CN104411417B - 用于适配超声发生器的ac电压信号的输出级 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输出级，用于将超声发生器的AC电压信号与可连接至该输出级的转换器相适配，其中该输出级具有两个输入端子和两个输出端子以及输出变压器，两个输入端子用于接收由超声发生器产生的AC电压，两个输出端子用于输出经适配的AC电压，输出变压器具有匝数为n₁的初级线圈和匝数为n₂的次级线圈，该输出变压器具有主电感L_H以及漏电感L_σ，该两个输入端子经由初级线圈彼此连接并且该两个输出端子经由次级线圈彼此连接。为了公开允许经济地且不复杂地将发生器输出与转换器输入相适配的输出变压器，根据本发明提议，提供滤波器电容器C_P，该滤波器电容器C_P将两个输出端子并联连接到次级线圈，或者将一输出端子连接至次级线圈的抽头或者连接至具有匝数为n₃的滤波器线圈，该滤波器线圈电感地耦合至初级线圈和次级线圈。

Description

用于适配超声发生器的AC电压信号的输出级

本发明涉及用于将超声发生器的输出信号与超声振荡单元的转换器相适配的输出级。

超声发生器是已知的，并且例如被用于驱动超声振荡单元。典型的超声振荡单元包括转换器和超声焊极，该超声焊极可任选地经由振幅变换器连接至该转换器。超声发生器被用于产生相应的AC电压或AC信号，该AC电压或AC信号由转换器转换成机械振荡，超声振荡单元随该机械振荡来振荡。

这种类型的超声振荡单元可以例如用于超声焊接。此处重要的是，以其谐振频率来激励超声振荡单元。

超声发生器因此必须能够产生相应的AC信号。因此，超声发生器和超声振荡单元的转换器必须彼此匹配。可连接至超声发生器或者甚至可整合在发生器外壳中的输出级被用于这种匹配。整合到转换器中基本上也是可构想的。

输出级的核心是输出变压器，即，该输出级具有两个输入端子以接收由超声发生器产生的AC电压和两个输出端子以输出经适配的AC电压、以及具有匝数为n₁的初级线圈和匝数为n₂的次级线圈的输出变压器，其中这两个输入端子经由初级线圈彼此连接并且这两个输出端子经由次级线圈彼此连接。

一般而言，输出变压器(其单个功能是执行所描述的适配)被使用在常规的超声发生器中。

然而，输出级还具有其他电感性功率组件。这些功率组件用于补偿目的以例如能够推导出与振荡振幅成正比的变量从而能够控制或调节振荡振幅，并且用于对输出级的输出信号进行滤波。

图1中示出现有技术的输出级的布置。该输出级具有两个输入端子1、2，由发生器产生的AC电压被施加于这两个输入端子1、2。

初级线圈N_P和次级线圈N_S形成理想的变压器。两个输出端子3、4提供输出电压，该输出电压随后被施加于超声振荡单元的转换器7。实际的适配功能由理想变压器达成。

在由虚线示出的框中重现真正的变压器的简化的替代电路图。相应地，该变压器包括理想变压器和主电感L_H。除了轻微的泄漏之外，主电感L_H对应于初级线圈的电感。

此处，与初级线圈附加地并联布置的是滤波器电容器C_P，该滤波器电容器C_P与滤波器电感器L_P一起被用于对发生器的通常为矩形的输出信号进行滤波。滤波器电容器和滤波器电感器两者均可布置在发生器中或者输出级中。基本上，真正的变压器还具有漏电感L_σ。这是每个真正的变压器的在每对端子处有效的固有性质。附加电感必须被构想成与每个个体的绕组电感串联。该附加电感不与所观察的变压器的其他绕组电感耦合。确切而言，必须构想该附加电感关于其对相应观察的端子对的有效性方面是受限制的。

