用正弦驱动 50W-250W 超声波换能器:任何 B 类 135KHz 单片功率放大器 IC?

电器工程 司机 压电 超声波 传感器 dds
2022-01-07 10:42:35

我的项目需要从一个正弦波(/锯齿波)扫描发生器驱动一个中等功率的超声波压电换能器,该扫描发生器扫描 +/- 2% 的换能器谐振频率。

问题:从 DDS 生成的整形信号中驱动这些传感器的最简单选择是什么,并且失真相当低(5-10%)?

  1. 使用具有大量散热片的更高电压轨的功率放大器 IC 来直接驱动换能器
  2. 使用功率放大器 IC,然后(?)晶体管电流放大级,然后使用适当的(需要帮助识别)升压变压器来驱动换能器
  3. 使用某种(需要帮助识别)不需要太多散热的 D 类高功率放大器 IC(编辑: 不是解决方案,请参阅注 7)。
  4. 完全是其他一些选择
  5. 编辑:根据以下建议确定满足参数和约束的现成 OEM 放大器模块。

更新: [2012 年 10 月 15 日] 上面的选项 5 似乎是最好的答案,如果可以指出一个或两个合适的 OEM 模块 - 到目前为止我的研究中没有发现。因此,问题悬而未决。


扫描波形生成是通过 DDS IC、AD9850,此处的数据表:AD9850 CMOS 125 MHz 完整 DDS 合成器

我可以使用的换能器之一:5938D-25LBPZT-4(超声波朗之万换能器

  • 谐振频率:25 KHz
  • 谐振阻抗:10-20 欧姆
  • 电容:5400 pf +/-10%
  • 输入功率:60W
  • 数据表:我希望我能找到一个!

换能器会因情况而异,从 20KHz 到 135KHz,每个都在 50-250 瓦的范围内,在设计上与上面的类似。

我看到的这些传感器的驱动器设计通常使用开关,即方波来驱动它们,MOSFET 驱动,在某些情况下 Vpp 100v!这些设备甚至需要那种电压吗? 编辑:显然如此)

一些驱动器使用调谐滤波器将波形整形为正弦或其近似值。

不幸的是,这对我的目的不起作用-该项目是一个单一设备,它将首先在 20-135KHz 的整个范围内检测连接的换能器的谐振频率,然后用第一个正弦波扫描每个谐振频率,(编辑:删除此要求是不可行的:然后是锯齿信号, ) 在指定的功率输出,通常是传感器额定功率的一半左右。

所以我正在寻找的是这个社区的智慧,它提出了一种合适的原型友好方法,将这些 DDS 波形传送到换能器。谢谢你们!


根据收到的评论和回复添加了一些注释:

  1. 波形精度不是很关键,5%的失真是可以接受的。放大器级的散热问题和功率浪费是更大的问题。成本是一个关键问题,至少在原型阶段之后是这样。
  2. 有人建议,适合要求的预建 OEM 放大器模块可能是我最好的选择。虽然这确实很有吸引力,但我仍然希望除了和检查我在问题中提出的选项之外还有其他选择,因此尚未将答案标记为已接受。
  3. 尚未在网上找到任何覆盖 20KHz 至 135KHz 频率范围的 OEM 模块,即使是 50 瓦输出也是如此。响应中建议的一个设计为 3.5KHz,其开关频率为 100KHz。(放弃了这个要求: 另外,我是否需要比这更高的带宽,才能以粗略的精度处理锯齿波?我可能不得不跳过锯齿要求,并将我的问题限制在正弦波上,如果锯齿或其他受访者认为以合理的成本提供任意波形是无法实现的。
  4. 建议的方法是带有反馈的 B 类。提到的警告是这个放大器级的高耗散。所以我的问题有两个附属物:
  5. 是否有可能覆盖所需频率范围(20KHz 至 135KHz,放弃锯齿波)和功率要求(最大 50 瓦)的单片 B 类放大器 IC?
  6. 在这样的 B 级阶段,预期的散热范围是多少,占传输到换能器的预期功率的百分比?
  7. 关于 D 类放大器,单片或 OEM:它们需要使用 800KHz 或更高数量级的开关频率,以支持具有合理 THD 的 100-135KHz 正弦波。对于 5% 的失真要求,开关频率必须更高。如此高开关频率的 D 类功率放大器似乎并不存在。
4个回答

试试Apex 制造的这些线性放大器它们专为超声应用而设计。

在此处输入图像描述

在许多超声波应用中,您确实需要使用超过 100V 的电位差来为介质提供足够的声功率。这是由于换能器在电气上存在的阻抗相当低。然而,预测实现设定声压所需的电压几乎是不可能的,因为传递函数非常重要。

许多超声应用并不十分关注激励波形。这就是为什么许多功率放大器级都是非常简单的推挽配置,提供方波输出。他们的优势有两个:

  1. 它们可以很容易地从低压信号发生电路中驱动,并且
  2. 它们在开关元件中消耗的功率非常少,这是一个常见的设计约束。(由于超声换能器的频带相当窄,能量耗散转移到电缆和换能器上。通常冷却换能器要容易得多。)

在信号波形很重要的情况下,我过去遇到的功率放大器级通常是带有负反馈的 B 类推挽配置,以避免高压轨馈送的交叉失真。在我看来,这将是您遇到的情况。注意:您的开关元件中会消耗不可忽略的功率。

我认为Piezo Systems EPA-104-115符合您的所有标准,除了低成本标准。它的价格为 2,639 美元。

AA Lab Systems A-301HS也可能适合您,而且价格可能与您发现的一样便宜我在 ebay 上看到了一个,售价 975 美元。

在我的搜索中搜索piezo driverpiezo linear amplifier没有找到更实惠的东西,但请随时仔细检查自己。

您可能还想阅读由实验室撰写的这篇论文,该实验室为他们的压电执行器构建了一个更便宜的驱动器。不幸的是,他们的驱动器在 1kHz 范围内,但他们最后提出了一些可能提高 kHz 的方法。另一方面,他们说他们不确定从哪里可以买到可以处理更高频率的部件,但它可能有助于理解是什么让更高频率变得困难,并且可以通过一定的毅力找到解决方案。

首先,是的,您需要大约 100V 峰值(70.7V RMS)的电压才能将 250W 驱动到 20Ω。

您可以购买覆盖您感兴趣的功率和频率范围的OEM功率放大器模块;这可能是让原型快速运行且设计风险低的最佳选择。它甚至可能也是生产的方式。请务必选择可以处理容性负载的单元。

这是一个例子。有趣的是,我发现现在的音频功率放大器模块几乎都是 D 类,带宽限制在 10s kHz。当我几年前最后一次看到这些时,它们是 AB 类,带宽为 100kHz。请务必在搜索词中包含“压电”或“超声波”。