Управление ультразвуковыми преобразователями мощностью 50 Вт - 250 Вт с синусоидой: есть ли монолитные ИС усилителя класса B класса B 135 кГц?

Мой проект должен приводить в действие ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь средней мощности от генератора с синусоидальной ( / пилообразной ) разверткой, который подметает +/- 2% от резонансной частоты преобразователя.

Вопрос: Каковы мои самые простые варианты для управления этими преобразователями из сформированного сигнала DDS с достаточно низким искажением (5-10%)?

1. Используйте микросхему усилителя мощности от высоковольтной шины, с большим количеством теплоотвода, чтобы напрямую управлять преобразователем
2. Используйте ИС усилителя мощности, затем (?) Ступень усиления тока транзистора, затем соответствующий (требуется помощь в определении) повышающий трансформатор для управления преобразователем.
3. Используйте какую-то (нужную помощь в идентификации) ИС усилителя высокой мощности класса D, которая не потребует большого количества тепла ( Правка: не решение, см. Примечание 7 ).
4. Какой-то другой вариант целиком
5. Изменить: Из предложенного ниже Определите готовый модуль усилителя OEM, который соответствует параметрам и ограничениям.

ОБНОВЛЕНИЕ: [15-окт-2012] Вариант 5, представленный выше, кажется наилучшим ответом, если можно указать один или два подходящих модуля OEM - пока что в моем исследовании не было найдено ни одного. Следовательно, оставляя вопрос открытым.

Генерация формы развертки осуществляется с помощью DDS IC, AD9850, спецификация здесь: AD9850 CMOS 125 MHz Complete DDS Synthesizer

Один из доступных мне преобразователей: 5938D-25LBPZT-4 ( Ультразвуковые преобразователи Ланжевена )

• Резонансная частота: 25 кГц
• Резонансное сопротивление: 10-20 Ом
• Емкость: 5400 пф +/- 10%
• Входная мощность: 60 Вт
• Лист данных: Я хотел бы найти один!

Преобразователь будет менять регистр на случай, от 20 кГц до 135 кГц, каждый в диапазоне 50-250 ватт, аналогично дизайну вышеописанного.

В конструкциях драйверов, которые я видел для этих преобразователей, обычно используется переключение, то есть прямоугольные волны, для их возбуждения, MOSFET, в некоторых случаях с Vpp 100v! ( Этим устройствам даже нужно такое напряжение? Редактировать: Очевидно, так)

Некоторые драйверы используют настроенные фильтры для придания синусоидальной формы сигнала или его приближения.

К сожалению, это не работает для моих целей. Проект представляет собой единое устройство, которое сначала обнаруживает резонансные частоты подключенного преобразователя во всем диапазоне 20–135 кГц, а затем охватывает каждую резонансную частоту первой синусоидальной волной ( Edit: Исключить это требование как невыполнимое: затем пилообразный сигнал, ) при указанной выходной мощности, обычно около половины номинальной мощности преобразователя.

Так что я ищу мудрость этого сообщества в предложении подходящего подходящего для прототипов подхода для передачи этих сигналов DDS на преобразователь. Спасибо вам всем!

Добавлены некоторые заметки на основе комментариев и полученных ответов:

1. Точность осциллограммы не сверхкритическая, искажение 5% очень приемлемо. Тепловые проблемы и потери энергии из-за рассеяния на ступени усилителя являются более серьезными проблемами. Стоимость является ключевой проблемой, по крайней мере, до окончания стадии прототипа.
2. Было высказано предположение, что лучше всего подойдет предварительно собранные модули усилителей OEM, которые соответствуют требованиям. Хотя это и привлекает, я все еще надеюсь на альтернативы в дополнение к вариантам, предложенным мною в моем вопросе, и их изучение, поэтому пока еще не отмечен принятый ответ.
3. Пока не найдено ни одного OEM-модуля, работающего в диапазоне частот от 20 кГц до 135 кГц, даже для выходной мощности 50 Вт. Тот, который предлагается в ответе, рассчитан на 3,5 кГц, а его частота переключения составляет 100 кГц. ( Отказалось от этого требования. Кроме того, разве мне не потребуется пропускная способность, намного превышающая эту, для обработки пилообразной волны даже с краткой точностью? Возможно, мне придется пропустить требование пилообразной нагрузки и ограничить мой вопрос синусоидальными волнами, если пилообразная или другая респонденты считают передачу произвольной формы сигнала недостижимой при разумных затратах. )
4. Новый предложенный подход - класс B с обратной связью. Предостережение, упомянутое о высоком рассеянии на этой стадии усилителя Итак, два дополнения к моему вопросу:
5. Существует ли монолитная ИС усилителя класса B, которая может охватывать требуемый диапазон частот (от 20 кГц до 135 кГц, отказ от пилообразной волны) и требования к мощности (макс. 50 Вт)?
6. Каков диапазон рассеяния тепла, ожидаемый на такой стадии класса B, в процентах от ожидаемой подачи мощности на преобразователь?
7. Новое об усилителях класса D, монолитных или OEM: им нужно будет использовать частоты переключения порядка 800 кГц или выше, чтобы поддерживать синусоидальную волну 100-135 кГц с приемлемым THD. Для требования искажения 5% частота переключения должна быть еще выше. Такие усилители мощности класса D с высокой частотой коммутации, по-видимому, не существуют.

