Prowadząc przetworniki ultradźwiękowe 50W-250W z sinusoidą: Jakieś układy scalone wzmacniacza mocy klasy B 135 KHz?

Mój projekt wymaga wysterowania ultradźwiękowego przetwornika piezoelektrycznego średniej mocy z generatora przemiatania fali sinusoidalnej ( / piłokształtnej ), który zamiata +/- 2% częstotliwości rezonansowej przetwornika.

Pytanie: Jakie są moje najprostsze opcje wysterowania tych przetworników z sygnału w kształcie generowanego przez DDS, przy stosunkowo niskich zniekształceniach (5-10%)?

1. Użyj bezpośrednio wzmacniacza mocy na szynie o wyższym napięciu, z dużą ilością radiatora, aby bezpośrednio napędzać przetwornik
2. Użyj układu scalonego wzmacniacza mocy, następnie (?) Stopnia wzmocnienia prądu tranzystora, a następnie odpowiedniego (potrzebującego pomocy w identyfikacji) transformatora podwyższającego napięcie do sterowania przetwornika
3. Użyj jakiegoś (potrzebującego pomocy w identyfikacji) układu scalonego wysokiej mocy wzmacniacza klasy D, który nie wymagałby dużego pochłaniania ciepła ( edycja: nie rozwiązanie, patrz uwaga 7 ).
4. Jakaś inna opcja całkowicie
5. Edycja: Z sugestii poniżej Zidentyfikuj gotowy moduł wzmacniacza OEM, który spełnia parametry i ograniczenia.

AKTUALIZACJA: [15-paź-2012] Opcja 5 powyżej wydaje się najlepszą odpowiedzią, jeśli można wskazać odpowiedni moduł OEM lub dwa - Jak dotąd nie znaleziono w moich badaniach. Dlatego pozostawienie pytania otwartego.

Generowanie przebiegu wobulacji odbywa się za pomocą DDS IC, AD9850, arkusz danych tutaj: AD9850 CMOS 125 MHz Kompletny syntezator DDS

Jeden z dostępnych mi przetworników: 5938D-25LBPZT-4 ( Ultrasonic Langevin Transducers )

• Częstotliwość rezonansowa: 25 kHz
• Impedancja rezonansowa: 10-20 omów
• Pojemność: 5400 pf +/- 10%
• Moc wejściowa: 60 W.
• Arkusz danych: Chciałbym móc go znaleźć!

Przetwornik zmieniałby skrzynkę z obudowy, z 20 kHz na 135 kHz, każdy w zakresie 50–250 watów, podobnie pod względem konstrukcji do powyższego.

Konstrukcje przetworników, które widziałem dla tych przetworników, zwykle wykorzystują przełączanie, tj. Fale prostokątne do napędzania ich, napędzane MOSFET, w niektórych przypadkach z Vpp 100v! ( Czy te urządzenia nawet potrzebują takiego napięcia? Edytuj: Najwyraźniej tak)

Niektóre sterowniki używają dostrojonych filtrów do kształtowania kształtu fali do sinusoidy lub jej przybliżenia.

Niestety, to nie działa w moim przypadku - Projekt jest pojedynczym urządzeniem, które najpierw wykrywa częstotliwości rezonansowe podłączonego przetwornika w pełnym zakresie 20-135 kHz, a następnie omija każdą częstotliwość rezonansową najpierw falą sinusoidalną, ( Edytuj: Usunięcie tego wymogu jako niewykonalne: następnie sygnał piłokształtny, ) przy określonej mocy wyjściowej, zwykle około połowy mocy znamionowej przetwornika.

Dlatego szukam mądrości tej społeczności, która sugeruje odpowiednie, przyjazne dla prototypów podejście do przeniesienia tych przebiegów DDS do przetwornika. Dziękuję wam wszystkim!

