Ansteuern von 50-W-250-W-Ultraschallwandlern mit Sinus: Irgendwelche monolithischen 135-kHz-Leistungsverstärker-ICs der Klasse B?

Mein Projekt muss einen piezoelektrischen Ultraschallwandler mittlerer Leistung von einem Sinuswellen- ( / Sägezahn- ) Wobbelgenerator ansteuern, der +/- 2% der Resonanzfrequenz des Wandlers fegt.

Die Frage: Was sind meine einfachsten Optionen, um diese Wandler aus einem DDS-generierten geformten Signal mit angemessen geringer Verzerrung (5-10%) anzusteuern?

  1. Verwenden Sie einen Leistungsverstärker-IC von einer höheren Spannungsschiene mit viel Wärmeableitung, um den Wandler direkt anzusteuern
  2. Verwenden Sie einen Leistungsverstärker-IC, dann (?) eine Transistorstromverstärkungsstufe und dann einen geeigneten (Hilfe bei der Identifizierung benötigen) Aufwärtstransformator, um den Wandler anzusteuern
  3. Verwenden Sie eine Art Hochleistungsverstärker-IC der Klasse D (brauchen Sie Hilfe bei der Identifizierung), der nicht viel Kühlkörper benötigen würde ( Bearbeiten: Keine Lösung, siehe Anmerkung 7 ).
  4. Eine ganz andere Option
  5. Bearbeiten: Aus dem Vorschlag unten Identifizieren Sie ein handelsübliches OEM-Verstärkermodul, das die Parameter und Einschränkungen erfüllt.

UPDATE: [15. Oktober 2012] Option 5 oben scheint die beste Antwort zu sein, wenn ein oder zwei geeignete OEM-Module aufgezeigt werden könnten - bei meinen Recherchen bisher keine gefunden. Daher Frage offen lassen.

Die Sweep-Wellenformerzeugung erfolgt über einen DDS-IC, AD9850, Datenblatt hier: AD9850 CMOS 125 MHz Complete DDS Synthesizer

Einer der mir zur Verfügung stehenden Wandler: 5938D-25LBPZT-4 ( Ultrasonic Langevin Transducers )

  • Resonanzfrequenz: 25 KHz
  • Resonanzimpedanz: 10-20 Ohm
  • Kapazität: 5400 pf +/-10 %
  • Eingangsleistung: 60 W
  • Datenblatt: Ich wünschte, ich könnte eins finden!

Der Wandler würde sich von Fall zu Fall von 20 kHz auf 135 kHz ändern, jeweils im Bereich von 50 bis 250 Watt, ähnlich im Design wie oben.

Die Treiberdesigns, die ich für diese Wandler gesehen habe, verwenden typischerweise Schalt-, dh Rechteckwellen, um sie anzutreiben, MOSFET-gesteuert, in einigen Fällen mit Vpp 100 V! ( Brauchen diese Geräte überhaupt diese Art von Spannung? Bearbeiten: Offensichtlich so)

Einige Treiber verwenden abgestimmte Filter, um die Wellenform zu einem Sinus oder einer Annäherung davon zu formen.

Dies funktioniert für meine Zwecke leider nicht - Das Projekt ist ein einzelnes Gerät, das zuerst die Resonanzfrequenzen eines angeschlossenen Wandlers über den gesamten Bereich von 20 bis 135 kHz erkennt und dann zuerst mit einer Sinuswelle um jede Resonanzfrequenz herumfegt ( Bearbeiten: Entfernen dieser Anforderung als nicht machbar: dann ein Sägezahnsignal, ) bei einer bestimmten Ausgangsleistung, normalerweise etwa die Hälfte der Nennleistung des Wandlers.

Was ich also suche, ist die Weisheit dieser Community, die einen geeigneten prototypfreundlichen Ansatz vorschlägt, um diese DDS-Wellenformen an den Wandler zu übertragen. Danke euch allen!

