Brevet FR2505211A1 — publié le 19821112

Générateur d'ultrasons La présente invention concerne un rateur d'ultrasons notamment pour applications dentaires, comprenant un transducteur connecte a un oscillateur alimenté å partir d'une source de tension par l'in termediaire d'un transformateur, d'un pont redresseur et d'éléments de filtrage. L'invention concerne plus particulièrement un générateur d'ultrasons comprenant un transducteur electrostrictif accordé sur sa frequence série, c'est-à-dire un transducteur dont l'impédance atteint son minimum pour la fréquence serie et pour lequel une augmentation de la charge mécanique provoque une augmentation de l'impedance. Ce type de générateur d'ultrasons est particulièrement utile pour des applications médicales. Toutefois, avec le type de transducteur précite calé sur la frEquence série, des problèmes se posent au niveau de l'alimentation en tension de l'oscillateur associe au transducteur. En particulier, une alimentation à l'aide d'un générateur de tension est defavorable car elle se traduit par une diminution de la puissance fournie au transducteur, selon une loi hyperbolique, lorsque l'impedance de celui-ci augmente. Ainsi, il est préjudiciable que le générateur fournisse la puissance la plus faible précisément lorsque le travail me- canique exigé est le plus important.Par ailleurs, la puissance appliquez au transducteur tend vers l'infini lorsque le transducteur n'est plus charge, ce qui peut se traduire par une rupture de l'outil ultrasonore. Les solutions proposées pour remédier au problème precite ne se sont pas avérées satisfaisantes. Ainsi, l'utilisation de circuits passifs complexes accordes sur la fréquence surie du transducteur présentent l'inconvenient de conduire à des montages volumineux, de nécessiter des composants passifs très précis, et de ne pouvoir fonctionner que sur une seule fréquence. La solution préconisée dans le brevet US 4 156 157, qui consiste à associer en parallèle un générateur de courant constant et un générateur de tension pour alimenter l'oscillateur et à bloquer soit le générateur de tension, lorsque l'impedance reste inférieure à un seuil réglable, soit le générateur de courant, lorsque l'impédance de la charge dépasse le seuil réglable, reste relativement complexe et ne permet pas non plus d'obtenir une adaptation simple de la puissance de sortie. Surtout, cette solution présente un certain nombre de risques sur le plan du fonctionnement.Ainsi, il existe en pratique un risque de décrochage de l'oscillateur en pleine charge si on a choisi pour l'oscillateur un bouclage adapté au démarrage c'est- & dire la fréquence à vide du transducteur et non à la frEquen- ce de travail qui est toujours différente de la fréquen- ce a vide. Or, le circuit LC utilise devant être très sélectif, le choix de la fréquence d'accord s'avere ain Si critique. De plus, au démarrage, la force contre elec- tromotrice qui apparait au niveau du transducteur peut conduire un claquage des éléments de commutation entre le générateur de tension et le générateur de courant.Le circuit connu par le brevet US 4 156 157 propose enfin une localisation de l'organe d'ajustage du seuil prédéterminé de commutation entre générateur de tension et générateur de courant qui n'est pas satisfaisante du point de vue de l'influence des ronflements parasites. La présente invention vise précisément à remédier aux inconvénients précités et a réaliser un génerateur d'ultrasons qui soit de structure simple et peu coûteuse à fabriquer tout en garantissant un fonctionnement sur quelle que soit la charge du transducteur. Ces buts sont atteints grace à un généra- teur d'ultrasons du type mentionné en tête de la description qui, conformément à l'invention, comprend un étage disjoncteur de courant interpose entre le pont redresseur et l'oscillateur pour limiter le courant dans le transducteur lorsque celui-ci présente une charge inférieure a une valeur prédéterminée. Selon une caractéristique particulière, l'étage disjoncteur de courant présente un seuil ajustable. Selon une autre caractéristique particulière, l'étage disjoncteur de courant réalise en permanence un filtrage dynamique tendant à éliminer les ronflements. L'invention permet ainsi d'obtenir un fonctionnement convenable et sur sans qu'il soit besoin de disposer d la fois d'un générateur de courant constant,- d'un générateur de tension constante et de moyens de commutation entre le générateur de courant eut le gé nérateur de tension. Au contraire, un simple étage disjoncteur de courant dans lequel est inséré un organe réglable de fixation de seuil, et qui joue le role de filtre dynamique, permet de garantir un bon fonctionnement quelle que soit la charge du transducteur, et n'implique que la mise en oeuvre d'un nombre réduit de composants. Selon un exemple particulier de réalisation, l'étage disjoncteur de courant comprend un premier transistor ballast dont la jonction collecteurémetteur est reliée par l'intermédiaire d'au moins une première résistance a l'oscillateur alimentant le transducteur et la base est reliée au pont redresseur par l'intermédiaire d'une deuxieme resistance et un second transistor dont la jonction collecteur-émetteur est con nectée entre la base du premier transistor ballast et le point de connexion entre ladite première résistance et l'oscillateur, de telle sorte que le second transistor constitue un élément soustracteur de courant pour le courant circulant dans ladite deuxième résistance. Dans ce cas, un potentiomètre est connecté entre la jonction collecteur-émetteur du premier transistor ballast et l'oscillateur et la base du second transistor est reliée au curseur dudit potentiomètre. De façon avantageuse, la base du second transistor est reliée au curseur du potentiomètre par l'intermédiaire d'une résistance ajustable et une troisieme résistance est connectée en parallele sur la jonction base-émetteur du second transistor. