Ansteuern von 50W-250W-Ultraschallwandlern mit Sinus: Gibt es monolithische Leistungsverstärker-ICs der Klasse B mit 135 kHz?

In meinem Projekt muss ein piezoelektrischer Ultraschallwandler mittlerer Leistung von einem Sinuswellen- ( / Sägezahn- ) Wobbelgenerator angetrieben werden, der +/- 2% der Resonanzfrequenz des Wandlers überstreicht.

Die Frage: Was sind meine einfachsten Möglichkeiten, um diese Wandler mit einem DDS-generierten geformten Signal mit einer vernünftig geringen Verzerrung (5-10%) zu betreiben?

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

UPDATE: [15-Oct-2012] Option 5 oben scheint die beste Antwort zu sein, wenn ein oder zwei geeignete OEM-Module herausgearbeitet werden könnten - Keine in meiner Forschung bisher gefunden. Daher bleibt die Frage offen.

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

Einer der Wandler, die mir zur Verfügung stehen: 5938D-25LBPZT-4 ( Ultraschall-Langevin -Wandler )

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

Der Wandler würde von Fall zu Fall von 20 kHz auf 135 kHz wechseln, und zwar jeweils im Bereich von 50 bis 250 Watt, ähnlich dem obigen Aufbau.

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

Einige Treiber verwenden abgestimmte Filter, um die Wellenform an einen Sinus oder eine Annäherung daran anzupassen.

Leider funktioniert dies für meine Zwecke nicht - Das Projekt ist ein einzelnes Gerät, das zuerst die Resonanzfrequenzen eines angeschlossenen Wandlers über den gesamten Bereich von 20 bis 135 kHz erfasst und dann jede Resonanzfrequenz mit einer Sinuswelle abtastet ( Bearbeiten: Entfernen Sie diese Anforderung als nicht durchführbar: dann ein Sägezahnsignal, ) bei einer festgelegten Ausgangsleistung, in der Regel um die Hälfte der Nennleistung des Wandlers.

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

Einige Notizen basierend auf eingegangenen Kommentaren und Antworten hinzugefügt :

1. Die Wellenformgenauigkeit ist nicht überkritisch, 5% Verzerrung sind sehr akzeptabel. Thermische Probleme und Energieverschwendung durch Verlustleistung in der Verstärkerstufe sind größere Bedenken. Zumindest bis nach dem Prototypenstadium sind die Kosten ein zentrales Anliegen.
2. Es wurde vorgeschlagen, dass vorgefertigte OEM-Verstärkermodule, die den Anforderungen entsprechen, meine beste Wahl sein könnten. Das gefällt mir zwar, aber ich hoffe immer noch auf Alternativen zusätzlich zu den Optionen, die ich in meiner Frage vorgeschlagen habe, und prüfe sie. Daher ist die Antwort noch nicht akzeptiert.
3. Es wurde noch kein OEM-Modul online gefunden, das einen Frequenzbereich von 20 kHz bis 135 kHz abdeckt, selbst für eine Ausgangsleistung von 50 Watt. Die in einer Antwort vorgeschlagene Frequenz ist für 3,5 kHz ausgelegt und hat eine Schaltfrequenz von 100 kHz. ( Diese Anforderung wurde entfernt: Wäre nicht auch eine wesentlich höhere Bandbreite erforderlich, um eine Sägezahnwelle mit einer noch so geringen Genauigkeit zu verarbeiten? Möglicherweise muss ich die Sägezahnanforderung überspringen und meine Frage auf Sinuswellen beschränken, wenn der Sägezahn oder eine andere Die Übertragung beliebiger Wellenformen wird von den Befragten als zu vertretbaren Kosten unerreichbar angesehen. )
4. Neu Vorgeschlagener Ansatz ist eine Klasse B mit Rückmeldung. Erwähnt wird eine hohe Verlustleistung bei dieser Verstärkerstufe. Also zwei Ergänzungen zu meiner Frage:
5. Gibt es einen monolithischen Class-B-Verstärker-IC, der den gewünschten Frequenzbereich (20 kHz bis 135 kHz, Verzicht auf die Sägezahnwelle) und die Leistungsanforderungen (max. 50 Watt) abdecken kann?
6. Wie hoch ist der erwartete Wärmeabgabebereich in einer solchen Klasse-B-Stufe als Prozentsatz der erwarteten Leistungsabgabe an den Wandler?
7. Neu bei Klasse-D-Verstärkern, monolithisch oder OEM: Sie müssten Schaltfrequenzen in der Größenordnung von 800 kHz oder höher verwenden, um eine Sinuswelle von 100 bis 135 kHz mit angemessenem Klirrfaktor zu unterstützen. Für eine Anforderung von 5% Verzerrung muss die Schaltfrequenz noch höher sein. Solche Leistungsverstärker der Klasse D mit hoher Schaltfrequenz scheinen nicht zu existieren.

