Mengemudi transduser ultrasonik 50W-250W dengan sinus: Apa saja IC B amp daya monolitik Kelas B 135KHz?

Proyek saya perlu menggerakkan transduser piezoelektrik ultrasonik daya menengah dari generator sapuan gelombang sinus ( / gigi gergaji ) yang menyapu +/- 2% dari frekuensi resonansi transduser.

Pertanyaannya: Apa pilihan paling sederhana saya untuk menggerakkan transduser ini dari sinyal berbentuk DDS, dengan distorsi yang cukup rendah (5-10%)?

1. Gunakan IC power amplifier dari rel tegangan tinggi, dengan banyak pendingin panas, untuk secara langsung menggerakkan transduser
2. Gunakan IC power amplifier, lalu (?) Tahap amplifikasi transistor saat ini, lalu transformator step-up yang sesuai (perlu bantuan mengidentifikasi) untuk menggerakkan transduser
3. Gunakan semacam (perlu bantuan mengidentifikasi) IC penguat daya tinggi kelas D yang tidak akan membutuhkan banyak heat sink ( Edit: Bukan solusi, lihat Catatan 7 ).
4. Beberapa opsi lain sepenuhnya
5. Sunting: Dari saran di bawah ini, Identifikasi modul amplifier OEM yang sesuai dengan parameter dan batasannya.

UPDATE: [15-Oct-2012] Opsi 5 di atas tampaknya jawaban terbaik, jika satu atau dua modul OEM yang sesuai dapat ditunjukkan - Tidak ada yang ditemukan dalam penelitian saya sejauh ini. Karenanya meninggalkan pertanyaan terbuka.

Generasi gelombang sapuan melalui IC DDS, AD9850, Lembar Data di sini: AD9850 CMOS 125 MHz Complete DDS Synthesizer

Salah satu transduser yang tersedia untuk saya: 5938D-25LBPZT-4 ( Ultrasonic Langevin Transducers )

• Frekuensi resonansi: 25 KHz
• Impedansi resonan: 10-20 Ohm
• Kapasitansi: 5400 pf +/- 10%
• Daya input: 60W
• Datasheet: Saya harap saya bisa menemukannya!

Transduser akan mengubah kasus ke kasus, dari 20KHz ke 135KHz, masing-masing dalam kisaran 50-250 watt, mirip dalam desain dengan yang di atas.

Desain driver yang saya lihat untuk transduser ini biasanya menggunakan switching yaitu gelombang persegi untuk menggerakkannya, digerakkan MOSFET, dengan Vpp 100v dalam beberapa kasus! ( Apakah perangkat ini bahkan membutuhkan tegangan semacam itu? Edit: Jelas sekali)

Beberapa driver menggunakan filter yang disetel untuk membentuk gelombang ke sinus atau perkiraannya.

Sayangnya, ini tidak berfungsi untuk keperluan saya - Proyek ini adalah perangkat tunggal yang pertama-tama akan mendeteksi frekuensi resonansi transduser yang terpasang pada rentang penuh 20-135KHz, kemudian menyapu setiap frekuensi resonansi dengan gelombang sinus pertama, ( Edit: Menghapus persyaratan ini sebagai tidak layak: maka sinyal gigi gergaji, ) pada output daya yang ditentukan, biasanya sekitar setengah daya pengenal transduser.

Jadi yang saya cari adalah kearifan komunitas ini dalam menyarankan pendekatan ramah-prototipe yang cocok untuk mendapatkan bentuk gelombang DDS ke transduser. Terima kasih semua!