此处观察的变压器中的漏电感具有所观察的绕组的相应主电感的约1％到2％的数量级。因此，在现有技术中，该漏电感显著小于滤波器电感L_P并且因此可被忽略。

因为连接至输出端子3、4的转换器7具有固有的转换器电容，所以在转换器或输出变压器中，相应的补偿电感器L_A一般与电转换器并联布置。

为了滤波和补偿，因此在发生器侧使用电感器L_P和电容器C_P，并且在转换器侧使用补偿电感器L_A。

这些附加元件增加了结构成本并且需要附加的安装空间。

因此，本发明的目的是公开一种输出变压器，其允许经济地且不复杂地将发生器输出与转换器输入相适配。

根据本发明，该目的是通过以下方式来达成的：提供滤波器电容器C_P，该滤波器电容器C_P将两个输出端子并联连接至次级线圈、或者将一输出端子连接至次级线圈的抽头或者具有匝数为n₃的滤波器线圈，该滤波器线圈电感地耦合至初级线圈和次级线圈。

基本上，本发明基于可以按以下方式来调节输出变压器的知识：输出变压器的漏电感扮演滤波器电感器L_P的角色，从而可以免除单独提供滤波器电感器L_P。

图2示出输出变压器的扩展替代电路图。输出变压器可通过理想变压器T示出，该理想变压器T具有相应的变压系数基本上对应于初级线圈的电感的主电感L_H位于与初级线圈N_P并联。所示出的电感L_σ表示漏电感。在所示的示例中，漏电感L_σ包括初级线圈的漏电感和次级线圈的漏电感两者。如上所述，漏电感通常较小，因此可被忽略。

通过输出变压器的合适的尺寸设计，现在可以这样的方式调节漏电感L_σ，使得该漏电感L_σ对应于期望的滤波器电感器L_P，因此可以免除滤波器电感器L_P。

然而，显然期望的滤波器电容器C_P不能布置在图2中所示的点5和6处(即，与电感L_H并联)，因为电感L_H和L_σ不是真正的组件，而仅是替代电路图的元件并且因此是真正的输出变压器的固有性质。基本上，在虚线框中所示的替代电路图表示单个元件。

根据本发明，现在不在初级线圈侧而是在次级线圈侧提供滤波器电容器C_P。例如，如图3中所示，次级线圈可具有抽头10，因此滤波器电容器C_P可以连接在抽头10与输出端子4之间。滤波器电容器C_P在次级线圈侧上的布置最终导致与图1中所示的输出变压器相同的行为，但是其中分开的滤波器电感器L_P的功能现在由漏电感L_σ承担，该漏电感L_σ可在任何情形中根据本发明故意调节得更大。由此可以节省物理组件。

此时应当注意，不计及输出变压器的绕组电容。然而，这是合理的，因为滤波器电容C_P要比绕组电容大许多倍。

测量电流I_T(即，流过输出变压器的电流)通常是有帮助的，因为该电流I_T表示对超声振荡单元的振荡振幅的测量。在图1中所示的已知实施例中，可以容易地测量该电流。适用I_E＝I_T+I_C。换言之，在输入端子1、2处馈入的电流被划分成通过输出变压器的电流I_T和经由滤波器电容器C_P的电流I_C。然而，在根据本发明提供的由漏电感L_σ来实现滤波器电感器L_P的解决方案中，电流I_T不再能够被直接测量。

因此，根据本发明提出，由滤波器电容器C_P来提供用于测量流经输入端子的电流I_E和电流I_C的差分电流I_Δ的器件。换言之，从输入电流I_E推断出流过在次级线圈上提供的滤波器电容器C_P的电流。然而，差分电流I_Δ对应于电流I_T。

该差分测量可以例如在电感式电流测量变压器的辅助下进行，通过该电感式电流测量变压器引导流经输入端子的电流I_E所流过的导线以及流过滤波器电容器C_P的电流I_C所流过的导线。显然，相应的导线必须具有流过它们的相对电流，以便确保差分。

