¿Aumentar 5V/2A a +70/-70V para los raíles de los amplificadores operacionales?

Question

Estoy tratando de accionar un "tweeter" ultrasónico para un proyecto de investigación de un wearable. En comparación con un altavoz normal, el tweeter tiene una impedancia muy alta, más de 4kohm. Como resultado, requiere un voltaje muy alto para producir una potencia apreciable, pero el consumo de corriente RMS es de unos pocos mA por tweeter como máximo. He estado usando el op-amp LTC6090, que acepta hasta +/-70V en los rieles y funciona muy bien con las frecuencias que me interesan.

Hasta ahora he estado usando una combinación de un regulador de voltaje de 12V y un doblador de voltaje LT1054 para producir +/-22V en los rieles, pero me gustaría hacerlo mejor si es posible. Parece que hay un mundo de opciones por ahí, pero aquí están algunos que estoy considerando:

1. Usa el LT8331 para producir un voltaje alrededor de 135V usando la nota de aplicación en la página 22 de su hoja de datos, entonces usa algo como esto Convertidor de CC unipolar a bipolar con algunos BJTs de alta resistencia para convertir esto en +/-65V. ¿O podría poner 0/135V en los raíles y polarizar la señal de 5V con un divisor de tensión?

2. Utilice el regulador flyback LM2587 en una configuración similar a la mostrada para producir +/-70V. Este parece viable, ya que la tensión de salida máxima anunciada es de 60V, pero no estoy seguro de si podría simplemente cambiar los valores de los componentes aquí para producir una tensión de salida más alta.

3. Utiliza un LT1054 para convertir +5V en +/-10V y luego convertirlos en +/-70V con dos circuitos integrados de refuerzo separados.

Para algunos de ellos, podría necesitar potenciar en varias etapas; tengo un regulador de 5->35V que puedo usar como entrada a otra etapa. Esto puede ser ineficiente, pero mi aplicación no es de gran potencia, requiere muy poca corriente, y es sobre todo una prueba de concepto, por lo que esto no es un problema para mí en este momento.

Esencialmente, me gustaría saber cuál es la mejor manera de hacerlo. Es poco probable que sea la primera persona que se enfrenta a este problema y me gustaría intentar evitar la visión de túnel o reinventar la rueda de formas que probablemente sean ineficientes, poco fiables o peligrosas. Agradecería cualquier idea, desde consejos de diseño de alto nivel hasta componentes o topologías específicas que pudieran ser útiles.

Soy nuevo en este stackexchange así que por favor perdona la falta de enlaces a las hojas de datos de los componentes, no tengo suficiente reputación para publicarlos.

Answer 1

Yo recomendaría encarecidamente no intentar ningún tipo de transformador de salida de audio para aumentar la salida del amplificador óptico como se está sugiriendo en los comentarios. No me malinterpretes, es una técnica perfectamente válida y de uso frecuente. En realidad, es sólo un tipo de adaptación de impedancia, y los transformadores de adaptación de impedancia funcionan muy bien para esto, y permiten que los amplificadores de baja impedancia conduzcan bobinas de voz de impedancia mucho más alta, aumentando efectivamente la forma de onda de salida.

El problema es que nada de eso funciona en tu aplicación porque no estás manejando una bobina de voz, estás manejando un transductor ultrasónico piezoeléctrico.

Esta es una distinción bastante importante que debe conocer, porque muchas de las técnicas normales que funcionan para impulsar a los altavoces tradicionales no son aplicables a su situación. Las bobinas de voz se desvían por el flujo de corriente y su impedancia es de naturaleza resistiva e inductiva. Su transductor ultrasónico no es nada de eso. Su impedancia es totalmente capacitivo y circuito abierto a CC. Se acciona por diferencia de carga entre sus placas, no por corriente. Así que, efectivamente, es desviado por el voltaje directamente. En realidad, necesita la polaridad, y el acoplamiento a través de un transformador hará que la pierda, por lo que también tendrá que utilizar una etapa de rectificación sincrónica para restaurar la polaridad en la salida del transformador. Esto no es un problema si se trata de manejar altavoces, pero es importante con este tipo de carga. Tienes que conducirla tirando directamente de la carga de la placa hacia fuera o hacia dentro, y la forma en que debes hacer esto es la forma en que estabas planeando hacerlo desde el principio.

