Gegentaktflusswandler für Ultraschall-Sender (40 kHz)

[Robert B. (robertb)]

Hallo!

-- Vorwort --

Ich beschäftige mich gerade mit Ultraschall-Abstandsmessung, um über ein 
senkrecht eingebautes KG-Rohr die Füllhöhe/Wasserstand in einer Rigole 
zu bestimmen. Zudem muss ich mich so ein wenig mit Analogtechnik 
beschäftigen.

Die üblichen fertigen Module (HC-SR-04 und andere) benutzen einen 
EIA232-Transceiver (MAX232 etc.) um per Ladungspumpe eine ausreichende 
Leistung in den US-Sender abzugeben.

Für meine Applikation möchte ich aber gerne auf diesen "Kniff" 
verzichten und einen (ungeregelten?) Gegentaktflusswandler direkt am 
US-Sender verwenden. Gründe: Es handelt sich um eine "low-power" 
Anwendung mit Energy-Harvesting (erstmal Solar) und Funkübertragung. 
Tippe darauf, dass die Ladungspumpe verhältnismäßig uneffizient ist. 
Zudem muss ich ja erst mal explizit den MAX232 mit Strom versorgen und 
warten bis die Ladungspumpen bereit sind. Darüber hinaus wäre natürlich 
eine höhere Spannung als 8Vpp vorteilhaft. Evtl. freut sich der 
US-Sender zudem, wenn er nicht hart per Rechteck sondern mit etwas 
"Sinusähnlicherem" beglückt würde.

-- Frage --

Wer kann mir bei der Auslegung des Transformators für einen 
(ungeregelten?) Gegentaktflusswandler helfen, der direkt einen US-Sender 
treiben soll? Das Prinzip ist in dieser Veröffentlichung 
http://www.ktu.lt/ultra/journal/pdf_58_1/58-2006-Vol.1_06-L.Svilainis.pdf 
in Figure 10 dargestellt.

Ich glaube zu wissen, dass die Primärwindungen so gestaltet werden 
müssen, dass während einer Halbwelle von 1/40kHz/2 die Spule nicht in 
Sättigung geht. Aber wie dimensioniere ich das mit dem Hintergrund von 
den benötigten Stromstärken? Wie bezieht man eine mögliche 
Gegeninduktion ein? Welches Ferritmaterial wenn überhaupt? In der 
Veröffentlichung wird von NiZn gesprochen - allerdings für 1 MHz - ich 
will (erstmal?) bastelübliche 40 kHz US-Sender einsetzen.

Hier im Forum tummeln sich doch ein paar 
HF/Spulen/Transformatoren-Versteher. Ich hoffe auf eure Hilfe!

Zur Verfügung stehen Oszi, Netzteil, 3,3-5V Versorgungsspannung (klar 
auch was anderes, aber damit soll es funktionieren), leider kein 
LC-Meter.

Vielen Dank!

Grüße
Robert

[Sascha (Gast)]

Wenn die Zisterne nicht grade 20m tief ist brauchst du Imho garnichtmal 
so viel Power. Wenn du was von Energyharvesting schreibst, wie viel mm² 
hat denn deine Solarzelle? Ich würde die Solarzelle einen Akku laden 
lassen, der dann bei Bedarf über Schaltregler die benötigten Spannungen 
erzeugt.

Ich habe mal vor einiger Zeit ebenfalls einen 
Ultraschall-Entfernungsmesser gebaut, der nur eine Sendekapsel als 
Sender UND Empfänger benutzt. Siehe hier: 
Beitrag "Re: Empfängerschaltung Ultraschall Entfernungsmesser"

[Robert B. (robertb)]

Hi Sascha,

danke für deinen Hinweis.

In der Tat läuft das ganze schon mit einem senderseitigen MAX3232 und 
einem Empfänger mit  zwei aktiven Bandpassfiltern (TSV914-Opamp). Die 
Solarzelle hat ca. 25cm² und speist über LTC3501/LTC4071 
(http://www.linear.com/docs/39851) einen kleinen LiPo. Energie sollte 
also genug vorhanden sein.

Mir geht es primär um den Spass an der Sache bzw. die "Spulengeschichte" 
mal ansatzweise zu lernen. Zudem darum, den MAX232 oder eben den Step-Up 
einzusparen. Irgendwie ist es für mich widersinnig, erst die Spannung 
auf ein geregeltes Niveau hochzutransformieren, um diese per Rechteck 
auf den US-Sender draufzuschalten. Der Ansatz mit der direkten 
Anschaltung an den Gegentakt-Trafo finde ich einfach elegant und schön 
und mich interessiert eben, was für eine Baugröße für solche - wie du 
richtig sagst - kleinen Reichweiten/Anforderungen möglich ist.