Menambahkan beberapa catatan berdasarkan komentar dan tanggapan yang diterima:

1. Akurasi bentuk gelombang tidak super-kritis, distorsi 5% sangat dapat diterima. Masalah termal dan pemborosan daya melalui disipasi pada tahap amplifier adalah masalah yang lebih besar. Biaya adalah masalah utama, setidaknya sampai melewati tahap prototipe.
2. Telah disarankan bahwa modul amplifier OEM prebuilt yang sesuai dengan persyaratan mungkin merupakan taruhan terbaik saya. Meskipun itu menarik, saya masih berharap untuk alternatif di samping, dan pemeriksaan, opsi yang saya usulkan dalam pertanyaan saya, karenanya belum menandai jawaban yang diterima.
3. Belum ditemukan modul OEM online yang mencakup rentang frekuensi 20KHz hingga 135KHz, bahkan untuk output 50 watt. Yang disarankan dalam respons dirancang untuk 3.5KHz, dan frekuensi switching-nya adalah 100KHz. ( Menjatuhkan persyaratan ini: Juga, bukankah saya memerlukan bandwidth jauh lebih tinggi dari itu, untuk menangani gelombang gigi gergaji dengan akurasi sepintas? Saya mungkin harus melewati persyaratan gigi gergaji, dan membatasi pertanyaan saya menjadi gelombang sinus, jika gigi gergaji atau lainnya pengiriman gelombang sewenang-wenang dipandang oleh responden sebagai tidak terjangkau dengan biaya yang wajar. )
4. Pendekatan baru yang disarankan adalah Kelas B dengan umpan balik. Peringatan yang disebutkan adalah disipasi tinggi pada tahap amplifier ini. Jadi dua tambahan untuk pertanyaan saya:
5. Apakah ada IC amplifier Kelas B monolitik yang mungkin mencakup rentang frekuensi yang diinginkan (20KHz hingga 135KHz, menyerah pada gelombang gigi gergaji) dan kebutuhan daya (maks 50 watt)?
6. Berapa kisaran pembuangan panas yang diharapkan pada tahap kelas B seperti itu, sebagai persentase dari pengiriman daya yang diharapkan ke transduser?
7. Baru Tentang Kelas D amplifier, monolitik atau OEM: Mereka perlu menggunakan frekuensi switching dari urutan 800KHz atau lebih tinggi, untuk mendukung gelombang sinus 100-135KHz dengan THD yang wajar. Untuk persyaratan distorsi 5%, frekuensi switching harus lebih tinggi. Frekuensi switching yang tinggi seperti amplifier daya D sepertinya tidak ada.

Coba amplifier linier yang dibuat oleh Apex ini . Mereka dirancang khusus untuk aplikasi ultrasound.

Dalam banyak aplikasi ultrasonik Anda benar-benar perlu bekerja dengan perbedaan potensial lebih dari 100V untuk memberikan daya akustik yang cukup ke medium. Ini disebabkan oleh impedansi yang cukup rendah yang dimiliki oleh transduser secara elektrik. Memprediksi berapa banyak voltase yang Anda butuhkan untuk mencapai tekanan akustik yang diatur bagaimanapun tidak mungkin karena fungsi transfernya tidak sepele.

Banyak aplikasi USG tidak terlalu peduli dengan bentuk gelombang eksitasi. Ini adalah alasan mengapa banyak tahapan power amplifier adalah konfigurasi push-pull yang sangat sederhana menghasilkan output gelombang persegi. Keuntungan mereka ada dua:

1. mereka dapat digerakkan dengan mudah dari sirkuit pembangkit sinyal bertegangan rendah, dan
2. mereka menghilangkan daya yang sangat kecil dalam elemen switching yang merupakan kendala desain umum. (Karena transduser ultrasound cukup sempit, disipasi energi dialihkan ke kabel dan transduser. Seringkali mendinginkan transduser jauh lebih mudah.)

Dalam situasi di mana bentuk gelombang sinyal penting, tahap penguat daya yang saya temui di masa lalu umumnya konfigurasi push-pull kelas B dengan umpan balik negatif untuk menghindari distorsi crossover yang diumpankan dari rel tegangan tinggi. Kedengarannya bagi saya bahwa ini akan menjadi cara untuk masuk dalam situasi Anda. Catatan: akan ada daya yang tidak dapat diabaikan yang dihilangkan dalam elemen switching Anda.