Dodano uwagi na podstawie otrzymanych komentarzy i odpowiedzi:

1. Dokładność kształtu fali nie jest nadkrytyczna, zniekształcenie 5% jest bardzo dopuszczalne. Większe obawy budzą problemy termiczne i straty mocy w wyniku rozproszenia w fazie wzmacniacza. Koszt jest kluczowym problemem, przynajmniej do momentu ukończenia etapu prototypu.
2. Zasugerowano, że moim najlepszym wyborem mogą być gotowe moduły wzmacniaczy OEM, które spełniają te wymagania. Chociaż jest to atrakcyjne, wciąż mam nadzieję na alternatywy oprócz i analizę opcji, które zaproponowałem w moim pytaniu, a zatem nie oznacza jeszcze, że odpowiedź została zaakceptowana.
3. Nie znaleziono jeszcze żadnego modułu OEM online, który obejmuje zakres częstotliwości od 20 kHz do 135 kHz, nawet dla mocy wyjściowej 50 W. Ten sugerowany w odpowiedzi jest przeznaczony dla częstotliwości 3,5 kHz, a jego częstotliwość przełączania wynosi 100 kHz. ( Porzuciłem ten wymóg: czy nie wymagałbym znacznie większej przepustowości, aby obsłużyć falę piłokształtną z nawet pobieżną dokładnością? Być może musiałbym pominąć wymóg piłokształtny i ograniczyć moje pytanie do fal sinusoidalnych, jeśli piłokształt lub inne arbitralne dostarczanie fali jest postrzegane przez respondentów jako nieosiągalne przy rozsądnych kosztach ).
4. Nowe sugerowane podejście to klasa B z informacją zwrotną. Wspomniane zastrzeżenie to wysokie rozpraszanie na tym etapie wzmacniacza. Więc dwa dodatki do mojego pytania:
5. Czy istnieje monolityczny układ scalony wzmacniacza klasy B, który może pokryć pożądany zakres częstotliwości (od 20 kHz do 135 kHz, rezygnując z fali piłokształtnej) i wymagania dotyczące mocy (maks. 50 watów)?
6. Jaki jest oczekiwany zakres rozpraszania ciepła na takim etapie klasy B, jako procent oczekiwanej mocy dostarczanej do przetwornika?
7. Nowość o wzmacniaczach klasy D, monolitycznych lub OEM: musiałyby stosować częstotliwości przełączania rzędu 800 kHz lub więcej, aby obsłużyć falę sinusoidalną 100–135 kHz przy rozsądnym THD. W przypadku wymogu 5% zniekształceń częstotliwość przełączania musi być jeszcze wyższa. Wydaje się, że tak wysokie wzmacniacze mocy klasy D nie występują.

Wypróbuj te wzmacniacze liniowe firmy Apex . Są one zaprojektowane specjalnie dla aplikacji ultradźwiękowych.

W wielu zastosowaniach ultradźwiękowych naprawdę będziesz musiał pracować z różnicami potencjałów przekraczającymi 100 V, aby zapewnić wystarczającą moc akustyczną medium. Wynika to z dość niskiej impedancji przetworników obecnych elektrycznie. Przewidywanie, ile napięcia potrzeba do osiągnięcia ustawionego ciśnienia akustycznego, jest jednak prawie niemożliwe, ponieważ funkcje przenoszenia nie są trywialne.

Wiele aplikacji ultradźwiękowych nie przejmuje się zbytnio przebiegiem wzbudzenia. To jest powód, dla którego wiele stopni wzmacniacza mocy jest bardzo prostymi konfiguracjami typu push-pull, dającymi wyjściową falę prostokątną. Ich przewaga jest podwójna:

1. mogą być łatwo napędzane z obwodów generujących sygnały o niskim napięciu, oraz
2. rozpraszają bardzo mało mocy w elementach przełączających, co jest powszechnym ograniczeniem projektowym. (Ze względu na fakt, że przetworniki ultradźwiękowe mają dość wąskie pasmo, rozpraszanie energii jest przenoszone na kabel i przetwornik. Często chłodzenie przetwornika jest znacznie łatwiejsze).

