Suche Ersatzschaltbild für Ultraschallwandler

[Manf]

am Montag werde ich mal versuchen das Bildchen hier reinzupacken

Ich nehme an Du meinst das Bild hier?
Hier sind zwei Wandler dargestellt ein Transmitter und ein Receiver.
Die beiden Wandler sind ja grundsätzlich gleich aufgebaut.

Wenn man davon ausgeht, dass sich ein Piezokristall, wenn er nicht in Resonanz ist, elektrisch wie eine Kapazität verhält, dann sind die Kurven die von -90° ausgehen und wieder zu -90° gehen die Phasenkurven.

Dass die Impedanz um die Resonanz herum für kleine Wert etwas kleiner ist und dann größer wird als weitab davon, ist auch so wie bei den mit dem Oszilloskop aufgenommenen Kurven.

Die Zuordnung ist damit wohl etwas anders als in der Bezeichnug im Datenblatt.
Manfred

Wandler 1 Imped ___________
Wandler 1 Phase ----------------
Wandler 2 Imped ___________
Wandler 2 Phase ----------------

[waste]

Folgendes Ersatzschaltbild passt auf die rote Kurve.

Hoffe das hilft weiter.

Waste

[H.A.R.R.Y.]

@waste: Oh klasse, dann kann ich morgen gleich mal den Simulator quälen. Danke. Das ESB für die blaue Kurve schaffe ich dann jetzt hoffentlich selbst.

@Manf: Ja genau dieses Bildchen. Also war meine Vermutung richtig, im Datenblatt ist die Legende falsch. Dann kann das mit der Modellbildung natürlich auch nicht so richtig funktionieren.

[H.A.R.R.Y.]

Hier wie versprochen die Ergebnisse meiner "Research" aufgrund von Manfreds Scope-Plots:

[H.A.R.R.Y.]

Dank waste's Steilvorlage ist es mir gelungen die ESBs passend zum Datenblatt etwas zu verfeinern (der Empfänger - siehe waste's Beitrag) sowie zu erstellen (der Sender).

Ich habe anhand der Impedanzgänge abgeschätzt:
"Der Sender muß ein Minimum aufweisen um effektiv Energie rauszupusten, der Empfänger liefert maximale Signalspannung bei höchster Impedanz." (Da kann ich natürlich auch falsch gedacht haben!)

Also habe ich die ESBs mal entsprechend bezeichnet (Transmitter "xmit" hat Impedanzminimum bei typisch etwa 40,2kHz, Receiver "rec" hat Impedanzmaximum bei typisch etwa 40,5kHz).

Damit keine Mißverständnisse aufkommen: Diese Ersatzschaltbilder modellieren die Angaben im "Reichelt"-Datenblatt, nicht das Verhalten zu Manfred's Scope-Plots! Für meine Zwecke ist diese Modellierung sicher ausreichend. Wer möchte kann sie gerne als Basis für weitere Verbesserungen nutzen.

Leider habe ich nicht alles in ein Bild packen können, also müßt ihr es Euch einzeln ziehen, sorry. Vielleicht kann es ja mal jemand zusammenpacken, der die Tools hat. Ich würde mich freuen.

Das Tool mit dem ich die Simulationen gemacht habe, ist eine eingeschränkte Freeware-Version eines kommerziellen Paketes. Die Freeware gibt es hier: http://focus.ti.com/docs/toolsw/fold...t/tina-ti.html

DANKE an alle, die sich bemüht haben mir zu helfen!

PS:
Der Link zum Reichelt-Datenblatt: http://www.reichelt.de/inhalt.html?S...ETAUTO=;OPEN=1
Der Link zu einem Datenblatt von RS: http://www.rsonline.de/cgi-bin/bv/br...odoid=15342038

[waste]

@H.A.R.R.Y

Kennst du schon LTspice/SwitcherCad III?
Ist Freeware und hat keine Einschränkungen. Hier ein Tutorial: https://www.roboternetz.de/wissen/in...erCAD-Tutorial

Waste

[H.A.R.R.Y.]

Nein, kannte ich noch nicht. Ich schaue es mir mal an komme bei Gelegenheit darauf zurück.

[Manf]

Ich habe anhand der Impedanzgänge abgeschätzt:
"Der Sender muß ein Minimum aufweisen um effektiv Energie rauszupusten, der Empfänger liefert maximale Signalspannung bei höchster Impedanz." (Da kann ich natürlich auch falsch gedacht haben!)

Ansatz für ein paar Betrachtungen: Bei der Frequenz, bei der sich die Impedanz ändert, wird irgendetwas passieren.

Bei einer Frequenz bei der sich die (wellige) Impedanzkurve durch einen Reflektor am stärksten verändern läßt, wird auch die Kopplung mit der umgebenden Luft am größten sein. (Dazu der Versuch im Bild oben mit den beiden Frequenzkurven.)

Ist der Wandler ein lineares System bei dem die Kopplung in beiden Richtungen gleich groß ist? (Reziprozität) Dann könnte eine ungleiche Frequenz für maximale Kopplung noch mit einer ungleichen Beschaltung (Anschlußimpedanz) zusammenhängen.
Manfred

[H.A.R.R.Y.]

