Pilotage de transducteurs à ultrasons 50W-250W avec sinus: Des CI d'amplificateur de puissance monolithique de classe B à 135 kHz?

Mon projet doit piloter un transducteur piézoélectrique ultrasonique de puissance moyenne à partir d'un générateur de balayage à onde sinusoïdale ( / en dents de scie ) qui balaye +/- 2% de la fréquence de résonance du transducteur.

La question: Quelles sont mes options les plus simples pour piloter ces transducteurs à partir d'un signal formé généré par DDS, avec une distorsion raisonnablement faible (5-10%)?

1. Utilisez un CI d'amplificateur de puissance sur un rail à tension plus élevée, avec beaucoup de dissipation thermique, pour entraîner directement le transducteur
2. Utilisez un CI d'amplificateur de puissance, puis (?) Un étage d'amplification de courant de transistor, puis un transformateur élévateur approprié (besoin d'aide pour identifier) ​​pour piloter le transducteur
3. Utilisez une sorte de CI d'amplificateur haute puissance de classe D (besoin d'aide pour identifier) ​​qui ne nécessiterait pas beaucoup de dissipation thermique ( Edit: Pas une solution, voir la note 7 ).
4. Une autre option entièrement
5. Modifier: à partir de la suggestion ci-dessous Identifiez un module amplificateur OEM standard qui répond aux paramètres et aux contraintes.

MISE À JOUR: [15-Oct-2012] L'option 5 ci-dessus semble la meilleure réponse, si un ou deux modules OEM appropriés pouvaient être signalés - Aucun trouvé jusqu'à présent dans mes recherches. Par conséquent, laissant la question ouverte.

La génération de la forme d'onde de balayage se fait via un IC DDS, AD9850, fiche technique ici: AD9850 CMOS 125 MHz Synthétiseur DDS complet

L'un des transducteurs à ma disposition: 5938D-25LBPZT-4 ( transducteurs ultrasoniques Langevin )

• Fréquence de résonance: 25 KHz
• Impédance résonante: 10-20 Ohms
• Capacité: 5400 pf +/- 10%
• Puissance d'entrée: 60W
• Fiche technique: J'aimerais pouvoir en trouver un!

Le transducteur changerait de cas en cas, de 20KHz à 135KHz, chacun dans la gamme 50-250 watts, de conception similaire à celle ci-dessus.

Les conceptions de pilotes que j'ai vues pour ces transducteurs utilisent généralement la commutation, c'est-à-dire des ondes carrées pour les piloter, pilotées par MOSFET, avec Vpp 100v dans certains cas! ( Ces appareils ont-ils même besoin de ce type de tension? Edit: Evidemment donc)

Certains pilotes utilisent des filtres accordés pour donner à la forme d'onde un sinus ou une approximation de celui-ci.

Cela ne fonctionne pas pour moi, malheureusement - Le projet est un seul appareil qui détecterait d'abord les fréquences de résonance d'un transducteur connecté sur toute la plage de 20 à 135 kHz, puis balayerait chaque fréquence de résonance avec d'abord une onde sinusoïdale, ( Éditer: Supprimer cette exigence comme irréalisable: puis un signal en dents de scie, ) à une puissance de sortie spécifiée, généralement environ la moitié de la puissance nominale du transducteur.

Donc, ce que je recherche, c'est la sagesse de cette communauté en suggérant une approche adaptée au prototype pour transférer ces formes d'onde DDS au transducteur. Merci à tous!

Ajout de quelques notes basées sur les commentaires et réponses reçus:

1. La précision de la forme d'onde n'est pas super-critique, une distorsion de 5% est très acceptable. Les problèmes thermiques et le gaspillage de puissance par dissipation dans l'étage amplificateur sont des préoccupations plus importantes. Le coût est une préoccupation clé, au moins jusqu'à la fin du stade du prototype.
2. Il a été suggéré que les modules d'amplification OEM préconstruits qui répondent aux exigences pourraient être mon meilleur pari. Bien que cela fasse appel, j'espère toujours des alternatives en plus des options que j'ai proposées dans ma question et un examen de celles-ci, ce qui ne marque pas encore la réponse comme acceptée.
3. Pas encore trouvé de module OEM en ligne qui couvre une plage de fréquences de 20 kHz à 135 kHz, même pour une sortie de 50 watts. Celui suggéré dans une réponse est conçu pour 3,5 KHz, et sa fréquence de commutation est de 100 KHz. ( Supprimé cette exigence: en outre, ne serais-je pas obligé d'avoir une bande passante beaucoup plus élevée que cela, pour gérer une onde en dents de scie avec une précision encore superficielle? la livraison arbitraire de forme d'onde est considérée par les répondants comme inaccessible à un coût raisonnable. )
4. La nouvelle approche suggérée est une classe B avec rétroaction. La mise en garde mentionnée est une dissipation élevée à cet étage d'amplificateur. Donc, deux compléments à ma question:
5. Existe-t-il un circuit intégré d'amplificateur monolithique de classe B qui pourrait couvrir la plage de fréquences souhaitée (20 kHz à 135 kHz, abandonnant l'onde en dents de scie) et les besoins en énergie (50 watts max)?
6. Quelle est la plage de dissipation thermique attendue à un tel étage de classe B, en pourcentage de la puissance attendue du transducteur?
7. Nouveau sur les amplificateurs de classe D, monolithiques ou OEM: ils devraient utiliser des fréquences de commutation de l'ordre de 800KHz ou plus, pour supporter une onde sinusoïdale 100-135KHz avec un THD raisonnable. Pour une distorsion de 5%, la fréquence de commutation doit être encore plus élevée. De tels amplificateurs de puissance à fréquence de commutation élevée ne semblent pas exister.

