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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Piezoverstärker für Audioanwendungen - Ideensuche


Autor: Jens M. (jensen)
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Hallo,

ich möchte einen Hochspannungverstärker für kapazitive Lasten 
(Piezo-Folien für Audio-Anwendungen) mit folgenden Anforderungen 
entwickeln:

- Eingangsspannung bis 1Vrms
- Verstärkungsfaktor bis 200 (z.B. 10,50,100,200), also bis zu ca. 
565Vpp
- bidirektionaler Ausgang
- optionaler DC-Offset am Ausgang (bis +300V)
- Bandbreite DC bis 200KHz (abhängig von kapazitiver Last)
- in erster Version Leistungsbegrenzung auf 20 W, damit ergibt sich aus 
I=2*pi*f*C*U z.B. eine fmax von ca. 30Khz bei 2nF als kapazitive Last
- möglichst linearer Frequenzgang für verschiedenen Kapazitäten (z.B. 
300pF-20nF) über die gesamte Bandbreite (bis zur Leistungsgrenze)
- ... und natürlich möglichst kostengünstig und kleine Bauform ;-)

Bei Recherchen in gängigen Suchmaschinen bin ich auf einige Geräte 
gestoßen (Stichwort "Piezo Amplifier"), die schonmal in die richtige 
Richtung gehen.
Ich konnte aber keinen Ansatz finden, wie die Treiberstufen aufgebaut 
sind.

Eine erste inzwischen verworfene Idee war ein Class D Audioverstärker 
mit nachgeschaltetem Übertrager, um erstmal auf die hohen Spannungen zu 
kommen. Leider sieht der Frequenzgang dabei wegen Resonanzen aus 
Übertragerwicklung und kapazitiver Last alles andere als gut aus.

Eine andere Idee ist, einen Verstärker aus OP-Amps aufzubauen, und die 
hohe Ausgangsamplituden durch "Bootstrapping" zu erreichen (Beispiel im 
Anhang).
Auch wenn es in der Simulation im Ansatz grundsätzlich funzt, gibt es in 
der Praxis keine Bauteile (z.B. PNP-Leistungstransistor).

Wie sind denn solche Piezo-Treiberstufen aufgebaut? Eine Idee vielleicht 
mit Beispielschaltung wäre gut.

Um die hohe Versorgungsspannung von ca. +/- 300V bei >20W zu erzeugen 
habe ich einen Sperrwandler vorgesehen, der allerdings bei hohen 
Leistungen relativ platzraubend ist (im Testaufbau Europaplatine), gibt 
es da vielleicht elegantere Lösungen?

Vielen Dank schonmal,

Jensen

Autor: Sebastian M. (compressed)
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darf ich aus Interesse fragen, was das für Piezofolien sind? und was du 
da tolles mit machen möchtest?

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Schau mal hier. Das ist DIE Firma für Hochvolt-Opamps.
http://www.cirrus.com/en/products/apex/index.html

Autor: Jens M. (jensen)
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Helmut S. schrieb:
> Schau mal hier. Das ist DIE Firma für Hochvolt-Opamps.
> http://www.cirrus.com/en/products/apex/index.html

Vielen Dank für den Tipp. Das sieht auf den ersten Blick sehr 
vielversprechend aus.
Für meine Anwendung kommt z.B. der PA78 in Brückenschaltung in Frage, um 
auf die hohen Spannungen zu kommen. Das sind bei einem Stückpreis von 
36€ bei digikey schonmal 72€ + Kleinzeug drumherum.
Wahrscheinlich wäre ein dikreter Aufbau in der Serie kostengünstiger!?

Autor: Jens M. (jensen)
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Sebastian Möller schrieb:
> darf ich aus Interesse fragen, was das für Piezofolien sind? und was du
> da tolles mit machen möchtest?

Die Piezofolien sind noch in der Entwicklung (nicht meine Baustelle). 
Damit sollen später vereinfacht gesagt Lautsprecherarrays realisiert 
werden. Mehr kann ich dazu leider nicht sagen.

Autor: Etrick (Gast)
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Pioneer HPM Prinzip?
Mittlerweile etwa 30 Jahre her, dass auch HPM Mitteltonlautsprecher 
vorgestellt wurden, Patent könnte also abgelaufen sein ;)

Autor: Klaus2 (Gast)
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...gabs sowas nicht neulich beim Aldi, sog "NXP Lautsprecher"? 
Folienbasiert, ultraflach und erstunlich guter Klang. Für iPod & Co., 
12.99

Klaus.

Autor: Jens M. (jensen)
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Etrick schrieb:
> Pioneer HPM Prinzip?
> Mittlerweile etwa 30 Jahre her, dass auch HPM Mitteltonlautsprecher
> vorgestellt wurden, Patent könnte also abgelaufen sein ;)

Anstatt Vermutungen basierend auf Halbwissen zu posten wäre doch ein 
fachlicher Beitrag zu meiner Frage sinnvoller.