Einige Anmerkungen basierend auf erhaltenen Kommentaren und Antworten hinzugefügt:

  1. Die Genauigkeit der Wellenform ist nicht überkritisch, eine Verzerrung von 5 % ist sehr akzeptabel. Thermische Probleme und Leistungsverschwendung durch Verlustleistung in der Verstärkerstufe sind größere Probleme. Die Kosten sind ein zentrales Anliegen, zumindest bis über das Prototypenstadium hinaus.
  2. Es wurde vorgeschlagen, dass vorgefertigte OEM-Verstärkermodule, die den Anforderungen entsprechen, meine beste Wahl sein könnten. Obwohl dies ansprechend ist, hoffe ich immer noch auf Alternativen zu den Optionen, die ich in meiner Frage vorgeschlagen habe, und auf deren Prüfung, und markiere daher die Antwort noch nicht als akzeptiert.
  3. Noch kein OEM-Modul online gefunden, das einen Frequenzbereich von 20 kHz bis 135 kHz abdeckt, selbst für 50 Watt Leistung. Der in einer Antwort vorgeschlagene ist für 3,5 kHz ausgelegt und seine Schaltfrequenz beträgt 100 kHz. ( Diese Anforderung fallen gelassen: Würde ich nicht auch eine viel höhere Bandbreite benötigen, um eine Sägezahnwelle mit sogar flüchtiger Genauigkeit zu verarbeiten? Möglicherweise muss ich die Sägezahnanforderung überspringen und meine Frage auf Sinuswellen beschränken, wenn der Sägezahn oder andere Die Bereitstellung willkürlicher Wellenformen wird von den Befragten als zu vertretbaren Kosten nicht erreichbar angesehen. )
  4. Neu vorgeschlagener Ansatz ist eine Klasse B mit Feedback. Der erwähnte Vorbehalt ist die hohe Verlustleistung in dieser Verstärkerstufe. Also zwei Ergänzungen zu meiner Frage:
  5. Gibt es einen monolithischen Klasse-B-Verstärker-IC, der den gewünschten Frequenzbereich (20 kHz bis 135 kHz, Verzicht auf die Sägezahnwelle) und Leistungsanforderungen (max. 50 Watt) abdecken könnte?
  6. Welcher Bereich der Wärmeableitung wird bei einer solchen Stufe der Klasse B als Prozentsatz der erwarteten Leistungsabgabe an den Wandler erwartet?
  7. Neu Über Klasse-D-Verstärker, monolithisch oder OEM: Sie müssten Schaltfrequenzen in der Größenordnung von 800 kHz oder höher verwenden, um eine 100-135-kHz-Sinuswelle mit angemessenem THD zu unterstützen. Für eine Anforderung von 5 % Verzerrung muss die Schaltfrequenz sogar noch höher sein. Klasse-D-Endstufen mit derart hoher Schaltfrequenz scheint es nicht zu geben.
Gute Frage, ich warte auf jemandes Antwort auf diese Frage. +1.
Es gibt einen Kompromiss zwischen der Einfachheit der Lösung und der Genauigkeit der übertragenen Wellenform. Was ist Ihre Anwendung? Handelt es sich um ein messtechnisches Problem oder um ein Ultraschallproblem, das Sie lösen möchten?
Die Anwendung ist ein diagnostisches Gerät unter Laborbedingungen: Die Reinheit der Wellenform ist wichtig, aber nicht entscheidend – daher ist die Verzerrung von 5–10 % akzeptabel.
Nicht sicher, ob diese für Sie funktionieren, aber viel niedrigere Kosten; piezodrive.com/modules.html#pdu100b
Wenn Sie sich hier auf die Beine stellen, hat jemand die Vakuumröhrentechnologie in Betracht gezogen, möglicherweise könnte eine selbstgebraute Version erhältlich sein?
bjultrasonic.com/1200w-ultrasonic-generator Diese Jungs erklären Ihnen ziemlich genau, wie es geht.