Probieren Sie diese Linearverstärker von Apex . Sie sind speziell für Ultraschallanwendungen konzipiert.

In vielen Ultraschallanwendungen müssen Sie wirklich mit Potentialunterschieden von mehr als 100 V arbeiten, um dem Medium eine ausreichende Schallleistung zu liefern. Dies ist auf die relativ niedrige Impedanz der Wandler zurückzuführen, die elektrisch vorhanden sind. Es ist jedoch nahezu unmöglich vorherzusagen, wie viel Spannung Sie benötigen, um einen festgelegten Schalldruck zu erreichen, da die Übertragungsfunktionen nicht trivial sind.

Viele Ultraschallanwendungen beschäftigen sich nicht so sehr mit der Anregungswellenform. Dies ist der Grund, warum viele Leistungsverstärkerstufen sehr einfache Gegentaktkonfigurationen sind, die eine Rechteckwellenausgabe ergeben. Ihr Vorteil ist zweifach:

1. sie können leicht von Niederspannungssignalerzeugungsschaltungen angesteuert werden, und
2. Sie verbrauchen sehr wenig Energie in den Schaltelementen, was eine übliche Konstruktionsbeschränkung ist. (Aufgrund der Tatsache, dass Ultraschallwandler ziemlich schmalbandig sind, wird die Energiedissipation auf das Kabel und den Wandler verlagert. Oft ist das Kühlen 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 eingespeist werden. Es klingt für mich so, als wäre dies der richtige Weg in Ihrer Situation. Hinweis: Ihre Schaltelemente weisen eine nicht zu vernachlässigende Verlustleistung auf.

Ich denke, die Piezo-Systeme EPA-104-115 erfüllen alle Ihre Kriterien mit Ausnahme der Low-Cost-Kriterien. Es kostet 2.639 $.

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Auf der Suche nach etwas Erschwinglicherem piezo driveroder piezo linear amplifiernicht Erschwinglicherem, aber zögern Sie nicht, dies selbst zu überprüfen.

Vielleicht möchten Sie auch dieses Dokument lesen , das von einem Labor verfasst wurde, das einen kostengünstigeren Treiber für seine Piezoaktoren entwickelt hat. Leider liegt ihr Treiber im 1-kHz-Bereich, aber am Ende schlagen sie einige Methoden vor, die den kHz-Wert erhöhen könnten. Auf der anderen Seite sind sie sich nicht sicher, wo Teile zu finden sind, die mit höheren Frequenzen umgehen können, aber es kann hilfreich sein, zu verstehen, was höhere Frequenzen schwierig macht und zu einer ausdauernden Lösung führen kann.

Zuallererst benötigen Sie Spannungen in der Größenordnung von 100 V (70,7 V RMS), um 250 W in 20 Ω zu versetzen.

Sie können OEM-Leistungsverstärkermodule erwerben, die den gewünschten Leistungs- und Frequenzbereich abdecken. Dies ist wahrscheinlich die beste Wahl, um den Prototyp schnell und mit geringem Designrisiko zum Laufen zu bringen. Möglicherweise ist es auch der richtige Weg für die Produktion. Stellen Sie sicher, dass Sie eine Einheit auswählen, die mit der kapazitiven Last umgehen kann.

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

Ich würde feststellen, dass ein Standard-Piezo- oder Piezo-Composite-Wandler eine Bandbreite von etwa 20% hat (möglicherweise eine Oktave mit einem ziemlich hardcore-passenden Netzwerk zum Stimmen). Es gibt einen Grund, warum jeder einen Rechteckwellenantrieb betreibt, und es ist der Grund, dass die Wandler Sie haben nur nicht genug Bandbreite, um etwas anderes als eine Sinuswelle zu reproduzieren. Es ist buchstäblich egal, welche Antriebswellenform der Wandler in eine Sinuswelle umwandelt.

Selbst innerhalb dieser Bandbreite variiert die Gruppenverzögerung stark, bis zu dem Punkt, dass es schwierig genug ist, einen einigermaßen quadratischen Multi-Cycle-Impuls ins Wasser zu bringen, so dass Paul Doust ihn als Party-Trick-Demo verwendete (wie in einem quadratischen Ausbruch von Sinuswellen) ).

Ich würde vorschlagen, dass, was immer Sie tun, ein bescheidener (einige Ohm oder so) Leistungswiderstand in Reihe mit dem Verstärkerausgang eine gute Idee ist, um die Phasenreserve zu verbessern.

Es gibt Audioverstärker, die machen, was Sie wollen, aber billig? Nicht so sehr, und wie ich schon sagte, eine H-Brücke ist alles, was Sie aufgrund der Einschränkungen des Wandlers wirklich brauchen (die Ausnahme sind Mehrfachtöne innerhalb der verfügbaren Bandbreite, bei denen Intermod ein Problem sein kann).

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

Grüße, Dan.