Autor: Jens M. (jensen)
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Klaus2 schrieb:
> ...gabs sowas nicht neulich beim Aldi, sog "NXP Lautsprecher"?
> Folienbasiert, ultraflach und erstunlich guter Klang. Für iPod & Co.,
> 12.99
>
> Klaus.

passt auch nicht zu meiner Frage

Autor: Klaus Wachtler (mfgkw)
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Was erwartest du, wenn du nur halbes Zeug erzählst?

Autor: Jens M. (jensen)
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Klaus Wachtler schrieb:
> Was erwartest du, wenn du nur halbes Zeug erzählst?

Die eletrischen Parameter habe ich doch ziemlich detailliert 
beschrieben, oder was fehlt denn für einen Lösungsansatz?

Ich möchte einfach ein Piezoelement ansteuern und benötige dafür eben 
die beschriebene Spannung, Frequenz und Leistung. Die Anwendung ist doch 
erstmal nebensächlich.

Autor: Elektrostatikmann (Gast)
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Jens M. schrieb:
> Anstatt Vermutungen basierend auf Halbwissen zu posten wäre doch ein
> fachlicher Beitrag zu meiner Frage sinnvoller.

Jens M. schrieb:
> passt auch nicht zu meiner Frage

Man nennt so etwas auch "Kommunikation".

Jens M. schrieb:
> Die eletrischen Parameter habe ich doch ziemlich detailliert
> beschrieben, oder was fehlt denn für einen Lösungsansatz?

Aufgrund des Halbwissens, welches Du anderen unterstellst, kann man
an dieser Stelle wohl getrost zurückschießen...

49.95% Prozent der Leute benutzen dafür Röhren. Sieht hübsch aus
       und hat zudem den gewissen "High-End" Charakter.
49.95% Prozent der Verbleibenden benutzen Übertrager, mit sekundärseitig
       eingespeister Hochspannung. Funktionell, billig, gut.
 0.1%  Prozent posten in Foren und wählen schon Bauteile für
       fiktive Schaltungen aus, ohne (Achtung, böse Unterstellung ;-)
       sich offensichtlich auch nur annähernd mit der Materie
       vertraut gemacht zu haben.

Letzteres ist ja nicht schlimm. Man kann jeden Tag beliebig viele,
neue Sachen kennenlernen. Dann sollte man aber die Füße ein
bißchen stiller halten ;-)
Wenn ich mir zu Hause einen Fusionsreaktor bauen will, fange ich
nicht an in Foren nach Hochfrequenzheizungen zu fragen.

Bei Lösung Nr.2 kannst Du zudem jeden beliebigen Audioverstärker,
mit ein paar Handgriffen, umbauen, um Erfahrungen zu sammeln...

Autor: Jens M. (jensen)
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Auch auf die Wahrscheinlichkeit, dass ich wieder frei interpretiert 
werde eine kurze Antwort.

Elektrostatikmann schrieb:
> Jens M. schrieb:
>> Anstatt Vermutungen basierend auf Halbwissen zu posten wäre doch ein
>> fachlicher Beitrag zu meiner Frage sinnvoller.
>
> Jens M. schrieb:
>> passt auch nicht zu meiner Frage
>
> Man nennt so etwas auch "Kommunikation".
Ja, Kommunikation, die nicht zielführend ist.

> Jens M. schrieb:
>> Die eletrischen Parameter habe ich doch ziemlich detailliert
>> beschrieben, oder was fehlt denn für einen Lösungsansatz?
>
> Aufgrund des Halbwissens, welches Du anderen unterstellst, kann man
> an dieser Stelle wohl getrost zurückschießen...
Das Halbwissen bezog sich lediglich auf die Vermutung, irgendeine uralte 
Technik nachzubauen.

> 49.95% Prozent der Leute benutzen dafür Röhren. Sieht hübsch aus
>        und hat zudem den gewissen "High-End" Charakter.
Schön für die 49,95%, fällt aber in dieser Anwendung aus Platz- und 
Kostengründen aus.

> 49.95% Prozent der Verbleibenden benutzen Übertrager, mit sekundärseitig
>        eingespeister Hochspannung. Funktionell, billig, gut.
Wenn Du mir zeigst, wie ich mit einem Übertrager eine kapazitive Last 
mit einem linearen Frequenzgang treiben kann könnte ich mich dazu 
breitschlagen lassen, anderenfalls bleiben ja immernoch in Deiner 
Einteilung 0,1%:

>  0.1%  Prozent posten in Foren und wählen schon Bauteile für
>        fiktive Schaltungen aus, ohne (Achtung, böse Unterstellung ;-)
>        sich offensichtlich auch nur annähernd mit der Materie
>        vertraut gemacht zu haben.
>
> Letzteres ist ja nicht schlimm. Man kann jeden Tag beliebig viele,
> neue Sachen kennenlernen. Dann sollte man aber die Füße ein
> bißchen stiller halten ;-)
> Wenn ich mir zu Hause einen Fusionsreaktor bauen will, fange ich
> nicht an in Foren nach Hochfrequenzheizungen zu fragen.
ja ja, die schlauen Leute

> Bei Lösung Nr.2 kannst Du zudem jeden beliebigen Audioverstärker,
> mit ein paar Handgriffen, umbauen, um Erfahrungen zu sammeln...
so so, siehe 1. Beitrag in diesem Thread.