W sytuacjach, w których ważny jest przebieg sygnału, stopnie wzmacniacza mocy, które spotkałem w przeszłości, były ogólnie konfiguracjami typu push-pull klasy B z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, aby uniknąć zniekształceń zwrotnicy zasilanych z szyn wysokonapięciowych. Wydaje mi się, że tak właśnie powinna wyglądać Twoja sytuacja. Uwaga: moc będzie rozproszona w elementach przełączających.

Myślę, że Piezo Systems EPA-104-115 spełnia wszystkie twoje kryteria, z wyjątkiem kryteriów niskich kosztów. Kosztuje 2639 USD.

AA Lab Systems A-301HS również mogą pasować i są prawdopodobnie tak tanie, jak się znajdziesz. Widziałem jeden w serwisie eBay za 975 USD.

Wyszukiwanie piezo driverlubpiezo linear amplifier nie znalazłem niczego bardziej przystępnego w moich poszukiwaniach, ale proszę sprawdzić to sam.

Możesz także przeczytać ten artykuł napisany przez laboratorium, które zbudowało tańszy sterownik dla swoich siłowników piezoelektrycznych. Niestety ich sterownik znajduje się w zakresie 1 kHz, ale kończą sugerowaniem metod, które mogą podnieść kHz. Z drugiej strony, mówią, że nie są pewni, skąd wziąć części, które mogłyby obsłużyć wyższe częstotliwości, ale może być pomocna lektura, aby zrozumieć, co utrudnia wyższe częstotliwości i może prowadzić do rozwiązania z pewną wytrwałością.

Przede wszystkim tak, będziesz potrzebować napięcia rzędu 100 V wartości szczytowej (70,7 V RMS), aby doprowadzić 250 W do 20 Ω.

Możesz kupić moduły wzmacniaczy mocy OEM, które obejmują interesujący Cię zakres mocy i częstotliwości; jest to prawdopodobnie najlepszy wybór, jeśli chodzi o szybkie uruchomienie prototypu przy niskim ryzyku projektowym. Może to być również droga do produkcji. Pamiętaj, aby wybrać jednostkę, która poradzi sobie z obciążeniem pojemnościowym.

Oto jeden przykład. Co ciekawe, uważam, że moduły wzmacniaczy mocy audio w dzisiejszych czasach są prawie wyłącznie klasy D, z pasmem ograniczonym do 10 s kHz. Kiedy ostatnio na nie patrzyłem kilka lat temu, były klasy AB i miały przepustowość 100 kHz. Pamiętaj, aby w wyszukiwanych hasłach uwzględnić „piezo” lub „ultradźwięk”.

Zauważyłbym, że standardowy przetwornik piezoelektryczny lub piezoelektryczny ma szerokość pasma wynoszącą około 20% (być może oktawę z dość hardcore'ową pasującą siecią do strojenia), istnieje powód, dla którego wszyscy używają fal prostokątnych, i to dlatego, że przetworniki po prostu nie mam wystarczającej przepustowości, aby odtworzyć cokolwiek innego niż falę sinusoidalną, dosłownie nie ma znaczenia, jaki przebieg falowy jest przetwornikiem, przepuszcza go do fali sinusoidalnej ...

Co więcej, nawet w obrębie tego pasma opóźnienie grupowe jest bardzo zróżnicowane, do tego stopnia, że ​​nawet umieszczenie rozsądnie kwadratowego impulsu wielocyklowego w wodzie jest wystarczająco trudne, że Paul Doust użył go jako demo imprezowej sztuczki (jak w kwadratowej fali fal sinusoidalnych ).

Sugerowałbym, że cokolwiek zrobisz, skromny (około kilku omów) rezystor mocy połączony szeregowo z wyjściem wzmacniacza byłby dobrym pomysłem, aby pomóc w marginesie fazowym.

Są wzmacniacze audio, co zrobisz, co chcesz, ale tanie? Nie tak bardzo, i jak mówię, mostek H jest tak naprawdę potrzebny ze względu na ograniczenia przetwornika (wyjątek to wiele tonów w ramach dostępnego pasma, gdzie intermod może być problemem).

Klasa D z GaN może być opcją, ale nikt tak naprawdę nie ma produktu.

Pozdrawiam, Dan.