Ultrasonic Transducers

Anwendung:
Ultrasonic
Transducers
Ratschläge
A1
Ratschläge für die Konstruktion von
Anpassungssystemen für Piezo-Elemente
Wir beschreiben hier eine vereinfachte Methode für
die Anpassung eines Piezogerätes an eine Stromquelle.
Der optimal angepasste Stromkreis führt zu einem
Maximum an übertragener Energie und dadurch zu
stärkeren Echos.
Unter normalen Umständen ist es ganz einfach,
einem Piezogerät, also z.B. einem Transducer für einen
Entfernungsmesser Strom zuzuführen. Wird dies im
Prinzip beherrscht, dann lassen sich auch besondere
Umstände ganz einfach berücksichtigen.
Wie die meisten reaktiven Lasten kann ein Piezogerät
durch einen Serienwiderstand und einen Kondensator
dargestellt werden. Die Werte dieser beiden Elemente
verändern sich je nach der Frequenz.
Mittels der klassischen Umformung lassen sich die
Serienwerte auf eine genaue Äquivalenz von parallelem
Widerstand und Kondensator umwandeln. Leider
variieren aber die Werte dieser Komponenten ebenfalls
je nach Frequenz. (siehe Transducerimpedanz).
Als Lösung hinsichtlich dieser Variationen in der
Betriebsfrequenz des Transducers bietet es sich an,
die Werte der gewünschten Frequenz anzuwenden.
Im Falle eines Echolotes ist dies die “optimale
Echofrequenz”. Bei genau dieser Frequenz lassen
sich die Widerstands- und Kapazitanzwerte des
Piezogerätes entweder durch Messung oder vom
Hersteller des Gerätes in Erfahrung bringen.
Die einfachste Anpassungsmethode besteht aus der
Verwendung eines Induktors zum Abstellen der
Reaktanz der Parallelkapazitanz, so dass sich eine reine
Widerstandslast ergibt, die dem Parallelwiderstand fast
identisch ist. Ist der so erhaltene Belastungswiderstand
zu hoch, um der //driving source = Antriebsquelle?//
direkt zu entsprechen, dann kann der Induktor auch
als abgestimmter Transformator eingesetzt werden,
um einen niedrigere und geeignetere Antriebsschwelle
herzustellen.
Das Verfahren folgt nun den klassischen
Anpassungsmethoden für RF. Zunächst muss das
Q (Gütefaktor) der Induktionslast geeignet sein
(wobei 5 bis 7 als geeignet gilt).
Ist das Q zu niedrig, legen Sie bitte einen
Kondensator über die Last und reduzieren Sie “L”,
bis die Last wieder resistiv ist.
Eine Windung für Niedrigimpedanz kann nun zur
Anpassung an die Antriebsquelle hinzugefügt werden.
Das Umdrehungsverhältnis ist gleich der Quadratwurzel
des Impedanzverhältnisses. Die Höhe des
Umdrehungsverhältnisses ist allerdings begrenzt. Bei
dem handelsüblichen gewickelten Universal-Induktor
mit Ferritstutzen zur Justierung und Ferritgehäuse liegt
das maximal erzielbare Verhältnis ungefähr bei 22:1.
Höhere Verhältnisse sind dann möglich, wenn ringförmige
Induktoren verwendet werden, und zwar weil ringförmige
Typen eine engere Kopplung gestatten als andere.
Topfspulen liegen zwischen den ringförmigen und den
durch Stutzen regulierbaren Spulen bezüglich ihrer
Kopplungseigenschaften.
durch Stutzen
regulierbar
Topfspule
ringförmig
Die obigen Bemerkungen zum Thema Anpassung
gehen davon aus, dass die Spule verlustlos ist – zumindest
im Vergleich zu dem Rp der gewünschten TransducerLast. Das ist jedoch oft nicht der Fall.
Churchilllaan 101, 5705 BK Helmond, Holland
Tel +31 (0)492-509 999 ■ Fax +31 (0)492-509 988
Web: www.vic.nl ■ e-mail: [email protected]
Web: www.airmar.com
Anwendung:
Ultrasonic
Transducers
Ratschläge
A2
Ob man ein Problem hat, lässt sich wie folgt ermitteln:
Eine Musterspule mit der berechneten Impedanz ist
dazu erforderlich. Ist die HP4800 verfügbar, dann kan
man das Rp der Spule so messen, dass die berechnete
Gesamtkapazität über die Spule gelegt und die
Frequenz auf den Nullphasenwinkel eingestellt wird.