Essayez ces amplificateurs linéaires fabriqués par Apex . Ils sont spécialement conçus pour les applications par ultrasons.

Dans de nombreuses applications à ultrasons, vous devrez vraiment travailler avec des différences de potentiel supérieures à 100 V pour fournir une puissance acoustique suffisante au milieu. Cela est dû à l'impédance assez faible que les transducteurs présentent électriquement. Il est cependant presque impossible de prévoir la tension dont vous avez besoin pour atteindre une pression acoustique définie, car les fonctions de transfert ne sont pas triviales.

De nombreuses applications à ultrasons ne sont pas très concernées par la forme d'onde d'excitation. C'est la raison pour laquelle de nombreux étages d'amplificateurs de puissance sont des configurations push-pull très simples donnant une sortie d'onde carrée. Leur avantage est double:

1. ils peuvent être facilement pilotés à partir de circuits de génération de signaux basse tension, et
2. ils dissipent très peu de puissance dans les éléments de commutation, ce qui est une contrainte de conception courante. (En raison du fait que les transducteurs à ultrasons sont à bande assez étroite, la dissipation d'énergie est décalée vers le câble et le transducteur. Souvent, le refroidissement du transducteur est beaucoup plus facile.)

Dans les situations où la forme d'onde du signal est importante, les étages d'amplificateur de puissance que j'ai rencontrés dans le passé étaient généralement des configurations push-pull de classe B avec rétroaction négative pour éviter la distorsion de croisement alimentée par les rails haute tension. Il me semble que ce serait la voie à suivre dans votre situation. Remarque: il y aura une puissance non négligeable dissipée dans vos éléments de commutation.

Je pense que le Piezo Systems EPA-104-115 correspond à tous vos critères à l'exception des critères de faible coût. Il en coûte 2 639 $.

Le AA Lab Systems A-301HS peut également convenir et est probablement aussi bon marché que vous le trouverez. J'en ai vu un sur ebay pour 975 $.

La recherche piezo driverou piezo linear amplifiern'a pas trouvé quelque chose de plus abordable dans ma recherche, mais n'hésitez pas à vérifier vous-même.

Vous pourriez également vouloir lire cet article écrit par un laboratoire qui a construit un pilote moins cher pour leurs actionneurs piézo. Malheureusement, leur pilote est dans la plage de 1 kHz, mais ils finissent par suggérer des méthodes qui pourraient augmenter le kHz. D'un autre côté, ils disent qu'ils ne savent pas où se procurer des pièces qui pourraient gérer des fréquences plus élevées, mais cela peut être une lecture utile pour comprendre ce qui rend les fréquences plus difficiles difficiles et pourrait conduire à une solution avec une certaine persévérance.

Tout d'abord, oui, vous aurez besoin de tensions de l'ordre de 100V crête (70,7V RMS) pour alimenter 250W en 20Ω.

Vous pouvez acheter des modules amplificateurs de puissance OEM qui couvrent la gamme de puissance et de fréquence qui vous intéresse; c'est probablement votre meilleur pari pour que le prototype fonctionne rapidement avec un faible risque de conception. C'est peut-être même la voie à suivre pour la production. Veillez à sélectionner une unité capable de gérer la charge capacitive.

Voici un exemple. Fait intéressant, je trouve que les modules amplificateurs de puissance audio sont de nos jours presque exclusivement de classe D, avec une bande passante limitée à 10 s de kHz. Quand j'ai regardé ces derniers il y a quelques années, ils étaient de classe AB et avaient des largeurs de bande de 100s de kHz. Assurez-vous d'inclure "piézo" ou "ultrasons" dans vos termes de recherche.

J'observerais qu'un transducteur piézo ou composite piézo standard a une bande passante de peut-être 20% environ (peut-être une octave avec un réseau de correspondance assez hardcore pour le réglage), il y a une raison pour laquelle tout le monde fait un lecteur carré, et c'est que les transducteurs n'ont tout simplement pas assez de bande passante pour reproduire autre chose qu'une onde sinusoïdale, peu importe la forme d'onde du lecteur, le transducteur la passera en bande sinusoïdale ....

De plus, même dans cette bande passante, le retard de groupe varie considérablement, au point que même mettre une impulsion multi-cycle raisonnablement carrée dans l'eau est suffisamment difficile pour que Paul Doust l'utilise comme démo de truc de fête (comme dans une rafale carrée d'ondes sinusoïdales) ).

Je dirais que quoi que vous fassiez, une résistance de puissance modeste (quelques ohms environ) en série avec la sortie de l'amplificateur serait une bonne idée pour aider à la marge de phase.

Il y a des amplis audio qui feront ce que vous voulez, mais pas cher? Pas tant que ça, et comme je l'ai dit, un pont H est tout ce dont vous avez vraiment besoin en raison des limitations du transducteur (L'exception concerne plusieurs tonalités dans la bande passante disponible où l'intermod peut être un problème).

La classe D avec GaN pourrait être une option, mais personne n'a encore vraiment de produit.

Cordialement, Dan.