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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Ansteuerung eines Piezo Hydrophons


Autor: elias (Gast)
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Hallo Miteinander,

Ich habe ein Reson TC4013 Hydrophon und würde dieses super Ding gerne 
über eine DSP->DAC->Tiefpass->Verstärker Kette ansteuern und als 
Schallprojektor für Ultraschallfrequenzen von 30kHz bis 90kHz verwenden.

Nun habe ich so etwas noch nie gemacht und bin unsicher, was das Design 
eines geeigneten Leistungsverstärkers anbelangt und mit welchen 
Signalpegeln ich das Hydrophon ansteuern sollte. Der Ausgang des 
Tiefpasses ist ein AC-Signal mit 2.5V DC-Offset und etwas weniger als 
2.5V Amplitude, kann ich dieses "Single-ended"-Signal über den 
Verstärker direkt auf das Hydrophon geben oder sollte es zuerst in ein 
differenzielles Signal umgewandelt werden? Und was wäre ein passender 
Verstärkertyp?

Über jegliche Hilfe wäre ich sehr dankbar!

Liebe Grüsse,
Elias

PS.
Datenblatt des Hydrophons:
http://www.reson.com/%5Cgraphics%5Cdesign%5CSpec%2...

Autor: Aha (Gast)
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Was ist denn die Charakteristik dieses Teils ? Kapazitiv ? Wieviel nF? 
An welche Spannung/Leistung dachtest du denn ?

Autor: elias (Gast)
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Ja, das ganze ist kapazitiv. Das Hydrophon selbst besitzt eine Kapazität 
von 3.4nF, dazu kommen 600pF Kabelkapazität, was eine Gesamtkapazität 
von 4nF ergibt.

Ich würde den Projektor gerne mit 5-10Watt betreiben, möglicherweise 
reichen aber auch schon geringere Leistungen ...

Autor: Helmut (Gast)
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Ich würde einen Chirp damit aussenden.
Ein TP nach dem DA Wandler dürfte nicht nötig sein (außer bei sehr 
niedricher Abtastfrequenz.

Autor: Helmut (Gast)
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Noch eine Frage aus Neugier:
Was kostet ein derartige Hydrophon?

Autor: elias (Gast)
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Das mit dem Chirp senden soll schlussendlich das Ziel sein. Mein Problem 
liegt aber mehr darin, dass ich nach einer geeigneten 
Verstärkungsmethode für mein Signal suche und nicht weiss, was das 
Piezoelement für Spannungsformen benötigt (unipolare oder bipolare 
Wellen).

Der Tiefpass ist hauptsächlich dazu gedacht, die Spiegelfrequenzen aus 
dem Signal rauszufiltern, um ein so reines Spektrum wie möglich zu 
erhalten. Meinst du dies ist nicht nötig?

Ach ja, so ein Hydrophon kostet um die 800 Euro ...

Autor: Maximilian (Gast)
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Sicherlich kann man mit einem NF Verstärker und einer Soundkarte damit 
auch schöne Ergebnisse erhalten. Aber dieses Hydrophon kann mehr als 
eine Soundkarte.

Spiegelfrequenzen sind kaum zu erwarten. Man könnte z.B. mit 200 kHz mit 
dem DA Wandler arbeiten. Die 3. harmonische ist dann bei 600 kHz und 
kann nicht mehr Unfug treiben.

Als Generator der besseren Wahl würde ich einen 
Arbiträr-Funktionsgenerator nehmen. (Bei Laboranwendung)
Oder eine Multifunktionskarte von National Instruments mit Zähler für 
das Ausgangssignal - z.B. DAQ6062. das erfordert aber danach einen 
Verstärker.

XC des Hydrophons:
Das XC ist aus den 200kHz und 4nF zu berechnen. (ca 200 Ohm)
Je nach Spannung (bzw. gewünschter Leistung)  ist der Strom zu 
berechnen.

Autor: Aha (Gast)
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APEX hat schoene Verstaerker. siehe apexmicrotech.com

Autor: elias (Gast)
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@Maximilian

Das Hydrophon soll Teil eines Kommunikationssystemes sein, bei welchem 
sowohl auf Sender wie auf Empfängerseite ein DSP die Signalverarbeitung 
übernimmt - einen Funktionsgenerator zu verwenden ist deshalb nicht gut 
möglich. Zudem sind die DSPs bereits vorhanden, ich sollte also wenn 
irgend möglich mit diesen arbeiten.