Saya pikir Piezo Systems EPA-104-115 cocok untuk semua kriteria Anda kecuali untuk kriteria berbiaya rendah. Harganya $ 2.639.

The AA Lab Sistem A-301HS juga mungkin cocok dan mungkin semurah Anda akan menemukan. Saya melihat satu di ebay untuk $ 975.

Mencari piezo driveratau piezo linear amplifiertidak menemukan sesuatu yang lebih terjangkau dalam pencarian saya, tetapi jangan ragu untuk mengecek diri sendiri.

Anda mungkin juga ingin membaca makalah ini yang ditulis oleh laboratorium yang membuat driver yang lebih murah untuk aktuator piezo mereka. Sayangnya driver mereka berada dalam kisaran 1kHz tetapi mereka berakhir dengan menyarankan beberapa metode yang mungkin menaikkan kHz. Di sisi lain, mereka mengatakan mereka tidak yakin di mana mendapatkan bagian yang bisa menangani frekuensi yang lebih tinggi, tetapi itu mungkin merupakan bacaan yang bermanfaat untuk memahami apa yang membuat frekuensi lebih tinggi menjadi sulit dan dapat mengarah ke solusi dengan ketekunan.

Pertama-tama, ya, Anda akan membutuhkan tegangan pada urutan 100V puncak (70,7V RMS) untuk mendorong 250W menjadi 20Ω.

Anda dapat membeli modul penguat daya OEM yang mencakup rentang daya dan frekuensi yang Anda minati; ini mungkin taruhan terbaik Anda dalam hal menjalankan prototipe dengan cepat dengan risiko desain rendah. Bahkan mungkin cara untuk pergi untuk produksi juga. Pastikan untuk memilih unit yang dapat menangani beban kapasitif.

Ini salah satu contohnya. Menariknya, saya menemukan bahwa modul penguat daya audio hari ini hampir secara eksklusif kelas-D, dengan bandwidth terbatas 10s kHz. Ketika saya terakhir melihat ini beberapa tahun yang lalu, mereka kelas-AB dan memiliki bandwidth 100-an kHz. Pastikan untuk memasukkan "piezo" atau "ultrasonik" dalam istilah pencarian Anda.

Saya akan mengamati bahwa standar piezo atau piezo komposit transduser memiliki bandwidth mungkin 20% atau lebih (Mungkin satu oktaf dengan jaringan pencocokan yang cukup hardcore untuk penyetelan), ada alasan mengapa setiap orang melakukan penggerak gelombang persegi, dan itu adalah bahwa transduser hanya tidak memiliki bandwidth yang cukup untuk mereproduksi apa pun selain gelombang sinus, itu benar-benar tidak peduli apa bentuk gelombang drive transduser akan melewati gelombang itu menjadi gelombang sinus ....

Lebih jauh bahkan dalam bandwidth itu, keterlambatan grup sangat bervariasi, sampai-sampai bahkan menempatkan pulsa multi-siklus yang cukup persegi ke dalam air cukup sulit yang digunakan oleh Paul Doust untuk menggunakannya sebagai demo trik partai (Seperti dalam ledakan gelombang sinus gelombang kuadrat). ).

Saya akan menyarankan bahwa apa pun yang Anda lakukan, resistor daya sederhana (beberapa ohm atau lebih) secara seri dengan output amplifier akan menjadi ide yang baik untuk membantu fase fasa.

Ada ampli audio yang akan melakukan apa yang Anda inginkan, tetapi murah? Tidak begitu banyak, dan seperti yang saya katakan jembatan H adalah semua yang Anda butuhkan karena keterbatasan transduser (Pengecualian adalah beberapa nada dalam bandwidth yang tersedia di mana intermod dapat menjadi masalah).

Kelas D dengan GaN mungkin menjadi pilihan tetapi belum ada yang benar-benar memiliki produk.

Salam, Dan.