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Forum: HF, Funk und Felder Impedanzanpassung Piezo <--> Verstärker


Autor: celine (Gast)
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Hallo

Für ein Piezoelement verwende ich einen Hochspannungsverstärker welcher 
eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm besitzt. Das Piezoelement, welches ich 
damit treiben möchte (Ultraschallapplikation in Wasser), hat jedoch bei 
seiner Resonanzfrequenz von 1.8 MHz eine Impedanz von 470 Ohm.
Um möglichst viel Leistung an das Piezoelement abgeben zu können, müssen 
ja die zwei Impedanzen gleich gross sein.
Jetzt meine Frage:
Wie kann man so eine Impedanzanpassung realisieren?
Leider bin ich in der HF-Technik nicht sehr bewandert, jedoch denke ich, 
dass es hier Leute gibt, die davon wesentlich mehr Ahnung haben.

Viele Grüsse,
Celine

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Hallo Celine

Mit einen Transformator Windungsverhältnis 1:3.

Das entspricht einen Widerstandsverhältnis von 1:9. Da ist man schon 
ganz nah dran an der Leistungsanpassung.

Als Trafokern würde ich nach einen Ferritkern der Fa Amidon schauen.

Wie groß der Kern sein muss hängt von der zu übertragende Leistung ab.
Die Windungszahl hängt unter anderen von dem Kernmaterial selber ab.

Es gibt von Amidon  eine Webseite , wo man ein Berechnungsprogramm 
runterladen kann. da gibt es auch viele Hinweise. Einfach mal stöpern 
und einlesen. Damit kannst du dir den Trafo dann berechnen.

Ralph Berres

Autor: Markus (Gast)
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Hallo Celine,

das mit dem Transformator ist nur die halbe Wahrheit: Ein 
Piezotransducer hat eine frequenzabhängige komplexe Impedanz (Strom und 
Spannung sind phasenverschoben). Um die in den Transducer eingekoppelte 
Leistung zu maximieren, sollte deshalb - vor allem wenn der Transducer 
nur bei einer festen Frequenz angesteuert wird - der komplexe Anteil der 
Impedanz über z.B. eine Serieninduktivität kompensiert werden.

Dies ist darüberhinaus sinnvoll weil nicht alle Leistungsverstärker bis 
zur Maximalausgangsleistung bei komplexen Lasten stabil sind.

--> Also: Transformator + Serieninduktivität oder sonstiges 
Anpassnetzwerk.

Einen Rechengang liefert z.B. dieses Dokument.

http://www.airmartechnology.com/uploads/AirPDF/App_Notes.pdf

Viele Grüße,
Markus

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Ralph Berres schrieb:
> Piezotransducer hat eine frequenzabhängige komplexe Impedanz (Strom und
>
> Spannung sind phasenverschoben).

Hast du den Beitrag vom TE mal genauer gelesen?
Da steht nämlich das sie den Piezo auf seiner Resonanzfrequenz betreibt.

Und bei der Resonanz ist Xc nun mal gleich XL. Da hebt sich der 
kapazitive Anteil auf. Da ist dann nix komplex sondern rein reell!. In 
diesem Fall geht ein Transformator schon.

Unterhalb der Resonanzfrequenz wird der Piezo dann kapazitiv , oberhalb 
der Resonazfrequenz sogar induktiv!!

Ralph Berres

Autor: Markus (Gast)
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Ralph,

Wenn ich mal in ein Datenblatt eines realen Transducers schaue - wie 
z.B. hier:

http://www.itc-transducers.com/itc_page.asp?produc... 
Beam&headline=Hemispherical Beam

dann sehe ich im entsprechenden Diagramm (Conductance/Suspectance) ganz 
klar, dass der imaginäre Leitwert ( susceptance (B) ) auch bei den 
Resonanzfrequenzen signifikant >0 ist.

Das ist bei allen mir bekannten Piezo-Schallwandlern (und das sind 
einige - zumindest im Bereich <100kHz ...) nicht anders.

Bei real existierenden Piezo-Schallwandlern ist jedenfalls die Frequenz 
mit TVR max. (darauf kommt es ja an) ungleich der Frequenz mit Bmin  - 
bzw. f_Gmax != f_Bmin

Dazu nochmals ein Zitat aus:
http://www.itc-transducers.com/pdf/guidespec.pdf

"The existence of the imaginary part may give
problems in matching an amplifier to a projector.