如果n1与n2的比值等于1，则在优选实施例中将滤波器电容器C_P布置成使得该滤波器电容器C_P将两个输出端子3、4并联连接到次级线圈并且使C_P桥接n1个绕组。

如果n1与n2的比值大于1，则在优选实施例中附加地延长绕组n2，因而在次级线圈侧在n1个绕组处产生另一抽头。C_P的一侧随后连接至此抽头10，因而C_P桥接次级线圈侧上的n1个绕组。

如果n1与n2的比值小于1，则在一个实施例中将滤波器电容器C_P以这样的方式布置使得该滤波器电容器C_P将一输出端子与次级线圈的抽头相连接，该抽头布置在n1个绕组之后，并且电容器C_P由此桥接次级线圈侧上的n1个绕组。

作为替换方案，将滤波器电容器C_P连接至具有n₃个绕组的滤波器线圈也是可能的，其中n₃＝n₁。此滤波器线圈随后必须电感地耦合至初级线圈和次级线圈。

此举再次确保电容1:1被从初级线圈侧转移到次级线圈侧，并且与图1完全类似地形成所需要的与主电感L_H并联的电容器C_P。

这些优选实施例使得特别容易实现所描述的电流差分。在关于C_P连接的其他变压系数中，可构想从电流I_E推断出流过C_P的电流的倍数以达成相同的结果。在一优选实施例中，这可通过重复地将携带流过C_P的电流的导线引导通过电感式电流测量变压器来实现。随后，C_P的值应当根据变压系数和所产生的漏电感来恰当地适配。

此外，本发明涉及一种超声焊接装置，其具有超声振荡单元、超声发生器以及根据本发明的输出级，该超声振荡单元具有用于将交流电变换成机械振荡的变换器。随后在一优选实施例中提出，超声发生器被配置成产生具有频率f的电信号，转换器具有转换器电容C_K，并且主电感L_H以这样的方式被选择使得该主电感与转换器电容一起形成阻塞电路，该阻塞电路的阻塞频率f_S基本上对应于频率f。

作为其替换方案或与其相组合地，滤波器电容器C_P以这样的方式被选择使得在频率f的1.5倍与2.5倍之间。

换言之，漏电感L_σ不仅承担通常布置在初级线圈侧上的滤波器电感器L_P的功能，而且主电感L_H还承担提供在转换器中的次级线圈上的补偿电感器L_A的功能。

通过这种布置可以在发生器中节省两个电感器。

在借助以下对优选实施例和相关联附图的描述的情况下，本发明的其他优点、特征和应用可能性将变得清楚，其中：

图1示出现有技术的输出变压器，

图2示出变压器的替代电路图，

图3示出本发明的一实施例，以及

图4示出电流测量设备的一实施例。

图1示出现有技术的发生器输出级的电路图。其构造已在引言中描述。

图2示出不具有电感式或电容式功率组件的输出变压器的替代电路图。其构造已在说明书的引言中描述。

图3示出本发明的第一实施例。示出了输出变压器的替代电路图。此替代电路图基本上对应于图2的示图，但是主电感L_H和漏电感L_σ已以这样的方式被改变，使得主电感L_H采用与通常在转换器中使用的补偿电感器L_A一致的值。借助该措施，可以免除在转换器中使用单独的电感。此外，漏电感L_σ已以这样的方式被选择使得该漏电感L_σ对应于图1的滤波器电感器L_P，因而也可以免除滤波器电感器。由于所示出的实施例中的滤波器电感器L_P由漏电感L_σ来实现，因而不能在图1中所示的位置中布置滤波器电容器C_P，这是因为相应的抽头不可用。

因此，根据本发明提议将滤波器电容器C_P布置在次级线圈侧上，如图3中所示。在所示的实施例中，次级线圈侧上的线圈N_S具有抽头N_P，因而滤波器电容器C_P将抽头10连接至输出端子4。在所示的实施例中，抽头10被布置在与初级线圈的匝数相对应的匝数处。

