Condução de transdutores ultrassônicos 50W-250W com seno: Qualquer IC de amplificador de potência monolítico de Classe B 135KHz?

Meu projeto precisa acionar um transdutor piezoelétrico ultrassônico de média potência a partir de um gerador de varredura de onda senoidal ( / dente de serra ) que varre +/- 2% da frequência ressonante do transdutor.

A pergunta: Quais são as minhas opções mais simples para direcionar esses transdutores a partir de um sinal em forma gerado por DDS, com distorção razoavelmente baixa (5-10%)?

1. Use um IC de amplificador de potência em um trilho de alta tensão, com muito dissipador de calor, para acionar diretamente o transdutor
2. Use um IC do amplificador de potência, depois (?) Um estágio de amplificação da corrente do transistor e, em seguida, um transformador de expansão apropriado (necessário de ajuda na identificação) para acionar o transdutor
3. Use algum tipo de IC de amplificador de alta potência classe D (necessário de ajuda para identificar) que não precisaria de muito dissipação de calor ( Editar: Não é uma solução, consulte a Nota 7 ).
4. Alguma outra opção inteiramente
5. Edit: From sugestão abaixo Identifique um módulo amplificador OEM pronto para uso que atenda aos parâmetros e restrições.

ATUALIZAÇÃO: [15-out-2012] A opção 5 acima parece ser a melhor resposta, se um ou dois módulos OEM adequados puderem ser apontados - Nenhum encontrado em minha pesquisa até agora. Portanto, deixando a pergunta em aberto.

A geração da forma de onda de varredura é feita através de um IC DDS, AD9850, folha de dados aqui: AD9850 CMOS 125 MHz Sintetizador DDS completo

Um dos transdutores disponíveis para mim: 5938D-25LBPZT-4 ( transdutores ultrassônicos Langevin )

• Frequência de ressonância: 25 KHz
• Impedância ressonante: 10-20 Ohms
• Capacitância: 5400 pf +/- 10%
• Potência de entrada: 60W
• Ficha técnica: Gostaria de encontrar um!

O transdutor mudaria caso a caso, de 20KHz para 135KHz, cada um na faixa de 50-250 watts, com design semelhante ao descrito acima.

Os projetos de driver que eu vi para esses transdutores geralmente usam comutação, ou seja, ondas quadradas para acioná-los, acionados por MOSFET, com Vpp 100v em alguns casos! ( Esses dispositivos ainda precisam desse tipo de voltagem? Edit: Evidentemente)

Alguns drivers usam filtros ajustados para moldar a forma de onda em um seno ou aproximação dela.

Infelizmente, isso não funciona para os meus propósitos - o projeto é um dispositivo único que primeiro detectava as frequências ressonantes de um transdutor conectado em toda a faixa de 20 a 135KHz e depois varria cada frequência ressonante com a primeira onda senoidal ( Edit: Removendo esse requisito como inviável: um sinal de dente de serra ) em uma potência especificada, geralmente em torno da metade da potência nominal do transdutor.

Então, o que eu estou procurando é a sabedoria dessa comunidade em sugerir uma abordagem adequada para protótipos para levar essas formas de onda DDS ao transdutor. Obrigado a todos!

Adicionadas algumas notas com base nos comentários e respostas recebidas:

1. A precisão da forma de onda não é super-crítica, distorção de 5% é muito aceitável. Problemas térmicos e desperdício de energia por dissipação no estágio do amplificador são preocupações maiores. O custo é uma preocupação importante, pelo menos até o estágio de protótipo.
2. Foi sugerido que os módulos amplificadores OEM pré-criados que atendem aos requisitos podem ser minha melhor aposta. Embora isso apele, ainda estou esperando por alternativas além das análises que eu propus na minha pergunta e, portanto, não marcando a resposta aceita ainda.
3. Ainda não foi encontrado nenhum módulo OEM on-line que cubra uma faixa de frequência de 20KHz a 135KHz, mesmo para uma saída de 50 watts. O sugerido em uma resposta foi desenvolvido para 3,5 KHz e sua frequência de comutação é de 100 KHz. ( Eliminou este requisito: além disso, eu não exigiria largura de banda muito superior a isso para lidar com uma onda de dente de serra com precisão ainda superficial? Talvez eu precise ignorar o requisito de dente de serra e restringir minha pergunta a ondas senoidais, se o dente de serra ou outro entrega arbitrária de forma de onda é vista pelos entrevistados como inatingível a um custo razoável. )
4. A nova abordagem sugerida é uma classe B com feedback. A advertência mencionada é alta dissipação neste estágio do amplificador. Então, dois adjuntos para a minha pergunta:
5. Existe um IC amplificador monolítico de Classe B que possa cobrir a faixa de frequência desejada (20 KHz a 135 KHz, desistindo da onda dente de serra) e os requisitos de energia (50 watts no máximo)?
6. Qual é o intervalo de dissipação de calor esperado em um estágio dessa classe B, como uma porcentagem da entrega de energia esperada ao transdutor?
7. Novidades sobre os amplificadores de classe D, monolíticos ou OEM: eles precisariam usar frequências de chaveamento da ordem de 800KHz ou superior, para suportar uma onda senoidal de 100-135KHz com THD razoável. Para um requisito de distorção de 5%, a frequência de comutação deve ser ainda maior. Esses amplificadores de potência Classe D de alta frequência de comutação parecem não existir.