Grüße
Robert

[Paule H. (stk500-besitzer)]

Die Spule und die Piezo-Keramik (Kondensator) bilden einen Schwingkreis, 
den man am besten für den Bereich der Resonanzfrequenz auslegt.

[Helge A. (besupreme)]

Mir kommt das irgendwie seltsam vor. Wie wird denn die Entfernung 
gemessen, wenn der Sender dauerhaft angeregt ist? Das macht doch wenig 
Sinn..??

Mir ist von früher eine Schaltung in Erinnerung, bei der ein 
Schwingkreis aus Induktivität und Piezo durch einen einzelnen kurzen 
Impuls angeregt wird. Das erfordert "nur" eine Resonanz des 
Schwingkreises im Bereich der mechanischen Resonanz des Piezo.

Oder ist das "historische Technik"?

[Georg G. (df2au)]

Helge A. schrieb:
> Wie wird denn die Entfernung
> gemessen, wenn der Sender dauerhaft angeregt ist?

Mit einem Gliedermaßstab, aka Zollstock.

Entfernungsmessung geht nur mit kurzen Piepsern, deren Laufzeit 
ausgewertet wird. Dauerstrich nimmst du, um Geschwindigkeiten zu messen.

[Robert B. (robertb)]

Hi!

Danke für eure Beiträge!

Das heißt Startpunkt ist die Sekundärwicklung?

http://www.reichelt.de/index.html?&ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=B400%252FUST%2523PRT.pdf 
ist das Datenblatt des US-Senders. Wenn ich das jetzt auf Resonanz 
auslegen wollen würde, reicht es die angegebene Kapazität bei 1 kHz 
anzunehmen oder müsste man vorher alle Komponenten des Ersatzschaltbilds 
(Rs-Ls-Cs und Cp) bestimmen/raussuchen? Schätze mal die 2400pF sind Cp.

Mit

$$f_r = \dfrac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$$

 käme ich dann ja auf

$$LC = \dfrac{1}{(2 \pi f_r)^2} = 1,58 \cdot 10^{-11}$$

und für Cp = 2400pF auf ein L von 6,6 mH ? Passt zumindest 
Größenordnungsmäßig mit der Veröffentlichung, auch wenn deren 
Resonanzfrequenzen und Cp anders sind.

Ich kam jetzt auf die Idee, evtl. Übertrager mit Mittelanzapfung aus 
ISDN- oder Ethernetkarten zweckzuentfremden. Allerdings haben die wohl 
nur Windungsverhältnisse von bis zu 3:1 und vielfach entweder auf der 
Sekundärseite auch Mittelanzapfungen oder es sind mehrere eingebaut. 
Allerdings habe ich zum spass mal einen Übertrager "geknackt" und ein 
paar kleine schöne Ringkerne "gewonnen".

Z.B.: R=4mm, r=1,8mm, h=2mm

Mit

$$L=N^2 \cdot \dfrac{\mu_0 \mu_r h}{2 \pi} \cdot \ln{\dfrac{R}{r}}$$

und

$$\mu_r = 400$$

 für ein geratenes Ferritmaterial!?

erhalte ich

$$N = \sqrt{ \dfrac{2 \pi L}{\mu \cdot h \cdot \ln{\dfrac{R}{r}} }}= \sqrt{ \dfrac{2 \pi \cdot 6,6 \cdot 10^-3 H}{400 \cdot 4 \pi \cdot 10^{-7} Hm^{-1} \cdot 2 \cdot 10^-3 m \cdot 0,8 }} = \sqrt{ \dfrac{6,6}{400 \cdot 2 \cdot 10^{-7} \cdot 2 \cdot 0,8 }} = 227$$

227 Windungen - Hm, zu viel für den Innendurchmesser, aber vielleicht 
habe ich ja auch Glück und die relative Permeablität ist höher (vl. 2000 
wie im Paper?) bzw. ich bräuchte einfach einen passenderen Ringkern?

Wie kann auch realistisch auf den fließenden Strom kommen? 
Übersetzungsverhältnis jetzt "einfach" 1:5? Wären dann ja

$$L_{pri} = L_{sec} \cdot {\dfrac{N_{pri}}{N_{sec}}}^2 = 6,6 mH / 25 = 264 \mu H$$

. Wie geht es da weiter? Mit

$$L \cdot I = U \cdot t$$

 kann ich jetzt ausrechnen, was für ein Strom nach t=1/40kHz/2 bei 
U=3,3V anliegt:

$$I = \dfrac{U \cdot t}{L} = \dfrac{3,3V \cdot 12,5 \cdot 10^{-6}s}{264 \cdot 10^{-6} H} = 0,15625 A$$

Da käme ich also auf 156,25 mA. Wie weiß ich jetzt, dass das den 
Sättigungsstrom nicht übersteigt?