Das Gerät zeigt das Rp direkt an. Ist kein HP4800
erhältlich, dann können die gleichen Ergebnisse mittels
einer anderen Methode erzielt werden.
Oszilloskop
Frequenzzähler
Signalgenerator
Voltmeter
Stellen Sie die Frequenzen fest, bei denen die
Reaktion des abgestimmten Stromkreises um 3dB
niedriger ist als bei der Höchstreaktion.
niedrigere -3dB-Frequenz
höhere -3dB-Frequenz
-Sobald die Spule konstruiert und angebracht ist,
kann man ihre Wirksamkeit dadurch überprüfen, dass
man die äquivalente Parallelkapazitanz des
Piezogerätes über den Induktor legt.
Es werden nun verschiedene Widerstände über den
Induktor gelegt, und der Stromverlust wird daraufhin
berechnet. Am Wert des Parallelwiderstandes des
Piezogerätes sollte die Spitze breit sein. Erfolgt die
Stromspitze nicht bei dem Wert des
Parallelwiderstandes , welchen das Piezogerät bei der
gewünschten Frequenz aufweist, dann sind kleine
Nachregulierungen des Umdrehungsverhältnisses bzw.
des Q erforderlich.
Das Rp der Spule sollte jetzt als parallel zum Rp des
Transducers liegend gelten.
Spule
Transducer
Diese Anpassungsmethode hat folgende Vorteile:
■ ein Minimum an Komponenten bedeutet ein
Minimum an Kosten;
■ die höchste Impedanz im Anschlusskabel und folglich
den geringsten Verlust an l_R;
Die Spuleninduktanz und –resonanzkapazität muss
nun neu berechnet werden, und zwar anhand des
niedrigeren Lastwiderstandes, der durch die
Parallelkombination des Rp von Spule und Transducer
entstanden ist.
Außerdem muss die Teilung der verfügbaren
Ausgangsstromleistung [output power] in Betracht
gezogen werden. Sind die beiden Rp gleich, dann steht
nur die Hälfte des verfügbaren Stromes dem Transducer
zur Verfügung, wenn er in das Übertragungsmedium
getaucht wird. Es ist deshalb wünschenswert, ein
möglichst hohes Rp der Spule im Vergleich zu dem Rp
des Transducers zu erzielen.
■ muss das Kabel verlängert werden, dann genügt die
einfache Trennung der festgelegten Kapazität.
Eine weitere in Betracht kommende Möglichkeit ist, die
Serienäquivalenzwerte des Piezogerätes anzuwenden.
Dazu wird ein Induktor, dessen Reaktanz gleich der
Reaktanz der äquivalenten Serienkapazitanz ist, in
Serie mit dem Piezogerät geschaltet. Bei dieser
Methode wird der Wert des Serienwiderstands der
//Antriebsquelle// präsentiert. Der Nachteil ist jedoch,
daß ein zweiter Induktor erforderlich ist, da in der
Regel der Serienwiderstand immer noch höher liegt als
die erforderliche Verbraucherimpedanz von
Halbleiterstromquellen. Außerdem muss der die Last
Churchilllaan 101, 5705 BK Helmond, Holland
Tel +31 (0)492-509 999 ■ Fax +31 (0)492-509 988
Web: www.vic.nl ■ e-mail: [email protected]
Web: www.airmar.com
Anwendung:
Ultrasonic
Transducers
Ratschläge
A3
durchlaufende Strom durch den effektiven
Serienwiderstand dieses (Serien-)Induktors gehen,
wodurch weitere l_R-Verluste und dadurch
Nettoverluste der normalerweise der Last zugeführten
Energie entstehen.
Folglich muss die hinzugefügte Kapazität so lauten:
9204 – 2483 = 6721pf
Die erforderliche Primärimpedanz wird als 3,6 Ohm
berechnet, um dem Antriebstransistor angepasst zu
sein.
Beispiel:
Nehmen wir an, dass ein Transducer angepasst werden
soll, dessen “optimale Echofrequenz” bei 196,0kHz
liegt, wobei das R und X in Serie bei dieser Frequenz
den Messwert von 151 – j239 (C = 3400pf) ergeben.
