Schaltung zur Anregung eines Ultraschall-Therapiekopfes

Abstract

 Der piezoelektrische Schwinger (1) eines Ultraschall-Therapiekopfes bildet mit einem Leistungs-Feldeffekttransistor (10) einen Eintakt-Oszillator: Hierzu ist der Schwinger (1) an die Drain-Elektrode (D) angeschlossen. Zur Rückkopplung dient ein Transformator (20), dessen Primärwicklung (22) an die Source-Elektrode (S) angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklung (21) mit Kondensatoren (23, 24) einen Serienresonanzkreis bildet, der an die Gate-Elektrode (G) angeschlossen ist und dessen Resonanzfrequenz etwa gleich der Resonanzfrequenz des Therapiekopfes ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung des piezoelektrischen Schwingers in einem Ultraschall-Therapiekopf gemäß Oberbegriff des Anspruch 1.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Speisung des piezoelektrischen Schwingers in einem Untraschall-Therapiekopf aus einer Gleichspannungsquelle mit einer ersten und einer zweiten Klemme, mit einem Oszillator zur Erzeugung der Speisewechselspannung, deren Frequenz etwa gleich der Resonenzfrequenz des Schwingers ist und oberhalb von 500 kHz liegt, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator ein Eintakt-Oszillator mit einem Leistungs-Feldeffekttransistor (10) mit einer Gate-Elektrode (G), einer Drain-Elektrode (D) und einer Source-Elektrode (S) ist,
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.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstand des Ultraschall-Therapiekopfes in belastetem Zustand kleiner als 100 Ohm, vorzugsweise ≦ 20 Ohm ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet , daß zwischen der Drain- und der Source-Elektrode ein Tiefpaß (13, 14) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekenn- zeichnet durch eine Schutzeinrichtung, die mit der Spannung zwischen den Drain- und Source-Elektroden angesteuert wird und den Oszillator abschaltet, wenn diese Spannung einen kritischen Grenzwert erreicht.

Zeichnung