Antworten (5)

Probieren Sie diese linearen Verstärker von Apex aus . Sie sind speziell für Ultraschallanwendungen konzipiert.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Datenblatt-Links bitte?
Keine Teilenummer und toter Link...

Bei vielen Ultraschallanwendungen müssen Sie wirklich mit Potentialunterschieden von über 100 V arbeiten, um dem Medium eine ausreichende Schallleistung zuzuführen. Dies liegt an der ziemlich niedrigen Impedanz, die die Wandler elektrisch darstellen. Die Vorhersage, wie viel Spannung Sie benötigen, um einen bestimmten Schalldruck zu erreichen, ist jedoch nahezu unmöglich, da die Übertragungsfunktionen nicht trivial sind.

Viele Ultraschallanwendungen beschäftigen sich nicht besonders mit der Anregungswellenform. Aus diesem Grund sind viele Leistungsverstärkerstufen sehr einfache Gegentaktkonfigurationen, die einen Rechteckwellenausgang liefern. Ihr Vorteil ist zweifach:

  1. sie können leicht von Niederspannungs-Signalerzeugungsschaltungen angesteuert werden, und
  2. Sie verbrauchen nur sehr wenig Leistung in den Schaltelementen, was eine übliche Konstruktionseinschränkung ist. (Da Ultraschallwandler relativ schmalbandig sind, wird die Energiedissipation auf Kabel und Wandler verlagert. Oft ist die Kühlung des Wandlers viel einfacher.)

In Situationen, in denen die Signalwellenform wichtig ist, waren die Leistungsverstärkerstufen, denen ich in der Vergangenheit begegnet bin, im Allgemeinen Gegentaktkonfigurationen der Klasse B mit negativer Rückkopplung, um Überkreuzungsverzerrungen zu vermeiden, die von Hochspannungsschienen gespeist werden. Das klingt für mich so, als wäre das in deiner Situation der richtige Weg. Hinweis: In Ihren Schaltelementen wird eine nicht vernachlässigbare Verlustleistung abgegeben.

Danke ... Hätten Sie Vorschläge zu OEM-Verstärkermodulen der Klasse B, die den Bereich von 20 kHz bis 135 kHz abdecken? Ich verstehe, dass es in der Verstärkerstufe zu einer gewissen Wärmeableitung kommen wird - ich nehme an, das ist die Schaltstufe, auf die Sie sich beziehen. Kann man davon ausgehen, dass diese Verlustleistung im schlimmsten Fall 15 % bis 30 % der gewünschten Ausgangsleistung beträgt? Oder liege ich da ganz falsch in der Mathematik?

Ich denke, das Piezo Systems EPA-104-115 erfüllt alle Ihre Kriterien mit Ausnahme der Low-Cost-Kriterien. Es kostet $2.639.

Der AA Lab Systems A-301HS könnte auch passen und ist wahrscheinlich so billig, wie Sie finden werden. Ich habe einen bei ebay für 975 $ gesehen.

piezo driverIch suche oder habe bei meiner Suche piezo linear amplifiernichts Erschwinglicheres gefunden, aber Sie können es gerne selbst überprüfen.

Vielleicht möchten Sie auch dieses Papier lesen, das von einem Labor geschrieben wurde, das einen kostengünstigeren Treiber für seine Piezoaktoren gebaut hat. Leider liegt ihr Treiber im 1-kHz-Bereich, aber am Ende schlagen sie einige Methoden vor, die die kHz erhöhen könnten. Auf der anderen Seite sagen sie, dass sie nicht sicher sind, wo sie Teile bekommen sollen, die mit höheren Frequenzen umgehen könnten, aber es kann hilfreich sein, zu lesen, um zu verstehen, was höhere Frequenzen schwierig macht, und könnte mit etwas Ausdauer zu einer Lösung führen.

