Conducción de transductores ultrasónicos de 50W-250W con seno: ¿Algún circuito integrado de amplificador de potencia monolítico Clase B de 135KHz?

Mi proyecto necesita manejar un transductor piezoeléctrico ultrasónico de potencia media desde un generador de barrido de onda sinusoidal ( / diente de sierra ) que barre +/- 2% de la frecuencia resonante del transductor.

La pregunta: ¿Cuáles son mis opciones más simples para conducir estos transductores desde una señal conformada generada por DDS, con una distorsión razonablemente baja (5-10%)?

1. Use un amplificador de potencia IC de un riel de mayor voltaje, con mucho disipador de calor, para conducir directamente el transductor
2. Use un amplificador de potencia IC, luego (?) Una etapa de amplificación de corriente del transistor, luego un transformador elevador apropiado (necesita ayuda para identificarlo) para conducir el transductor
3. Utilice algún tipo de (necesita ayuda para identificar) amplificador de clase D de alta potencia IC que no necesitaría mucho disipador de calor ( Edición: no es una solución, vea la Nota 7 ).
4. Alguna otra opción por completo
5. Editar: de la sugerencia a continuación Identifique un módulo amplificador OEM listo para usar que cumpla con los parámetros y restricciones.

ACTUALIZAR: [15-Oct-2012] La opción 5 anterior parece la mejor respuesta, si se puede señalar un módulo OEM adecuado o dos: ninguno se ha encontrado en mi investigación hasta ahora. Por lo tanto, deja la pregunta abierta.

La generación de la forma de onda de barrido es a través de un DDS IC, AD9850, Hoja de datos aquí: AD9850 CMOS 125 MHz Sintetizador DDS completo

Uno de los transductores disponibles para mí: 5938D-25LBPZT-4 ( Transductores ultrasónicos de Langevin )

• Frecuencia resonante: 25 KHz
• Impedancia resonante: 10-20 ohmios
• Capacitancia: 5400 pf +/- 10%
• Potencia de entrada: 60 W
• Hoja de datos: ¡Ojalá pudiera encontrar uno!

El transductor cambiaría caso por caso, de 20KHz a 135KHz, cada uno en el rango de 50-250 vatios, similar en diseño al anterior.

Los diseños de controladores que he visto para estos transductores generalmente usan conmutación, es decir, ondas cuadradas para conducirlos, impulsados ​​por MOSFET, ¡con Vpp 100v en algunos casos! ( ¿Estos dispositivos incluso necesitan ese tipo de voltaje? Editar: evidentemente)

Algunos controladores usan filtros sintonizados para dar forma a la forma de onda a un seno o una aproximación de la misma.

Desafortunadamente, esto no funciona para mis propósitos: el proyecto es un solo dispositivo que primero detectaría las frecuencias resonantes de un transductor conectado en todo el rango de 20-135 kHz, luego barrería cada frecuencia resonante con primero una onda sinusoidal ( Editar: Eliminar este requisito como inviable: luego una señal de diente de sierra, ) a una potencia de salida especificada, generalmente alrededor de la mitad de la potencia nominal del transductor.

Entonces, lo que estoy buscando es la sabiduría de esta comunidad al sugerir un enfoque adecuado para prototipos adecuados para llevar esas formas de onda DDS al transductor. ¡Gracias a todos!

Se agregaron algunas notas basadas en comentarios y respuestas recibidas:

1. La precisión de la forma de onda no es súper crítica, la distorsión del 5% es muy aceptable. Los problemas térmicos y el desperdicio de energía a través de la disipación en la etapa del amplificador son preocupaciones mayores. El costo es una preocupación clave, al menos hasta más allá de la etapa de prototipo.
2. Se ha sugerido que los módulos de amplificadores OEM preconstruidos que se ajusten a los requisitos podrían ser mi mejor opción. Si bien eso es atractivo, todavía espero alternativas además de un examen de las opciones que he propuesto en mi pregunta, por lo tanto, aún no marqué la respuesta aceptada.
3. Todavía no se ha encontrado ningún módulo OEM en línea que cubra un rango de frecuencia de 20KHz a 135KHz, incluso para una salida de 50 vatios. El que se sugiere en una respuesta está diseñado para 3.5KHz, y su frecuencia de conmutación es de 100KHz. (Se eliminó este requisito: Además, ¿no requeriría un ancho de banda mucho más alto que eso para manejar una onda de diente de sierra con una precisión incluso superficial? Los encuestados consideran que la entrega de formas de onda arbitrarias es inalcanzable a un costo razonable. )
4. Nuevo enfoque sugerido es una clase B con comentarios. La advertencia mencionada es una alta disipación en esta etapa del amplificador. Entonces dos adjuntos a mi pregunta:
5. ¿Existe un CI amplificador monolítico de Clase B que pueda cubrir el rango de frecuencia deseado (20KHz a 135KHz, renunciando a la onda de diente de sierra) y los requisitos de potencia (50 vatios máximo)?
6. ¿Cuál es el rango de disipación de calor esperado en una etapa de clase B como porcentaje del suministro de energía esperado al transductor?
7. Novedades sobre los amplificadores de clase D, monolíticos u OEM: tendrían que usar frecuencias de conmutación del orden de 800 KHz o más, para admitir una onda sinusoidal de 100-135 KHz con THD razonable. Para un requisito de distorsión del 5%, la frecuencia de conmutación debe ser aún mayor. Tales amplificadores de potencia de clase D de alta frecuencia de conmutación no parecen existir.

