Drive ultrassônico multifrequencial com scanner de frequência de ressonância

O desenvolvimento deste drive ultrassônico multifrequencial partiu da necessidade de criar uma solução complementar aos modelos já utilizados com alimentação por baterias de 12 V e 48 V, acrescentando uma versão alimentada diretamente pela rede de 220 V, capaz de operar com diferentes frequências de transdutores ultrassônicos.

Além da operação em frequência fixa, o equipamento deveria realizar a varredura automática de frequência, identificar a região de ressonância do conjunto e reajustar periodicamente a operação para manter o melhor desempenho possível.

Operação em diferentes frequências ultrassônicas

O projeto foi concebido para permitir a utilização de transdutores em diferentes faixas de frequência, incluindo aplicações em aproximadamente 28 kHz e 40 kHz.

Essa característica exigiu que o estágio de potência e, principalmente, o circuito de saída fossem dimensionados de maneira que o mesmo conceito de hardware pudesse atender diferentes configurações de transdutor.

A primeira versão foi projetada para aproximadamente 100 W de potência. Durante os ensaios, entretanto, verificamos que o estágio com IGBTs trabalhava com ampla margem térmica, apresentando baixa elevação de temperatura mesmo em operação contínua.

Isso permitiu evoluir o projeto para uma versão de aproximadamente 600 W, exigindo um novo dimensionamento dos transformadores e do circuito de saída.

Como o drive ultrassônico multifrequencial encontra a ressonância

Uma das principais características do drive ultrassônico multifrequencial é a capacidade de encontrar automaticamente a região de melhor operação do transdutor.

O drive realiza uma varredura por uma faixa de frequências enquanto monitora eletricamente o estágio de potência. A partir dessas medições, o sistema identifica a condição associada à ressonância do conjunto e seleciona a frequência de operação correspondente.

Depois de determinado período de funcionamento, a busca pode ser executada novamente.

Esse processo é importante porque a frequência de ressonância de um conjunto ultrassônico não é necessariamente uma condição absolutamente fixa. Ela pode sofrer alterações em função do transdutor, instalação, carga mecânica, temperatura e condições de operação.

Com a busca periódica, o equipamento pode reajustar sua frequência sem depender de um valor fixo definido apenas durante a fabricação.

O desafio do estágio de potência

Aumentar a potência de aproximadamente 100 W para a faixa de 600 W não significou simplesmente utilizar semicondutores de maior capacidade.

Uma parte importante do desenvolvimento esteve no dimensionamento dos transformadores, acionamento dos IGBTs e circuito de saída.

O chaveamento eletrônico produz naturalmente uma forma de onda rica em componentes harmônicas. Entretanto, não é desejável transferir indiscriminadamente esse conteúdo para o conjunto de transdutores.

Por isso, o projeto do estágio de saída precisa considerar a interação entre chaveamento, transformador, indutância, capacitância e a própria impedância apresentada pelo transdutor na região de ressonância.

O filtro de saída teve, portanto, papel fundamental no desempenho do equipamento, reduzindo os componentes indesejados da forma de onda antes da aplicação ao transdutor.

Controle térmico e proteções

Por se tratar de um equipamento de potência destinado a operação prolongada, o projeto também incorporou recursos de proteção e monitoramento.

Entre eles estão a medição de temperatura, supervisão das condições elétricas e mecanismos destinados a impedir que uma condição anormal permaneça aplicada ao estágio de potência.

As medições realizadas durante os testes também foram úteis para verificar o comportamento térmico do conjunto. Mesmo trabalhando com potência significativa, o estágio de semicondutores apresentou margem térmica adequada, resultado do dimensionamento do circuito e do dissipador.

Resultado em campo

O equipamento passou posteriormente a ser produzido em quantidade e apresentou baixo índice de retorno de campo.

Depois da fase inicial de desenvolvimento e dos ajustes no estágio de potência, transformadores e filtro de saída, não foi necessário promover um novo redesenho significativo para corrigir problemas recorrentes de operação.

Esse resultado foi particularmente importante neste projeto: além de atingir a potência e os modos de operação desejados, o equipamento demonstrou a robustez necessária para utilização contínua.

Desenvolvimento de eletrônica de potência para ultrassom

Projetos de drive ultrassônico multifrequencial combinam diferentes áreas da engenharia eletrônica: eletrônica de potência, controle, magnetismo, aquisição de sinais, projeto térmico e caracterização da carga.

A ECK desenvolve hardware e firmware para equipamentos eletrônicos industriais, desde a definição da arquitetura e dos estágios de potência até os protótipos, testes e preparação para produção. Veja também outros projetos de engenharia eletrônica desenvolvidos pela ECK.