Попробуйте эти линейные усилители производства Apex . Они разработаны специально для ультразвуковых аппликаций.

Во многих ультразвуковых приложениях вам действительно нужно работать с разностью потенциалов, превышающей 100 В, чтобы обеспечить достаточную акустическую мощность для среды. Это связано с довольно низким импедансом, который преобразователи имеют электрически. Прогнозировать, какое напряжение вам нужно для достижения заданного акустического давления, практически невозможно, поскольку передаточные функции нетривиальны.

Многие применения ультразвука не сильно связаны с формой волны возбуждения. По этой причине многие каскады усилителя мощности представляют собой очень простые двухтактные конфигурации, дающие прямоугольный выходной сигнал. Их преимущество в два раза:

1. они могут легко управляться от цепей генерации низковольтных сигналов, и
2. они рассеивают очень мало энергии в переключающих элементах, что является общим конструктивным ограничением. (Из-за того, что ультразвуковые преобразователи являются довольно узкополосными, рассеивание энергии смещается на кабель и преобразователь. Часто охлаждение преобразователя намного проще.)

В ситуациях, когда форма сигнала важна, каскады усилителя мощности, с которыми я сталкивался в прошлом, были, как правило, двухтактными конфигурациями класса B с отрицательной обратной связью, чтобы избежать перекрестного искажения, питаемого от высоковольтных рельсов. Мне кажется, что это был бы путь в вашей ситуации. Примечание: в ваших коммутационных элементах будет рассеянная мощность.

Я думаю, что Piezo Systems EPA-104-115 соответствует всем вашим критериям, за исключением критериев низкой стоимости. Это стоит $ 2639.

AA Lab Systems A-301HS может также соответствовать и, вероятно , так дешево , как вы найдете. Я видел один на Ebay за 975 долларов.

Ищите piezo driverили piezo linear amplifierне нашли ничего более доступного в моем поиске, но не стесняйтесь перепроверить себя.

Вы также можете прочитать эту статью, написанную лабораторией, которая создала менее дорогой драйвер для своих пьезоприводов. К сожалению, их драйвер находится в диапазоне 1 кГц, но они заканчивают, предлагая некоторые методы, которые могут повысить кГц. С другой стороны, они говорят, что не уверены, где взять детали, которые могли бы обрабатывать более высокие частоты, но может быть полезно прочитать, чтобы понять, что делает более высокие частоты трудными и может привести к решению с некоторой настойчивостью.

Прежде всего, да, вам потребуются напряжения порядка 100 В (70,7 В RMS), чтобы подвести 250 Вт к 20 Ом.

Вы можете приобрести OEM-модули усилителя мощности, которые охватывают интересующий вас диапазон мощности и частоты; это, вероятно, ваш лучший выбор с точки зрения обеспечения быстрой работы прототипа с низким риском проектирования. Это может быть даже путь к производству. Обязательно выберите устройство, способное справиться с емкостной нагрузкой.

Вот один пример. Интересно, что я считаю, что модули усилителей мощности звука в наши дни являются почти исключительно классом D, с полосой пропускания, ограниченной 10 с кГц. Когда я в последний раз смотрел на них несколько лет назад, они были класса AB и имели ширину полосы 100 кГц. Не забудьте включить «пьезо» или «ультразвуковой» в ваши условия поиска.

Я бы заметил, что стандартный пьезо или пьезокомпозитный преобразователь имеет полосу пропускания примерно 20% или около того (возможно, октаву с достаточно жесткой согласованной сетью для настройки), есть причина, по которой все используют прямоугольный привод, и это то, что преобразователи просто не хватает пропускной способности, чтобы воспроизвести что-либо, кроме синусоидальной волны, буквально не имеет значения, какой сигнал возбуждения преобразователь будет пропускать в синусоидальную волну ....

Кроме того, даже в пределах этой полосы частот групповая задержка варьируется в широких пределах, вплоть до того, что даже введение достаточно квадратного многоциклового импульса в воду достаточно сложно, чтобы Пол Дуст использовал его в качестве демонстрационного трюка для вечеринки (как в квадратном всплеске синусоидальных волн ).

Я бы предположил, что, что бы вы ни делали, скромный (несколько Ом или около того) силовой резистор, включенный последовательно с выходом усилителя, был бы хорошей идеей, чтобы помочь запасу по фазе.

Есть аудио усилители, что делать то, что вы хотите, но дешево? Не так много, и, как я сказал, мост H - это все, что вам действительно нужно из-за ограничений преобразователя (исключение составляет несколько тонов в пределах доступной полосы пропускания, где интермод может быть проблемой).

Класс D с GaN может быть вариантом, но на самом деле ни у кого еще нет продукта.

С уважением, Дэн.