Zunächst einmal, ja, Sie benötigen Spannungen in der Größenordnung von 100 V Spitze (70,7 V RMS), um 250 W an 20 Ω zu treiben.

Sie können OEM-Leistungsverstärkermodule erwerben, die den Leistungs- und Frequenzbereich abdecken, an dem Sie interessiert sind; Dies ist wahrscheinlich die beste Wahl, um den Prototypen schnell und mit geringem Designrisiko zum Laufen zu bringen. Es kann sogar der richtige Weg für die Produktion sein. Achten Sie darauf, ein Gerät auszuwählen, das mit der kapazitiven Last umgehen kann.

Hier ist ein Beispiel. Interessanterweise finde ich, dass Audio-Leistungsverstärkermodule heutzutage fast ausschließlich Klasse-D sind, wobei die Bandbreite auf 10 kHz begrenzt ist. Als ich mir diese vor einigen Jahren das letzte Mal angesehen habe, waren sie Klasse-AB und hatten Bandbreiten von 100 kHz. Achten Sie darauf, „Piezo“ oder „Ultraschall“ in Ihre Suchbegriffe aufzunehmen.

Danke ... Wenn Sie mir einige OEM-Leistungsverstärker zeigen könnten, die dem Zweck dienen könnten, oder sogar eine Website, die ich mir ansehen könnte, würde das zumindest für die Prototypenphase gut funktionieren. Für diese Stufe würde sogar eine Ausgangsleistung von 50 bis 100 Watt gut funktionieren.
Das verlinkte Beispielgerät hat eine angegebene Bandbreite von 3,5 kHz, was leider nicht den Anforderungen meiner Frage entspricht. PI hat keine Angebote für meinen Frequenzbereich, aber sie waren nett genug zu erklären, dass es unwahrscheinlich wäre, eine Klasse D zu finden, die über etwa 30 kHz Sinus hinaus verwendbar ist, auch mit starker Verzerrung, da sie normalerweise eine Schaltfrequenz von 100 kHz verwenden. und Nyquist kommt ins Spiel. Bearbeitung dieses Befundes in meine Frage.

Ich würde feststellen, dass ein Standard-Piezo- oder Piezo-Verbundwandler eine Bandbreite von vielleicht 20% oder so hat (möglicherweise eine Oktave mit einem ziemlich harten Anpassungsnetzwerk zum Stimmen). Es gibt einen Grund, warum jeder Rechteckwellenantrieb macht, und das sind die Wandler einfach nicht genug Bandbreite haben, um etwas anderes als eine Sinuswelle zu reproduzieren, es spielt buchstäblich keine Rolle, wie die Antriebswellenform ist, der Wandler wird sie in eine Sinuswelle überführen ....

Darüber hinaus variiert die Gruppenverzögerung selbst innerhalb dieser Bandbreite stark, bis zu dem Punkt, dass es schwierig genug ist, einen einigermaßen quadratischen Multi-Zyklus-Impuls ins Wasser zu bringen, dass Paul Doust ihn früher als Party-Trick-Demo verwendet hat (wie in einem quadratischen Ausbruch von Sinuswellen). ).

Ich würde vorschlagen, dass, was auch immer Sie tun, ein bescheidener (wenige Ohm oder so) Leistungswiderstand in Reihe mit dem Verstärkerausgang eine gute Idee wäre, um den Phasenabstand zu verbessern.

Es gibt Audioverstärker, die das tun, was Sie wollen, aber billig? Nicht so sehr, und wie gesagt, eine H-Brücke ist alles, was Sie aufgrund der Wandlerbeschränkungen wirklich brauchen (Die Ausnahme sind mehrere Töne innerhalb der verfügbaren Bandbreite, bei denen Intermod ein Problem sein kann).

Klasse D mit GaN könnte eine Option sein, aber noch hat niemand wirklich ein Produkt.

Grüße, Dan.

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