Dieser Wert ist niedrig genug für die Verwendung
einer durch Stutzen regulierbaren Spule. Erfordert eine
71,6mHy-Spule 55 Umdrehungen, dann sind für die
Primärseite 4,5 Umdrehungen erforderlich.
Die Primärseite ist so fest wie möglich über die
Sekundärseite zu winden, damit die optimale Kopplung
erzielt wird. Der Anfang der Sekundärspule muss als
der Anfang der hohen Impedanz verwendet werden.
Stromzufuhr an das Piezogerät:
Da bei Resonanz XC = XL, der Induktor eine Reaktanz
von 334,4 Ohm aufweist, berechnen Sie nun das Q
dieser Situation:
Da dieser Wert zu niedrig ist, muss die Kapazitanz
erhöht werden. Wir wollen nun mit einem belasteten
Q vom Wert 6 rechnen.
Ist der Parallelwiderstand bekannt, so ist die
Stromberechnung ganz einfach:
E ist der effektive Mittelwert der Spannung
R ist der Parallelwiderstand des Piezogerätes
Natürlich wird die Spannung über der Last
wahrscheinlich mit Hilfe eines Oszilloskops gemessen
und als Spitze-Spitze-Spannung abgelesen. Sie muß
daher zur Erzielung der RMS-Spannung durch 2,83
geteilt werden.
Wird bei der Berechnung kein Parallelwiderstand
eingesetzt, dann kann Serienwiderstand angewendet
werden. Die Berechnung wird dann allerdings etwas
umständlicher:
1. Impedanz
C hat nun den Gesamtwert von
2.
E ist die RMS-Spannung über der Last, wie
oben bereits gezeigt
3.
Churchilllaan 101, 5705 BK Helmond, Holland
Tel +31 (0)492-509 999 ■ Fax +31 (0)492-509 988
Web: www.vic.nl ■ e-mail: [email protected]
Web: www.airmar.com
Anwendung:
Ultrasonic
Transducers
Ratschläge
A4
4. Diese drei Gleichungen werden zu einer Gleichung
zusammengefügt:
Hinweise für Systemanpassung bei
Empfangsbetrieb
Ist die Anpassung im Hinblick auf die Sendefunktion
erfolgt, dann erhebt sich die Frage: Was ist beim
Empfang zu bedenken? Ist die Eingangsimpedanz am
Empfangsende wesentlich höher, dann kann sie direkt
zu dem eingestellten Stromkreis gepasst werden, der
bei Senden der Anpassung dient.
Ist die Eingangsimpedanz bei Empfang nicht groß
oder gar gering, dann sind andere Methoden erforderlich,
um die maximale Leistung, deren das Piezogerät fähig
ist, zu erzielen. Außerdem ist dafür zu sorgen, dass die
Sendespannung daran gehindert wird, das/die
Eingabegerät(e) des Empfängers zu beschädigen.
Wenn die Kopplung des Transformators hoch ist,
kann ein niedrigeres Q unter Umständen zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen. Reduzieren Sie die
hinzugefügte Kapazität Schritt um Schritt und steigern
Sie dabei die Induktanz der Sekundärseite schrittweise,
um die Resonanz zu erhalten. Halten Sie die
Primärinduktanz konstant. Im äußersten Fall kann man
sich darauf beschränken, lediglich die Kapazität des
Transducers mitschwingen zu lassen, ohne externe
Kapazitanz hinzuzufügen. Daraus ergeben sich höhere
Umdrehungsverhältnisse, und wenn die Kopplung eng
genug ist, dann auch höhere Ausgangsspannung
(Energie).
Bitte beachten Sie aber, dass die Gleichung bei QWerten von 7 oder niedriger nicht mehr gilt. Ratschläge
für Berechnungsmethoden bei derart niedrigen QAnpassungssystemen werden noch ausgearbeitet. Bis
sie vorliegen, raten wir Ihnen, sehr vorsichtig und
Schritt um Schritt diese Anpassungssysteme auf dem
empirischen Wege zu erarbeiten.
Churchilllaan 101, 5705 BK Helmond, Holland
Tel +31 (0)492-509 999 ■ Fax +31 (0)492-509 988
Web: www.vic.nl ■ e-mail: [email protected]
Web: www.airmar.com