Also durch Versuche weiß ich, daß ich Sendewandler und Empfangswandler vertauschen kann, ohne das sich was an der Signalamplitude ändert (zumindest nicht so, daß es deutlich meßbar wäre). Das gilt aber nur für meine Schaltung, die einen hochohmigen Spannungsfolger (Ri~1MOhm) am Empfänger hat. Daher gehe ich mal vom gültigen Reziprozitätstheorem aus.

Ich stimme Manfred zu, daß die Kopplung auf die von ihm beschriebene Art und Weise bestimmt werden kann. Nun hat die Rückkopplung auf den Piezokristall über einen Reflektor eine Veränderung von dessen elektrischen Verhalten zur Folge, die in einem erweiterten Ersatzschaltbild aufgenommen werden kann. Der Haken dabei: dieses ESB hängt sehr stark von einigen Umgebungsparametern ab, die so einfach gar nicht zu modellieren sind (Manfred benutzt einen sehr kurzen Abstand zum Reflektor und erzeugt damit eine akustische Resonanz, die wiederum eine Spannung im Piezoelement influenziert).

Hmm, damit ist natürlich eines klar:
Die von mir oben angegebenen ESBs modellieren die Angaben aus dem Datenblatt, die für einen bestimmten Versuchsaufbau (=Umwelt) gelten; der ist aber im Datenblatt nicht angegeben. Ich schätze mal, daß dem Datenblatt ein Aufbau ohne Reflektor zu Grunde liegt, die Abstrahlung also in den "freien" Raum erfolgt.

Das alleine erklärt dann aber noch nicht die Unterschiede zwischen den Wandlern bzw. deren ESBs. Also könnte Manfred's Vermutung mit "unterschiedlicher Beschaltung" zutreffen. Das von mir angegebene Sender-ESB weist parallel einen zusätzlichen Widerstand auf, anders war das nicht gemäß Datenblatt "hinzubiegen". Entweder liegt es am extrem vereinfachten Modell (gilt ja nur zwischen 35kHz und 45kHz) oder es ist ein Hinweis auf die unterschiedliche Beschaltung beim Test des Herstellers.

Okay, die weiter oben angegebenen Ersatzschaltbilder sollen ja auch nur den Wandler elektrisch im interessanten Bereich modellieren, damit ich mal verschiedene Empfängerschaltungen bewerten kann. Dazu brauche ich erstmal ein gemeinsames "Vergleichsnormal", eben das Modell-Ersatzschaltbild. Die akustischen Eigenschaften (Schallenergie<->elektrische Energie) stecken als elektrische Verluste im ohmschen Widerstand und gut ist's. Die tatsächliche Umgebung unterschlage ich zwar so, aber für die Schaltungstests sollte es reichen. Die reale Umgebung muß ich natürlich beachten, sobald ich eine Schaltung aufbaue und teste.

Im ESB des Empfangswandlers fehlt eigentlich auch noch eine Eigenschaft: eine Signalquelle, die das Empfangssignal modelliert. Im Frequenzbereich 35kHz bis 45kHz langt dafür eine ideale Wechselstromquelle mit 700nA bis 7µA Effektivwert. Die Spannungen am Wandler entsprechen dann durchaus realen Werten (einige mVss). Bei niedrigen Frequenzen (besonders DC!!) ist das Modell allerdings falsch.

[waste]

Ich gehe davon aus, dass der Hersteller mit Bedacht einen Sender und Empfänger mit unterschiedlichen Impedanzen anbietet, um dem Anwender eine Anpassschaltung zu ersparen. Obwohl mechanisch kein Unterschied zu sehen, ist die Impedanzkurve wirklich unterschiedlich, das habe ich selbst nachgemessen. Das Übertragungsmaß ist auch um einige dB niedriger, wenn man Sender und Empfänger austauscht.

Übrigens kann man das Ersatzschaltbild noch verfeinern, in dem Rs durch eine Serienschaltung von Rv und Rstr ersetzt wird.
Rv ist der mech. Verlustwiderstand, der die inneren Reibungsverluste repräsentiert.
Rstr ist der Strahlungswiderstand, der die Abstrahlung der akustischen Wirkleistung repräsentiert.
In der Simulation könnte dann Rstr mit einem Dämpfungsglied und einer Laufzeitleitung mit dem Kennwiderstand von Rstr ersetzt werden, wobei die Dämpfung und die Laufzeit der zurückgelegten Strecke des Schalls entspricht. Dadurch wäre es auch möglich die Impedanzänderung des Senders durch Reflektionen im Nahfeld zu simulieren. Aber ob man so ins Detail gehen muss?
Im Empfänger-ESB kann Rstr auch durch eine Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand von Rstr ersetzt werden.

Das von mir angegebene Sender-ESB weist parallel einen zusätzlichen Widerstand auf, anders war das nicht gemäß Datenblatt "hinzubiegen".

Den Parallelwiderstand braucht es nicht. Probier mal folgende Werte:
Rs = 690 Ohm
Ls = 130mH
Cs = 120pF
Cp = 2.5nF

Waste