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
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
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
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
Ralph,
Wenn ich mal in ein Datenblatt eines realen Transducers schaue - wie
z.B. hier:
http://www.itc-transducers.com/itc_page.asp?productID=14&type=3&subtypename=Hemispherical
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
...
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
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_source/index.html)
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...
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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