Thus, a series or parallel inductor can be added
to the input of a transducer to cancel this
imaginary part. This is known as tuning.
Transformers may also be used to match the
output impedance of an amplifier to a projector.
This is called matching."


--> daher: wenn eine Maximierung der Ausgangsleistung gewünscht ist, ist 
in aller Regel - wenn dies wirtschaftlich vertretbar ist - ein 
Anpass-Netzwerk sinnvoll (zumal dies ja in der Regel nur eine Parallel- 
oder Serien-Induktivität ist)- die genaue Dimensionierung hängt vom 
Impedanzplot ab.

Wenn man hingegen einen idealen (so nicht existierenden), unbelastet 
freischwingenden Kristall annimmt, mag deine theoretische Annahme gelten 
...

Autor: Ralph Berres (rberres)
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also wenn wir schon bei dem Beispiel itc transducers bleiben.

Ich habe mir das Datenblatt von dem  VHF Typ ITC9070 Typ 2 angeschaut.
Der kommt den von Celine vermutlich noch am nächsten.

Bei einer Kapazität von ca 1nF und der Resonanzfrequenz von  4,5MHz
würde dem Wandler ein XC von 33,8Ohm parallel liegen.

Die Impedanz des Wandlers ist aber bei der Frequenz über 200 Ohm.

Und das sogar bei der Betriebsgüte ( unter Last gegen Luft , in Wasser 
immer noch 150 Ohm!!).

Der Resonanzwiderstand ist im Leerlauffalle noch viel höher.

Durch die Parallelkapazität  entsteht wie bei Schwingquarzen auch 
zusätzlich eine Serienresonanzfrequenz, ( die übrigens auch eine reelle 
Impedanz hat ) aber auch die Parallelresonanz ist reell und wird über 
der
Resonanz sogar induktiv.

Nimm dir mal einen Schwinquarz und hänge den mal an einen 
Netzwerkanalyzer.
Da kann man das sehr schön im Smithdiagramm sehen.

Man kann das auch mit einen Oszillografen sehen ( Strom und Spannung 
messen ).
Celine kann das ja mal an  Ihrem Piezoelement nachmessen.
Mehr als ein 2 Kanaloszillograf einen Funktionsgenerator und einen 10 
Ohm Widerstand für die Strommessung im negativen Zweig braucht man dazu 
nicht.

Nur ist bei einen Schwingquarz die Kreisguete sehr viel höher als bei 
einen Piezoelement. ( Schwingquarz hat mehrere Henry Induktivität und 
nur wenige Femtofarad Kapazität. Dem hängen die Anschlusskapazität von 
mehreren  Picofarad parallel ).

Beim Piezo kann man die ca 1nF auch als parallelkapazität ansehen.
Die eigentliche Schwingkreiskapazität ist sehr viel geringer.

Man könnte jetzt versuchen aus der Kreisgüte dem Abstand zwischen
Serienresonanz und Parallelresonanz  sowie der Parallelkapazität 
versuchen die tatsächliche Induktivität im Resonanzfalle auszurechnen. 
Doch dazu habe ich heute keine Lust. Die dürfte aber sicher auch im 
Bereich von mehrere zehn Milihenry liegen.

Schaue dir mal das Quarzkochbuch an welches man sich im Netz sogar 
kostenlos runterladen kann.

Was anderes ist es wenn Celine das Element auserhalb der Resonanz 
betreiben will, da gebe ich dir dann auch recht. Sie  muss sie dann den 
Komplexen Anteil kompensieren, aber so wie ich sie verstanden habe will 
sie das nicht.

Ralph Berres

Autor: Markus (Gast)
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Ok - bevor wir uns hier kloppen:


Ich kenne das Quarzkochbuch - Deine Aussagen stimmen ja auch bezogen auf 
Schwingquarze.

Jedoch gilt das Beispiel mit dem Quarz in diesem Kontext nicht. Ein 
Quarz ist ja im wesentlichen ein idealer Kristall und schwingt u.U. 
sogar im Vakuum unbedämpft annähernd ohne Last(siehe mein vorheriges 
Posting).

