen P und N angeschlossenen Spannungsteiler, dessen Abgriff über einen Vorwiderstand 11 mit der Gate-Elektrode G des Feldeffekttransistors 10 verbunden und so bemessen ist, daß der Oszillator bei angelegter Gleichspannung anschwingt. Zwischen P und N liegt ferner ein Kondensator 6.
- Der Serienresonanzkreis ist mit Hilfe des Kondensators 23 etwa auf die Mitte des Toleranzbandes abgestimmt, in dem die Resonanzfrequenzen der in Betracht kommenden Therapieköpfe liegen müssen. Innerhalb dieses Toleranzbandes bleibt die Rückkopplungsbedingung erfüllt und der Oszillator schwingt auf der Serienresonanz des angeschlossenen Therapiekopfes. Die vom Therapiekopf abgebbare Leistung läßt sich durch Verändern der Spannung der Gleichspannungsquelle einstellen und beträgt beispielsweise bei einer Spannung von 20 Volt maximal 12 Watt; dabei wurde ein Wirkungsgrad von 60 % gemessen.
Claims (4)
daß die Drain-Elektrode (D) über den Schwinger (1) an die erste Klemme (P) der Gleichspannungsquelle und die Source-Elektrode (S) über die Primärwicklung (22) eines Rückkopplungstransformators (20) an die zweite Klemme (N) der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist,
daß die Gate-Elektrode (G) über einen Vorwiderstand (11) an einen Spannungsteiler (5, 7) angeschlossen ist, der zwischen den Klemmen der Gleichspannungsquelle liegt,
und daß parallel zu dem mit der zweiten Klemme (N) der Gleichspannungsquelle verbundenen Widerstand (7) des Spannungsteilers ein Serienresonanzkreis mit einem Kondensator (23, 24) und der Sekundärwicklung (21) des Rückkopplungstransformators (20) angeordnet ist, dessen Resonanzfrequenz etwa der Resonanzfrequenz des Schwingers (1) gleich ist.
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