Würde mich freuen wenn jemand mit Erfahrung mal drüberschaut, ob ich 
mich bis jetzt gänzlich vergaloppiert habe bzw. das Pferd von hinten 
aufzäume.

Viele Grüße
Robert

[Ulrich (Gast)]

Das mit der Induktivität sollte so etwa hinkommen. Um es genauer hin zu 
bekommen müsste man auch ggf. schon die Eigenkapazität des Trafo-ESBs 
berücksichtigen. Auch der Piezo verhält sich bei der Resonanz nicht mehr 
so ganz wie ein einfacher Kondensator. Für den genauen Abgleich kann man 
später immer noch ein paar Kapazitäten addieren.

Der Einwand von Helge A, mit dem nicht Dauerbetrieb ist nicht von der 
Hand zu weisen: für eine gute Erkennung des Pulses kommt es auf eine 
Steile Flanke am Anfang des Schwingungspaketes an. Da ist eine 
zusätzliche Resonanz in der Schaltung sogar eher noch hinderlich - 
zumindest sollte die Güte deutlich kleiner sein als die des 
Sende-piezos. Ob da dann noch ein resonanter Betrieb gewünscht ist, ist 
nicht klar.  Es kommt dann auch noch etwas darauf an wie die Auswertung 
erfolgt.

Das µ_r vom Ferriten hängt stark vom Typ ab - mit raten wird es da 
schwer. Ggf. verändert auch noch die Windung das µ_r (über die Inverse 
Magnetostriktion). Bei Kernen mit großem µ kann das eine deutliche 
Reduzierung der Induktivität geben.

[Robert B. (robertb)]

Hallo!

In der Tat konnte ich keine Ringkerne finden wo ich ansatzweise die 
Kenndaten abschätzen kann. Zudem habe nur 0,1mm Kupferlackdraht da, der 
wohl zu dünn sein dürfte. Daher würde ich jetzt eh eine Bestellung 
machen:

Bei Reichelt hatte ich jetzt Ringkerne von Amidon gefunden mit R=12.7 
und r=R/2 und u_r von 125, 850 oder 2000. Die 2000er hat ein Al von 
1100nH/Windung^2, also ca. 75 Windungen.

Bei Voelkner hatte ich dann aber noch Ringkerne mit u_r von 5000 bzw. 
12000 gefunden.

Nachdem ich jetzt gelesen habe, dass für solche Anwendungen ein hoher 
u_r zuträglich ist würde mich jetzt interessieren wo da die Grenze ist. 
Zudem werden natürlich die Windungen auch weniger, was auf der 
Primärseite irgendwann zu nur noch 5 Windungen führen könnte.

Lackdraht würde ich jetzt 0,15mm für die Primär- und 0,2/0,22mmm für die 
Sekundärseite nehmen.

Angehangen habe ich mal ein LTspice-Simulation. Die Resonanz ist denke 
ich schon angebracht, da sonst die Sache nicht stabil bei 40 kHz 
schwingt trotz entsprechender Anregung. Ich habe mal 100kOhm zur 
Dämpfung parallel geschaltet. Da ich nur das erste Eintreffen des 
Wellenpakets detektieren muss sollte das hoffentlich auch nicht so 
kritisch sein.

Was ich nicht verstehe: direkt mit der steigenden Flanke der oberen oder 
unteren Ansteuerung kriege ich im jeweiligen Primärzweig eine 
Stromspitze, die gar nicht mit dem theoretisch zu erwartenden langsamen 
hochlaufen aufgrund der Spule erklärbar ist!? Es ist nicht das Umladen 
der Gate-Kapazität und die Spule ist ideal ohne parasitäre Kapazität!?

Viele Grüße
Robert

[Thomas L. (ics1702)]

Es gibt auch wasserdichte US-Sender/Empfänger, die solltest Du 
vielleicht verwenden.
und hast Du schon mal ausprobiert, ob das überhaupt in einem KG Rohr 
funktioniert ?

Gruß Thomas

[Georg G. (df2au)]

Thomas L. schrieb:
> wasserdichte US-Sender/Empfänger

Ebay oder Schrottplatz, Sensoren einer Einparkhilfe für Autos.