Ich hab nicht den Eindruck, dass dieser Thread weiter zielführend wird. 
Aber ich lasse mich gerne positiv überraschen.

Autor: Elektrostatikmann (Gast)
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Jens M. schrieb:
> Wenn Du mir zeigst, wie ich mit einem Übertrager eine kapazitive Last
> mit einem linearen Frequenzgang treiben kann könnte ich mich dazu
> breitschlagen lassen

Das ist seit Jahrzehnten gängige, problemlose Praxis, wenn auch
etwas unhandlich und schwer:
Mit hoher Spannung und vernünftiger Ausgangsimpedanz.
Typische Werte liegen zwischen 1k-20k (wenn ich das mal so
platt formulieren dürfte).

Mit rückgekoppelten, direktgetriebenen Systemen gibts Ärger
ganz anderer Sorte.

War auch nur eine Antwort auf Deine Frage:
Jens M. schrieb:
> Wie sind denn solche Piezo-Treiberstufen aufgebaut? Eine Idee vielleicht
> mit Beispielschaltung wäre gut.

Keiner hindert Dich daran, den direkten Weg zu gehen.
Üblicherweise sind die Spannungen für Gegentakt-Aufbauten (2 Statoren)
aber wesentlich höher (2-5kV).
Da wirds mit geeigneten Bauteilen ein bißchen dünn, aber keineswegs
unmöglich.

Oben schriebs ja schon einer:
Weiß ja keiner, was, und in welchen Dimensionen, Du planst...

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Bandbreite DC bis 200KHz (abhängig von kapazitiver Last) +/- 300V und
> 20W steht in der ersten Message.

Das wird nichts mit Trafo bei DC. Wofür man bei Audio allerdings 200kHz 
haben will ist mir ein Rätsel. Fledermäuse zum Absturz bringen?

Autor: Etrick (Gast)
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Ne, das wird ein Lautsprecher für 100.000 EU. Deshalb dürfen wir die 
Elektronik entwickeln, aber das Geheimnis nicht kennen.
(Pioneer hat übrigens kleine Übertrager benutzt und ihre Folie war so 
gut polarisiert, dass max. 35V Eingangsspannung für 110dB gereicht 
haben).

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Etrick schrieb:
> Ne, das wird ein Lautsprecher für 100.000 EU.

Dann wird es ja wohl an den paar Euros für die Opamps von Apex-Microtech 
nicht scheitern.

Autor: laurenz (Gast)
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Du fragst nach einem Verstärker für Piezofolien und
bekommst Antworten welche nur für elektrostatische
Folien Sinn machen. Die Tatsache, daß weder du noch
die betreffenden Foristen dies bemerken ist befremdlich.

Falls du wirklich Piezoelemente in Foliendicke und
grossflächiger Ausführung meinst liegt hier ein
Irrtum bezüglich der Spannungshöhe vor. Typische
Piezoelemente für Audioanwendung sind Biegewellenwandler
bei denen ein dünnes Metallplättchen als Schallerzeuger
und Elektrode dient, welches mit einem hauchdünnen
Piezokristall beschichtet ist, der auf der anderen
Seite mit einer zweiten Elektrode galvanisch überzogen wurde.

Diese Elemente vertragen unbeschaltet aufgrund der geringen
Kristalldicke maximal eher Wechselspannungen von 15-30 Volt
effektiv.

Deshalb können Sie an normalen Audioverstärkern betrieben
werden.

Grossflächiger Elemente werden aufgrund der Biegewellenkonstruktion
und der hohen Frequenzen der Elemente, welche bei grösseren Abmessungen
zu extremer Bündelung führte nicht für Audiozwecke eingesetzt, wohl aber 
für technische Ultraschallerzeugung.

Darüberhinaus gibt oder gab es noch ein in den USA entwickeltes 
Audiosystem, welches mit Piezomultielement Paneelen arbeitet, die
mit Ultraschallanregung der Einzelelemente von einem hoch-
komplexen Rechnersystem so angesteuert wird, das durch subharmonische
Schwebungen und Differenztöne Schall im hörbaren Bereich ensteht.

Autor: Possetitjel (Gast)
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laurenz schrieb:

> Die Tatsache, daß weder du noch die betreffenden
> Foristen dies bemerken ist befremdlich.

Nun ja, ich weiß nicht, wann dieses schreckliche
Verbrechen verjährt. Es gibt aber Hoffnung - viereinhalb
Jahre sind schon herum...

Beitrag #3990019 wurde vom Autor gelöscht.

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