Ein Piezo-Transducer für den Einsatz im Wasser oder Luft entspricht 
jedoch schon durch seinen inneren Aufbau bedingt nicht diesen 
Vorraussetzungen. Er ist ja gerade dazu konstruiert, Energie an das 
umgebende Medium abzugeben.

Zu dem Beispiel mit dem ITC 9070-2 : Die angegebene Kapazität von ca. 
1nH des Transducers gilt bei DC - und nicht bei der Resonanzfrequenz und 
ist deshalb nur bedingt relevant.

Ein (zugegebenermaßen extremes) Beispiel aus der Praxis: Eine 
RAFOS-Schallquelle 
http://www.po.gso.uri.edu/rafos/general/sound_sour...)
ist bei 260Hz mit hohem Q resonant und wird extrem schmalbandig (ca. 1.5 
Hz sweep) um die Resonanzfrequenz betrieben. Die Serien-Induktivität zur 
Kompensation des Imaginäranteils der Impedanz in der Treiberschaltung 
hat einen Wert von 3.3H (trotz Betrieb bei der Resonanzfrequenz) - 
Ähnliches gilt für Echolote, Sidescan-Sonare usw. - In allen diesen 
Fällen wird die Keramik mit der Resonanzfrequenz getrieben- und in fast 
allen Fällen gibt es hier ein Tuning-Netzwerk.

Abschließend aus meiner Sicht: Deine Aussagen treffen für Schwingquarze 
absolut zu - jedoch nicht für handelsübliche Piezo-Schallwandler.

Die theoretischen Grundlagen dazu gibts z.B. in
Piezoelectric and acoustic materials for transducer applications,
Ahmad Safari,E. Koray Akdoğan
oder
Transducers and arrays for underwater sound Von Charles H. Sherman,John 
L. Butler - Kapitel 12.6 Tuned Responses und Anhang A.16.

Welchen Gewinn eine Kompensation des Imaginär-Anteils bei Celines 
Anwendung  bringt kann nur anhand eines konkreten Datenblattes beurteilt 
werden.

Schwingen wird er sicherlich auch ganz ohne Matching und Tuning...

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Ralph Berres schrieb:
> Jedoch gilt das Beispiel mit dem Quarz in diesem Kontext nicht. Ein
>
> Quarz ist ja im wesentlichen ein idealer Kristall und schwingt u.U.
>
> sogar im Vakuum unbedämpft annähernd ohne Last(siehe mein vorheriges
>
> Posting).
>
>
 Deswegen ist die Güete eines Quarzes irgendwo bei 70000, die beiden 
Resonanzstellen liegen deshalb nur wenige Hz auseinander. Das heisst 
Betriebsguete entspricht fast der Leerlaufguete


>
> Ein Piezo-Transducer für den Einsatz im Wasser oder Luft entspricht
>
> jedoch schon durch seinen inneren Aufbau bedingt nicht diesen
>
> Vorraussetzungen. Er ist ja gerade dazu konstruiert, Energie an das
>
> umgebende Medium abzugeben.

Was somit einer einer geringeren Betriebsguete gleichkommt.
Das heisst die Resonanzfrequenzen liegen auch weiter auseinander und die 
Resonanzüberhöhung ist weit geringer.

Ansonsten verhalten beide Piezoelemente sich gleich.

>Zu dem Beispiel mit dem ITC 9070-2 : Die angegebene Kapazität von ca.
>1nH des Transducers gilt bei DC - und nicht bei der Resonanzfrequenz und
>ist deshalb nur bedingt relevant

Der Parallelkapazität ist es ziemlich egal ob der Quarz schwingt oder 
nicht. Sie ändert sich nicht. Es sei denn die Auslenkung ist 
unsymetrisch,
was ja eventuell auch noch sein kann.

Aber du hast recht. Ich selbst habe leider kein Piezoelement welches ich 
mal eben an den Netzwerkanalyzer hängen könnte.

Celine könnte uns jetzt weiterhelfen und sein Piezoelement mal mit Hilfe 
eines 2 Kanal Oszillografen und Funktionsgenerator durchmessen.

Wenn man Spannung und Strom misst, kann man ja im 2 Kanalbetrieb sehr 
schön sehen ob der Strom in der Phase gegenüber der Spannung im 
Resonazfall voreilt oder nicht.

Ralph Berres

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