Experimente estes amplificadores lineares fabricados pela Apex . Eles são projetados especificamente para aplicações de ultrassom.

Em muitas aplicações de ultrassom, você realmente precisará trabalhar com diferenças potenciais superiores a 100V para fornecer energia acústica suficiente ao meio. Isto é devido à impedância razoavelmente baixa que os transdutores apresentam eletricamente. Prever quanta tensão você precisa para atingir uma pressão acústica definida é quase impossível, pois as funções de transferência não são triviais.

Muitas aplicações de ultra-som não estão muito preocupadas com a forma de onda de excitação. Esta é a razão pela qual muitos estágios do amplificador de potência são configurações push-pull muito simples, fornecendo uma saída de onda quadrada. Sua vantagem é dupla:

1. eles podem ser acionados facilmente a partir de circuitos de geração de sinal de baixa tensão e
2. eles dissipam muito pouca energia nos elementos de comutação, o que é uma restrição de projeto comum. (Como os transdutores de ultrassom são de banda bastante estreita, a dissipação de energia é transferida para o cabo e o transdutor. Freqüentemente, o resfriamento do transdutor é muito mais fácil.)

Em situações em que a forma de onda do sinal é importante, os estágios do amplificador de potência que encontrei no passado eram geralmente configurações push-pull de classe B com feedback negativo para evitar distorção de cruzamento alimentada por trilhos de alta tensão. Parece-me que esse seria o caminho a seguir na sua situação. Nota: haverá energia não desprezível dissipada nos seus elementos de comutação.

Eu acho que o Piezo Systems EPA-104-115 se encaixa em todos os seus critérios, exceto nos critérios de baixo custo. Custa $ 2.639.

O AA Lab Systems A-301HS também pode ser adequado e provavelmente é tão barato quanto você encontrará. Eu vi um no ebay por US $ 975.

Procurando piezo driverou piezo linear amplifiernão encontrei algo mais acessível em minha pesquisa, mas fique à vontade para checar a si mesmo.

Você também pode ler este documento escrito por um laboratório que construiu um driver mais barato para seus atuadores piezo. Infelizmente, o driver deles está na faixa de 1kHz, mas eles terminam sugerindo alguns métodos que podem aumentar os kHz. Por outro lado, eles dizem que não têm certeza de onde conseguir peças que possam lidar com frequências mais altas, mas pode ser uma leitura útil para entender o que dificulta as frequências mais altas e pode levar a uma solução com alguma perseverança.

Antes de tudo, sim, você precisará de tensões na ordem do pico de 100V (70,7V RMS) para conduzir 250W em 20Ω.

Você pode adquirir módulos amplificadores de potência OEM que cobrem a faixa de potência e frequência em que está interessado; essa é provavelmente a sua melhor aposta em termos de operação rápida do protótipo com baixo risco de projeto. Pode até ser o caminho a seguir para a produção também. Certifique-se de selecionar uma unidade que possa lidar com a carga capacitiva.

Aqui está um exemplo. Curiosamente, acho que os módulos amplificadores de potência de áudio hoje em dia são quase exclusivamente de classe D, com a largura de banda limitada a 10s de kHz. Quando eu os examinei pela última vez, alguns anos atrás, eles eram de classe AB e tinham larguras de banda de 100s de kHz. Certifique-se de incluir "piezo" ou "ultrassônico" em seus termos de pesquisa.

Eu observaria que um transdutor piezo ou piezo compósito padrão tem uma largura de banda de talvez 20% mais ou menos (possivelmente uma oitava com uma rede de correspondência razoavelmente incondicional para o ajuste), há uma razão pela qual todo mundo faz acionamento por onda quadrada e os transdutores apenas não tem largura de banda suficiente para reproduzir outra coisa senão uma onda senoidal, literalmente não importa qual é a forma de onda da unidade, o transdutor passará a banda em uma onda senoidal ....

Além disso, mesmo dentro dessa largura de banda, o atraso do grupo varia amplamente, a ponto de até mesmo colocar um pulso multiciclo razoavelmente quadrado na água ser difícil o suficiente para que Paul Doust o usasse como uma demonstração de truque de festa (como em uma explosão quadrada de ondas senoidais) )

Eu sugeriria que, independentemente do que você faça, um modesto resistor de potência (com poucos ohms ou mais) em série com a saída do amplificador seria uma boa idéia para ajudar na margem da fase.

Existem amplificadores de áudio, o que fará o que você quer, mas barato? Não tanto, e como eu digo, uma ponte H é tudo o que você realmente precisa devido às limitações do transdutor (a exceção são vários tons na largura de banda disponível, onde a intermod pode ser um problema).

A classe D com GaN pode ser uma opção, mas ninguém realmente tem produto ainda.

Atenciosamente, Dan.