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%20sheets%5CHydrophones%20-%204000%20series/TC4013%20-%20US.pdf
Was ist denn die Charakteristik dieses Teils ? Kapazitiv ? Wieviel nF? An welche Spannung/Leistung dachtest du denn ?
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 ...
Ich würde einen Chirp damit aussenden. Ein TP nach dem DA Wandler dürfte nicht nötig sein (außer bei sehr niedricher Abtastfrequenz.
Noch eine Frage aus Neugier: Was kostet ein derartige Hydrophon?
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 ...
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.
@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?
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.
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.
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.
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?
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).
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.
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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