Pruebe estos amplificadores lineales hechos por Apex . Están diseñados específicamente para aplicaciones de ultrasonido.

En muchas aplicaciones de ultrasonidos, realmente necesitará trabajar con diferencias potenciales de más de 100 V para entregar suficiente potencia acústica al medio. Esto se debe a la impedancia bastante baja que los transductores presentan eléctricamente. Sin embargo, predecir cuánto voltaje necesitará para lograr una presión acústica establecida es casi imposible ya que las funciones de transferencia no son triviales.

Muchas aplicaciones de ultrasonido no están muy preocupadas por la forma de onda de excitación. Esta es la razón por la cual muchas etapas del amplificador de potencia son configuraciones push-pull muy simples que dan una salida de onda cuadrada. Su ventaja es doble:

1. pueden ser conducidos fácilmente desde circuitos de generación de señal de bajo voltaje
2. disipan muy poca potencia en los elementos de conmutación, lo cual es una restricción de diseño común. (Debido al hecho de que los transductores de ultrasonido son de banda bastante estrecha, la disipación de energía se desplaza hacia el cable y el transductor. A menudo, enfriar el transductor es mucho más fácil).

En situaciones en las que la forma de onda de la señal es importante, las etapas del amplificador de potencia que encontré en el pasado generalmente eran configuraciones de empuje y extracción de clase B con retroalimentación negativa para evitar la distorsión cruzada alimentada por rieles de alto voltaje. Me parece que este sería el camino a seguir en su situación. Nota: habrá una potencia no despreciable disipada en sus elementos de conmutación.

Creo que los sistemas piezoeléctricos EPA-104-115 ajusta a todos sus criterios, excepto a los criterios de bajo costo. Cuesta $ 2,639.

Los sistemas de laboratorio AA A-301HS también puede encajar y es probablemente tan barato como encontrará. Vi uno en eBay por $ 975.

Buscando piezo driveropiezo linear amplifier no encontré nada más asequible en mi búsqueda, pero no dudes en comprobarlo tú mismo.

También es posible que desee leer este documento escrito por un laboratorio que construyó un controlador menos costoso para sus actuadores piezoeléctricos. Desafortunadamente, su controlador está en el rango de 1 kHz, pero terminan sugiriendo algunos métodos que pueden aumentar los kHz. Por otro lado, dicen que no están seguros de dónde obtener partes que puedan manejar frecuencias más altas, pero puede ser una lectura útil para comprender qué dificulta las frecuencias más altas y podría conducir a una solución con cierta perseverancia.

En primer lugar, sí, necesitará voltajes del orden de 100 V pico (70.7 V RMS) para conducir 250 W a 20 Ω.

Puede comprar módulos de amplificador de potencia OEM que cubren el rango de potencia y frecuencia que le interesa; Esta es probablemente su mejor opción en términos de hacer que el prototipo funcione rápidamente con bajo riesgo de diseño. Incluso puede ser el camino a seguir para la producción, también. Asegúrese de seleccionar una unidad que pueda manejar la carga capacitiva.

Aquí hay un ejemplo. Curiosamente, encuentro que los módulos de amplificador de potencia de audio en estos días son casi exclusivamente de clase D, con un ancho de banda limitado a 10s de kHz. La última vez que los vi hace unos años, eran de clase AB y tenían anchos de banda de 100s de kHz. Asegúrese de incluir "piezo" o "ultrasónico" en sus términos de búsqueda.

Observaría que un transductor piezoeléctrico o compuesto piezoeléctrico estándar tiene un ancho de banda de aproximadamente 20% más o menos (posiblemente una octava con una red de emparejamiento bastante fuerte para la sintonización), hay una razón por la que todos manejan la onda cuadrada, y es que los transductores simplemente no tiene suficiente ancho de banda para reproducir otra cosa que no sea una onda sinusoidal, literalmente no importa cuál sea la forma de onda de la unidad, el transductor lo pasará a una onda sinusoidal ...

Además, incluso dentro de ese ancho de banda, el retraso del grupo varía ampliamente, hasta el punto de que incluso poner un pulso de ciclo múltiple razonablemente cuadrado en el agua es lo suficientemente difícil como para que Paul Doust lo usara como una demostración de truco de fiesta (como en una explosión cuadrada de ondas sinusoidales )

Sugeriría que haga lo que haga, una resistencia de potencia modesta (unos pocos ohmios más o menos) en serie con la salida del amplificador sería una buena idea para ayudar al margen de fase.

Hay amplificadores de audio que harán lo que quieras, pero baratos. No tanto, y como digo, un puente H es todo lo que realmente necesita debido a las limitaciones del transductor (la excepción son los tonos múltiples dentro del ancho de banda disponible donde intermod puede ser un problema).

La clase D con GaN podría ser una opción, pero todavía nadie tiene un producto.

Saludos, Dan.