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite d'un mode particulier de réalisation, en référence au dessin annexé qui comporte une figure unique représentant le schéma électrique de ce mode de réalisation. L'ensemble d'alimentation du générateur d'ultrasons selon le schéma de la figure unique comprend de façon classique un transformateur d'entrée il dont l'enroulement primaire est relié au réseau d'alimentation en courant alternatif et dont l'enroulement secondaire est relié aux deux bornes d'entrée d'un pont redresseur 12 composé d'un ensemble de quatre diodes 13. Un condensateur de filtrage 14 est monté en parallele sur les deux bornes de sortie du pont redresseur 12. Les éléments 31 à 37, connectés entre la borne positive 15 de sortie de l'étage d'alimentation 11,12 et une borne 27 d'alimentation de l'étage oscillateur 2, constituent un étage disjoncteur de courant 3 qui sera décrit plus loin. L'ensemble oscillateur 2 auquel est connecté le transducteur 1, tel qu'un transducteur piézoélectrique, est classique et sera décrit ci-dessous. Une extrémité de l'enroulement primaire d'un transformateur 26 est connectée à la borne 27 d'alimentation de l'étage oscillateur 2 tandis que l'autre extrémite de cet enroulement primaire est connectée au collecteur d'un transistor 21 dont l'émetteur est relié a la borne négative d'alimentation constituée par la masse. Une extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur 26 est connectée au transducteur 1, tandis que l'autre extrémité est reliée d'une part à la masse par l'intermédiaire d'une résistance 22 et d'autre part à la base du transistor 21 par l'intermédiaire d'un circuit série constitué d'une inductance 23 et d'un condensateur 24. La base du transistor 21 est également reliée à la borne 27 d'alimentation de l'oscillateur par l'intermédiaire d'une résistance 25.L'ensemble resistance 22, inductance 23, condensateur 24 et résistance 25 constitue un circuit de réaction en courant qui permet au transistor 21 de fonctionner en auto-oscillateur. L'étage disjoncteur de courant 3 connecte entre la borne positive 15 de sortie de l'ensemble 11, 12, 14 d'alimentation-filtrage et la borne 27 d1alimen- tation de l'oscillateur 2 comprend un transistor ballast 31 dont le collecteur est connecte a la borne 15 de sortie du pont redresseur 12 et l'émetteur est relié par l'intermédiaire d'une résistance 34 à la borne 27 de l'oscillateur 2. La base du transistor ballast 31 est reliée à la borne 15 par une résistance 33. Un second transistor 32 est connecté entre la base du transistor ballast 31, par son collecteur, et la borne 27, par son émetteur. La base du transistor 32 est reliée au curseur d'un potentiomètre 35 par l'intermédiaire d'une résistance ajustable 36, le potentiometre 35 étant lui-meme connecté en parallèle sur la résistance 34.Une résistance 37 est en outre connectée en parallèle sur l1es- pace base-éjiietteur du transistor 32. Le fonctionnement de l'étage disjoncteur de courant 3 est le suivant si le transducteur 1 fonctionne à vide, le courant ab sorbé par l'oscillateur comprenant le transistor 21 tend à devenir très important, ce qui entraîne une augmentation de la chute de tension aux bornes de la résis- tance 34, et par suite entre le point P du curseur du potentiomètre et la borne 27. Le transistor 32 devient alors conducteur et prélève une partie du courant qui circule dans la résistance 33. Le courant de base du transistor ballast 31 diminue alors et il y a une tendance au blocage du transistor ballast 31. Le transistor 32 permet bien ainsi à l'ensemble 3 de jouer son rôle de disjoncteur de courant et de limiter automatiquement l'augmentation du courant qui circule dans la ligne joignant les bornes 15 27 lorsque la charge du transducteur.est faible. Le potentiomètre 35 et la résistance ajustable 36 permettent de fixer le seuil que ne doit pas dépasser le courant d'alimentation de l'oscillateur 2, c'est-à-dire la valeur de courant de collecteur du transistor ballast 31 au-delà de laquelle le transistor 32 devient conducteur et introduit une régulation en courant qui limite la puissance délivrée à l'oscillateur 2. Lorsque le transducteur 1 fournit un travail mécanique important, l'impedance de la charge augmente et le courant d'alimentation de l'oscillateur sur la ligne joignant les bornes 15 a 27 tend à diminuer. La tension aux bornes de la résistance 34 diminue également et la chute de potentiel correspondante entre le curseur P du potentiometre 35 et la borne 27 diminue jusqu'à provoquer le blocage du transistor 32 pour la valeur de seuil déterminée par le potentiomètre 35 et la résistance ajustable 36. Tout le courant parcourant la résistance 33 constitue alors le courant de base du transistor ballast 31 de sorte que le courant de collec teur du transistor ballast 31 et par suite la puissance fournie a