为了现在测量与超声振荡单元的振荡振幅成比例的电流，使用电感式电流测量变压器8、9，如图4中所示。该电感式电流测量变压器被插入在滤波器电容器C_P与主电感之间。该电流测量变压器包括小型圆环柱心变压器，其中待测量的电流被引导通过柱心8中的孔。如图4中可见，流过滤波器电容器C_P的电容电流I_C以及总输入电流I_E两者均被引导通过电流测量变压器(但是以相反的符号)，因而可以在该装置的辅助下测量这两个值之间与振荡振幅成比例的差值。

附图标记列表

1,2 输入端子

3,4 输出端子

5,6 点

7 转换器

8 电流测量变压器的柱心

9 电流测量变压器的线圈

10 抽头

N_P 初级线圈

N_S 次级线圈

C_P 滤波器电容器、电容器

L_A 补偿电感器

L_H 主电感

L_σ 漏电感

L_P 滤波器电感器

I_T 变压器电流

I_E 输入电流

I_C 电容电流

Claims (6)

1.一种输出级，用于将超声发生器的AC电压信号与可连接至所述输出级的转换器相适配，其中所述输出级具有两个输入端子和两个输出端子以及输出变压器，所述两个输入端子用于接收由所述超声发生器产生的所述AC电压，所述两个输出端子用于输出经适配的AC电压，所述输出变压器具有匝数为n₁的初级线圈和匝数为n₂的次级线圈，所述输出变压器具有主电感L_H以及漏电感L_σ，所述两个输入端子经由所述初级线圈彼此连接并且所述两个输出端子经由所述次级线圈彼此连接，其特征在于，

提供滤波器电容器C_P，其中如果n₁与n₂的比值等于则所述滤波器电容器C_P被布置成使得所述滤波器电容器C_P将所述两个输出端子并联连接到所述次级线圈，其中如果n₁与n₂的比值大于则所述滤波器电容器C_P被布置成使得所述滤波器电容器C_P被连接至所述次级线圈的扩展绕组n₃，其中适用其中如果n₁与n₂的比值小于则所述滤波器电容器C_P被布置成使得所述滤波器电容器C_P将一输出端子连接至所述次级线圈的抽头，其中所述抽头布置在n₁个绕组之后；以及

提供用于测量流经所述两个输入端子的电流I_E和流过所述滤波器电容器C_P的电流I_C的差分电流I_Δ的设备，其中所述漏电感L_σ扮演所述超声发生器侧的滤波器电感器的角色，其中所述差分电流I_Δ能被用于推导超声振荡单元的振荡振幅。

2.如权利要求1所述的输出级，其特征在于，电感式电流测量变压器被用作用于测量所述差分电流I_Δ的设备，通过所述电感式电流测量变压器来引导流经所述两个输入端子的所述电流I_E所流过的导线以及流过所述滤波器电容器C_P的所述电流I_C所流过的导线。

3.如权利要求1到2中任一项所述的输出级，其特征在于，所述滤波器电容器C_P连接至具有匝数为n₃的滤波器线圈，所述滤波器线圈电感地耦合至所述输出变压器，其中适用n₃＝n₁。

4.一种超声焊接装置，其具有超声振荡单元、超声发生器以及如权利要求1到3中任一项所述的输出级，其特征在于，所述超声振荡单元具有用于将交流电转换成机械振荡的变换器，并且所述超声发生器被配置成产生频率f的电信号。

5.如权利要求4所述的超声焊接装置，其特征在于，所述转换器具有转换器电容C_K，并且所述输出变压器的所述主电感L_H以这样的方式被选择使得所述主电感与所述转换器电容一起形成阻塞电路，所述阻塞电路的阻塞频率f_S对应于f。

6.如权利要求4或5所述的超声焊接装置，其特征在于，所述滤波器电容器C_P以这样的方式被选择使得在所述频率f的1.5倍与2.5倍之间。