Sin embargo, tienes un par de opciones:

1. Puede utilizar un amplificador operacional de alto voltaje con carriles de alimentación anchos, O
2. Utilice un amplificador óptico de bajo voltaje que controle la etapa de salida en contrafase ligada a raíles de alto voltaje.

Creo que el 1 va a tener el mejor rendimiento además de ser más sencillo y fácil, sobre todo teniendo en cuenta la naturaleza de las señales con las que vas a trabajar. Los chips, los clics, y otras cosas diversas necesitan ser amplificadas y (al menos, yo asumiría) con una distorsión mínima. La opción 2 es realmente sólo cuando se necesita el rendimiento que sólo se puede encontrar en un amplificador de operación de menor voltaje, pero ya que hay un amplificador de operación que está diseñado específicamente para su aplicación (entre otros) y estamos realmente sólo hablando de tal vez 80kHz como máximo, no veo una razón para intentar la opción 2. Sugiero la opción 1. El LTC6090 funciona muy bien para la cosa exacta para la que necesitas usarlo. Hasta el área de la almohadilla térmica, todo está previsto.

En cuanto a la obtención de los raíles, la hoja de datos del LTC6090 contiene en realidad un par de esquemas dedicados enteramente a producir raíles de ±65V o ±70V para él. Puedes usarlos o no, pero la topología es el punto. En mi opinión, un convertidor flyback es definitivamente su mejor apuesta. 5V a 70V es realmente una relación demasiado alta para un convertidor boost. El LTC8331 es una gran pieza, y probablemente puede hacer 135V a partir de 5V, pero no será eficiente ni bonito. Y no creo que los inductores de derivación estén disponibles para hacer la tierra virtual. Será más simple, más barato y mucho más práctico usar simplemente un convertidor flyback con dos bobinas de salida.

No te sientas intimidado por los convertidores flyback: no son más que convertidores buck boost invertidos. No es una broma. Mira los circuitos. Son el mismo circuito, el mismo convertidor, la misma cosa. La única diferencia es que el flyback tiene dos o más bobinas en el mismo núcleo para su inductor. Y el diodo puede ser de una forma u otra dependiendo de la polaridad que quieras. Honestamente, yo recomendaría simplemente usar el LTC3411 como se sugiere en la hoja de datos del LTC6090. Sin embargo, es posible que quieras más corriente, que es para lo que sirve el LTC3412 - es sólo un LTC3411 con el doble de capacidad de corriente. Desgraciadamente, es probable que debas optar por el transformador Würth, algo caro (6 dólares en cantidades individuales), que Linear sugiere en su hoja de datos. Los transformadores Flyback no necesitan realmente un transformador adecuado y sólo un inductor acoplado, pero hay pocos inductores acoplados con 3 devanados, y dudo que alguno de ellos esté clasificado para 100+V (quieres algo de margen). El transformador Würth es pequeño, de montaje superficial, y puede soportar con seguridad 150V en cada devanado secundario. No te puedes equivocar con Würth, pero te harán pagar por el privilegio.

Sé que probablemente quieres mantener la lista de materiales baja, pero créeme, valdrá la pena el tiempo ahorrado y la falta de dolores de cabeza y complicaciones para simplemente "copiar y pegar" un esquema de aplicación de un convertidor como el LTC3411/2. Las piezas de conmutación de Linear son también las mejores y más fáciles de usar (y también las más caras, tristemente) y suelo sugerir que se empiece con una pieza lineal. Una vez que tengas más experiencia y te sientas cómodo con los convertidores de conmutación, TI también es bueno y mucho más barato, aunque a menudo no será tan fácil de usar.

Deberías preocuparte de esos chirridos ultrasónicos y de lo que no, creo que esta es una de esas situaciones en las que tiene sentido pagar un poco más para no tener que lidiar con la fuente de alimentación y así poder ocuparte de lo que realmente estás haciendo. Si puedes, coge ese transformador Würth, sigue el esquema de la página 22 del LTC3412 hoja de datos, o hay una tabla de transformadores y sus salidas potenciales en la página 10. El circuito funcionará bien con una entrada de 5V, pero con una potencia de salida reducida, sólo tiene que ajustar el divisor EVLO para 5V (o simplemente atarlo directamente a VIN).