Guida di trasduttori ad ultrasuoni da 50W-250W con sinusoidale: qualsiasi circuito integrato monolitico di classe B 135KHz?

Il mio progetto deve guidare un trasduttore piezoelettrico ad ultrasuoni di media potenza da un generatore di onde sinusoidali ( / dente di sega ) che spazza il +/- 2% della frequenza di risonanza del trasduttore.

La domanda: quali sono le mie opzioni più semplici per guidare questi trasduttori da un segnale a forma di DDS generato, con una distorsione ragionevolmente bassa (5-10%)?

1. Utilizzare un IC amplificatore di potenza su una guida di tensione più elevata, con un sacco di dispersione di calore, per guidare direttamente il trasduttore
2. Utilizzare un amplificatore di potenza IC, quindi (?) Uno stadio di amplificazione della corrente a transistor, quindi un trasformatore step-up appropriato (bisogno di aiuto per identificare) per guidare il trasduttore
3. Utilizzare una sorta di IC amplificatore ad alta potenza di classe D (bisogno di aiuto) che non necessiterebbe di molto assorbimento di calore ( Modifica: non è una soluzione, vedere la Nota 7 ).
4. Qualche altra opzione del tutto
5. Modifica: dai suggerimenti seguenti Identificare un modulo amplificatore OEM standard che soddisfi i parametri e i vincoli.

AGGIORNAMENTO: [15-ott-2012] L'opzione 5 sopra sembra la migliore risposta, se uno o due moduli OEM adatti potessero essere indicati - Nessuno trovato finora nella mia ricerca. Quindi lasciare aperta la domanda.

La generazione della forma d'onda di sweep avviene tramite un DDS IC, AD9850, Scheda tecnica qui: AD9850 CMOS 125 MHz Sintetizzatore DDS completo

Uno dei trasduttori disponibili: 5938D-25LBPZT-4 ( trasduttori a ultrasuoni di Langevin )

• Frequenza di risonanza: 25 KHz
• Impedenza risonante: 10-20 ohm
• Capacità: 5400 pf +/- 10%
• Potenza in ingresso: 60 W.
• Scheda tecnica: vorrei poterne trovare uno!

Il trasduttore cambierebbe caso per caso, da 20 KHz a 135 KHz, ciascuno nella gamma 50-250 watt, simile nel design a quello sopra.

I progetti di driver che ho visto per questi trasduttori in genere usano la commutazione cioè onde quadre per guidarli, MOSFET pilotati, con Vpp 100v in alcuni casi! ( Questi dispositivi hanno persino bisogno di quel tipo di tensione? Modifica: evidentemente così)

Alcuni driver utilizzano filtri sintonizzati per modellare la forma d'onda su un seno o su una sua approssimazione.

Sfortunatamente, ciò non funziona per i miei scopi - Il progetto è un singolo dispositivo che rileva dapprima le frequenze di risonanza di un trasduttore collegato attraverso l'intera gamma 20-135 KHz, quindi ruota attorno a ciascuna frequenza di risonanza con prima un'onda sinusoidale, ( Modifica: Rimozione di questo requisito come irrealizzabile: quindi un segnale a dente di sega, ) a una potenza specifica, di solito circa la metà della potenza nominale del trasduttore.

Quindi quello che sto cercando è la saggezza di questa comunità nel suggerire un adeguato approccio prototipo per ottenere quelle forme d'onda DDS sul trasduttore. Grazie a tutti!

Aggiunte alcune note basate su commenti e risposte ricevute:

1. La precisione della forma d'onda non è super critica, la distorsione del 5% è molto accettabile. I problemi termici e gli sprechi di potenza dovuti alla dissipazione nella fase dell'amplificatore sono preoccupazioni importanti. Il costo è una preoccupazione fondamentale, almeno fino allo stadio del prototipo.
2. È stato suggerito che i moduli di amplificazione OEM precompilati che soddisfano i requisiti potrebbero essere la mia scommessa migliore. Anche se questo fa appello, spero ancora alternative, oltre all'esame delle opzioni che ho proposto nella mia domanda, e quindi non contrassegnare ancora la risposta accettata.
3. Non è stato ancora trovato alcun modulo OEM online che copre una gamma di frequenza da 20 KHz a 135 KHz, anche per un'uscita da 50 watt. Quello suggerito in una risposta è progettato per 3,5 KHz e la sua frequenza di commutazione è di 100 KHz. ( Abbandonato questo requisito: Inoltre, non dovrei richiedere una larghezza di banda molto più elevata di quella, per gestire un'onda a dente di sega con precisione anche superficiale? Potrei dover saltare il requisito di dente di sega e limitare la mia domanda a onde sinusoidali, se il dente di sega o altro la consegna arbitraria di forme d'onda è vista dagli intervistati come irraggiungibile a costi ragionevoli. )
4. Il nuovo approccio suggerito è una classe B con feedback. L'avvertenza menzionata è un'alta dissipazione in questa fase dell'amplificatore. Quindi due aggiunte alla mia domanda:
5. Esiste un amplificatore monolitico di classe B in grado di coprire la gamma di frequenza desiderata (da 20 KHz a 135 KHz, rinunciando all'onda del dente di sega) e i requisiti di potenza (massimo 50 watt)?
6. Qual è la gamma di dissipazione del calore prevista in tale fase di classe B, in percentuale della potenza erogata prevista al trasduttore?
7. Novità sugli amplificatori di classe D, monolitici o OEM: avrebbero bisogno di utilizzare frequenze di commutazione dell'ordine di 800 KHz o superiori, per supportare un'onda sinusoidale da 100-135 KHz con THD ragionevole. Per un requisito di distorsione del 5%, la frequenza di commutazione deve essere ancora più elevata. Tali amplificatori di potenza di classe D con frequenza di commutazione elevata non sembrano esistere.