Aus diesem Grund bin ich auch auf den Tiefpass auf Senderseite gekommen: 
Nehmen wir an, das zu sendende Signal besitzt Frequenzanteile bis 100kHz 
und wird mit 200kHz umgesetzt. Dann setzen unmittelbar nach der 100kHz 
Schranke die Spiegelfrequenzen ein, was beim Abtasten auf Empfängerseite 
zu wesentlich grösseren Schwierigkeiten führt, als wenn das gesendete 
Signal keine Frequenzanteile über 100kHz besitzen würde.

Nun aber nochmals zum Verstärker:

Leider kenne ich mich da wirklich viel zu wenig aus und ich habe zwei 
grundsätzliche Fragen.

1. Wenn ich die Impedanz des Hydrophones nehme (1/jwC) und als 
Sendeleistung 10 Watt annehme, erhalte ich über P=I^2*R  I=10W*jwC, also 
einen komplexen Strom. Kann ich für den benötigten Strom dann schlicht 
den Betrag dieses Ausdrucks nehmen?

2. Gibt es eine einfache Verstärkerschaltung mit z.B. einem Transistor, 
die mir solch einen Strom liefert?


@Aha

Bei APEX habe ich zwei Verstärker gefunden, die u.a. für Hydrophone 
ausgelegt sind. Allerdings sind diese nur für Frequenzen bis 2kHz 
ausgelegt. Habe ich da etwas übersehen?

Autor: Lars Keller (lokeller)
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Wenn ich mich recht erinnere, ist im Buch
"The Art of Electronics" von Horowitz/Hill
eine solche Schaltung/Anwendung gegeben. Hab's leider nicht zur Hand, 
steht im Büro.

Falls Montag noch Interesse besteht, so schaue ich gern nach.

Autor: Aha (Gast)
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Ja, der Strom ist kapazitiv, dh 90 Grad voreilend. Bei 90kHz ist die 
Impedanz 1/(i*omega*C) = 442 Ohm. Wenn wir da 10W drauflassen wollen, so 
ist die Spannung 66V, der Strom 150mA. Auf AC bezogen sind das nun RMS 
werte, somit suchen wir einen Verstaerker, der 200Vpp mit 200mAp bringt.
Die Fullpower bandwidth benoetigen wir mind. 100kHz. Die Slewrate ist 
nun 2*pi*Vp*BW = 62V/us. Bei Apex gibt es nun zB den PA69. Der macht 
zwar nur 60mA, aber 200V/us, 200kHz an +-100V Speisung. Der muesst man 
nur noch mit einem Emitterfolger aufbohren. Falls man sich diese Arbeit 
sparen will, waere der PA96 passend. 300V, 1.5A, 250V/us, mit 175MHz 
GBW. Der passt sicher, wird auch sauteuer (vorher den Stuhl zur Hand 
haben) sein. Im TO3 Gehause kann der 80W abbraten. Ruf mal da an. 
Guenstiger geht's nicht. Selbermachen ist viel teurer. Ist leider so.

Autor: Markus (Gast)
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1. Die Annahme, die Impedanz eines Hydrophons aus seiner Kapazität 
berechnen zu können, ist generell falsch - es handelt sich hier nicht um 
einen Kondensator sondern um eine (aktive) Piezokeramik - daher ist die 
tatsächliche Impedanz in der Regel niedriger als die rein aus C 
errechnete.
Da Hydrophone wegen der gewünschten flachen OCV Charakteristik 
mechanisch stark bedämpft sind, kann das trotzdem einigermaßen passen - 
die richtige Quelle sind aber die entsprechenden Diagramme im Datenblatt 
(Resistance, Reactance, Impedance) - diese sind im individuellen 
Kalibrierblatt in hoher Auflösung enthalten.
2. Bei 5-10W rms cw Sendeleistung stirbt dieses Hydrophon einen 
schnellen Tod.
3. Um das in einem vernünftigen Rahmen preiswert anzusteuern, tut es 
auch ein OPA544 (oder ähnlich) - notfalls 2 in Brückenschaltung.

Autor: elias (Gast)
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Vielen Dank für eure bisherige Hilfe!

@Lars
Ich werde zwar nächste Woche fort sein und erst am Samstag schauen 
können, die Schaltung würde mich aber trotzdem sehr interessieren.