l'oscillateur 2 ne sont pas limités. Selon l'invention, le courant d'alimentation de l'oscillateur 2 est ainsi automatiquement limité lorsque la charge est faible et notamment lorsque le transducteur 1 fonctionne à vide, ce qui empêche un endommagement qui pourrait etre causé par un courant d'intensité excessive. En revanche, en fonctionnement avec une charge importante, toute la puissance délivrée par la source de tension est disponible et le courant n'est pas limité artificiellement, ce qui garantit un bon rendement. Qu notera que la fixation du seuil pré determiné au-del duquel il y a une disjonction en courant est aisée. Le potentiomètre 35 peut par exemple permettre un préréglage en usine tandis que la résistan- ce ajustable 36 laisse la possibilité a l'utilisateur de réaliser un réglage fin complémentaire. Surtout, la localisation des éléments de réglage 35, 36 au sein m4- me de l'étage disjoncteur de courant 3 et à proximité immédiate de l'oscillateur 2 dans un circuit à faible impédance limite fortement le risque de ré injection d'une modulation à une fréquence voisine ou double de celle du réseau a d'alimentation en tension.L'étage dis- joncteur de courant 3 réalise d1ailleurs-lui-même un filtrage dynamique qui réduit automatiquement le ronflement résiduel présent sur la ligne joignant les bornes 15 à 27. Une différence de potentiel due à un ronflement se répercute en effet aux bornes de la résistance 35 et amene une mise en conduction temporaire du transistor 32 qui, par une soustraction de courant tend à diminuer le courant de base du transistor ballast 31 et par suite l'amplitude du ronflement. Ce filtrage dynamique est particulierement important pour des applications médicales, par exemple pour des traitements den taires car les patients sont genéralement tres sensibles aux vibrations dont les fréquences correspondent à ces ronflements. On relevera par ailleurs que le circuit 3 est parfaitement insensible aux signaux de force contre électromotrice qui apparaissent notamment au démarrage du système et en fonctionnement. Il n'y a donc pas de risque articulier de claquage des transistors 31 et 32. De plus, l'étage disjoncteur de courant 3 intervient essentiellement au-del dudit seuil prédéterminé, afin de prévenir une destruction du transducteur, notamment lorsque celui-ci fonctionne à vide. In deçà de ce seuil, le courant traversant le transistor ballast 31 peut varier en fonction de la charge et de la fréquence d'accord du bouclage de l'oscillateur 2. Le choix de la bande passante du circuit LC 23, 24 peut ainsi être effectue sans crainte-de voir se produire un décrochage de l'oscillateur en charge. L'invention permet ainsi de garantir un fonctionnement sur d'un générateur d'ultrasons dont le transducteur est accordé sur sa fréquence série, gracie å l'adjonction entre le pont redresseur de l'étage d'alimentation et l'oscillateur associé au transducteur, d'un étage dont le nombre de composants semi-conducteus peut être limite à deux transistors. REVENDICATIONS 1. Générateur d'ultrasons notamment pour applications dentaires, comprenant un transducteur (1) connecté i un oscillateur (2) alimenté à partir d'une source de tension par l'intermédiaire d'un transformateur (11), d'un pont redresseur (12) et d'éléments de filtrage (14), c a r a c t é r i s é en ce qu'il comprend en outre un étage disjoncteur de courant (3) interposé entre le pont redresseur (12) et l'oscillateur (2) pour limiter le courant dans le transducteur (1) lorsque celui-ci présente une charge inferieure a une valeur prédéterminée. 2. Générateur d'ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage disjoncteur de courant (3) présente un seuil ajustable. 3. Générateur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage disjoncteur de courant (3) réalise en permanence un filtrage dynamique tendant à éliminer les ronflements. 4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage disjoncteur de courant (3) comprend un premier transistor ballast (31) dont la jonction collecteur-émetteur est reliée par l'intermédiaire d'au moins une première résistance .(34)à l'oscillateur (2) alimentant le transducteur (1) et la base est reliée au pont redresseur (12) par l'intermédiaire d'une deuxième résistance (33) et un second transistor (32) dont la jonction collecteur-émetteur est connectée entre la base du premier transistor ballast (31) et le point de connexion entre ladite première résistance (34) et l'oscillateur (21 à 25), de telle-sorte que le second transistor (32) constitue un élément soustracteur de courant pour le courant circulant dans ladite deuxième ré sistance(33). 5. Générateur selon la revendication 2 et la revendication 4, caractérisé en ce qu'un potentio mettre (35) est connecté'entre la jonction collecteur- r émetteur du premier transistor ballast (31) et l'oscillateur (2) et en ce que la base du second transistor (32) est reliée au curseur dudit potentiomêtre (35). 6. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la base du second transistor (32) est reliée au curseur du potentiomêtre (35) par l'inter médiaire d'une résistance ajustable (36) et en ce qu'une troisième résistance (37) est connectée en parallele sur la jonction base-émetteur du second transistor (32). 7. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le transducteur (1) est de type Electrostrictif et est accordé sur sa fréquence série.