Prova questi amplificatori lineari realizzati da Apex . Sono progettati specificamente per le applicazioni ad ultrasuoni.

In molte applicazioni ad ultrasuoni dovrai davvero lavorare con potenziali differenze superiori a 100 V per fornire una potenza acustica sufficiente al mezzo. Ciò è dovuto alla bassa impedenza che i trasduttori presentano elettricamente. Prevedere quanta tensione è necessaria per raggiungere una pressione acustica impostata è quasi impossibile poiché le funzioni di trasferimento non sono banali.

Molte applicazioni ad ultrasuoni non sono terribilmente interessate dalla forma d'onda di eccitazione. Questo è il motivo per cui molti stadi dell'amplificatore di potenza sono configurazioni push-pull molto semplici che producono un'onda quadra. Il loro vantaggio è duplice:

1. possono essere pilotati facilmente dai circuiti di generazione del segnale a bassa tensione e
2. dissipano pochissima potenza negli elementi di commutazione che è un vincolo di progettazione comune. (A causa del fatto che i trasduttori a ultrasuoni sono piuttosto stretti, la dissipazione di energia viene spostata sul cavo e sul trasduttore. Spesso il raffreddamento del trasduttore è molto più semplice.)

In situazioni in cui la forma d'onda del segnale è importante, gli stadi dell'amplificatore di potenza che ho incontrato in passato erano generalmente configurazioni push-pull di classe B con feedback negativo per evitare distorsioni crossover alimentate da binari ad alta tensione. Mi sembra che questo sarebbe il modo di andare nella tua situazione. Nota: ci sarà una potenza non trascurabile dissipata nei tuoi elementi di commutazione.

Penso che il Piezo Systems EPA-104-115 soddisfi tutti i tuoi criteri tranne quelli a basso costo. Costa $ 2,639.

Anche i sistemi AA Lab A-301HS possono adattarsi ed è probabilmente economico come troverete. Ne ho visto uno su eBay per $ 975.

Cercando piezo drivero piezo linear amplifiernon ho trovato nulla di più conveniente nella mia ricerca, ma sentiti libero di ricontrollare te stesso.

Potresti anche voler leggere questo documento scritto da un laboratorio che ha creato un driver meno costoso per i loro attuatori piezoelettrici. Sfortunatamente il loro driver è nella gamma di 1kHz ma finiscono per suggerire alcuni metodi che potrebbero aumentare il kHz. D'altra parte, dicono di non essere sicuri di dove reperire parti in grado di gestire frequenze più alte, ma può essere una lettura utile per capire cosa rende difficili le frequenze più alte e potrebbe portare a una soluzione con una certa perseveranza.

Prima di tutto, sì, avrai bisogno di tensioni nell'ordine del picco di 100 V (70,7 V RMS) per guidare 250 W in 20 Ω.

Puoi acquistare moduli di amplificatori di potenza OEM che coprono la gamma di potenza e frequenza a cui sei interessato; questa è probabilmente la soluzione migliore in termini di funzionamento rapido del prototipo con basso rischio di progettazione. Potrebbe anche essere la strada da percorrere per la produzione. Assicurarsi di selezionare un'unità in grado di gestire il carico capacitivo.

Ecco un esempio È interessante notare che in questi giorni i moduli dell'amplificatore di potenza audio sono quasi esclusivamente di classe D, con una banda limitata a 10 s di kHz. Quando li ho visti l'ultima volta alcuni anni fa, erano di classe AB e avevano larghezze di banda di 100s di kHz. Assicurati di includere "piezo" o "ultrasonico" nei termini di ricerca.

Osserverei che un trasduttore piezoelettrico o piezoelettrico standard standard ha una larghezza di banda di circa il 20% o giù di lì (forse un'ottava con una rete di corrispondenza abbastanza hardcore per l'accordatura), c'è un motivo per cui tutti fanno l'onda quadra, ed è che i trasduttori semplicemente non ha abbastanza larghezza di banda per riprodurre nient'altro che un'onda sinusoidale, letteralmente non importa quale sia la forma d'onda del convertitore, il trasduttore lo passerà in un'onda sinusoidale ....

Inoltre, anche all'interno di quella larghezza di banda, il ritardo del gruppo varia ampiamente, al punto che persino mettere un impulso a ciclo multiplo ragionevolmente quadrato nell'acqua è abbastanza difficile che Paul Doust lo usava come una demo del trucco di una festa (Come in uno scoppio quadrato di onde sinusoidali ).

Vorrei suggerire che qualunque cosa tu faccia, un modesto resistore di potenza (pochi ohm) in serie con l'uscita dell'amplificatore sarebbe una buona idea per aiutare il margine di fase.

Ci sono amplificatori audio che faranno quello che vuoi, ma a buon mercato? Non molto, e come ho detto un bridge H è tutto ciò di cui hai veramente bisogno a causa delle limitazioni del trasduttore (L'eccezione è costituita da più toni all'interno della larghezza di banda disponibile in cui l'intermod può essere un problema).

La classe D con GaN potrebbe essere un'opzione, ma nessuno ha ancora prodotto.

Saluti, Dan.