@Markus
Ich bin gerade etwas erschrocken, als ich deinen Beitrag gelesen habe. 
Ich war überzeugt, dass 10 Watt weit unter der Belastungsgrenze des 
Hydrophons liegen, auch wenn im Datenblatt dazu keine Angaben gemacht 
werden. Bei diversen anderen Transducern war als maximale Sendeleistung 
jeweils mindestens 100 Watt angegeben. Wie kann ich denn bestimmen, 
welche Leistung das Hydrophon sicher noch verträgt?

Dein Vorschlag mit dem OpAmp ist mir sehr sympathisch, allerdings 
besitzt der von dir vorgeschlagene Verstärker eine etwas geringe 
Slew-Rate. Ich habe mir deshalb den AD8131 rausgesucht, der deutlich 
günstiger ist und die Anforderungen an Slew-Rate und GBP bei weitem 
übertrifft, dafür aber einen maximalen Ausgangsstrom von nur 60mA 
besitzt. Dies würde bei +-5V Spannungsversorgung zu einer rms Leistung 
von 0.15 Watt führen. Wäre das genügend, um ein akustisches Signal ca. 
100m sphärisch zu verbreiten?

Was mir immer noch nicht klar ist: Kann (oder muss) ich das Hydrophon 
mit bipolaren oder unipolaren Spannungen ansprechen?

Und zum Schluss noch eine dumme Frage (kommt mir zumindest so vor): Wie 
würde ich den OpAmp mit einer bipolaren Spannung versorgen? Indem ich 
eine 10V Spannungsquelle mittels einem Spannungsteiler in zwei Hälften 
teile und GND in die Mitte setze?

Autor: Markus (Gast)
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Bezüglich der Belastbarkeit: Die Transducer die mit mehreren 100 Watt 
Belastbarkeit spezifiziert sind, haben ganz andere Dimensionen und sind 
ja auch speziell für den Sende- und Empfangsbetrieb optimiert - Das 
TC4013 ist aber primär für den Betrieb als Hydrophon und nicht als 
Projektor ausgelegt - die Keramik im TC4013 wiegt vielleicht 1-2g - hier 
gibt es schnell thermische Probleme - ausserdem kann es zu Delamination 
der Vergussmasse oder bei großen Amplituden zur Depolarisation der 
Kermaik kommen. - Ich würde mal von einer Dauerbelastbarkeit von 
höchstens 1 Watt ausgehen - im gepulsten Betrieb etwas höher.

Zur Ansteuerung: Stimmt - die Slew-Rate des 544 ist für den angestrebten 
Frequenzbereich bei höheren Amplituden etwas niedrig.

Die Ansteuerung des Hydrophons mit einem Signal ohne 
Gleichspannungsanteil ist bei größeren Amplituden vorzuziehen (bei 
kleineren Amplituden ist es völlig egal).

Autor: Aha (Gast)
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Markus, gut, dass wir nun einen Spezialisten zur Hand haben. Ich komm 
von den mechanischen Piezos her. So ein 1-2g Teil vertraegt natuerlich 
keine 10W CW. Moeglicherweise aber einen kurzen Chirp mit dieser 
Leistung. 10 Perioden oder so. Die Kopplung von Piezos an das Medium 
ergeben eine zusaetzliche ohmsche Komponente. Die mechanischen Piezos 
duerfen in der Regel nicht umgepolt werden, dh werden mit nur einer 
positiven Spannung betrieben. Das Problem mit Piezos als 
Sender-Empfaenger ist das sehr verschiedene Spannungniveau in den beiden 
Betriebszustaenden. Wenn man dem Sender 20V zum Senden draufgibt, kommen 
nachher 2mV zurueck, und das Rauschen der offenen Senderendstufe kann 
das Echo mit Rauschen zudecken. Das mag bei einem festeren Medium, wie 
Wasser etwas besser sein.

Autor: Lars Keller (lokeller)
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So, nachgeguckt:

Seite 168 ff. -> 200W amplifier to drive a piezoelectric underwater 
transducer at 200kHz.
Ist ausgelegt für 1kV und max. 2 Amp. für Piezos mit einer Kapazität 
kleinergleich 10nF.

Und falls Du das Buch nicht zur Hand hast, so schau mal bei g-books, da 
ist es vorhanden und die Seiten online "anschaubar"....

Viel Erfolg.

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