Driver ultrasónico multifrecuencia con escáner de frecuencia de resonancia

El desarrollo de este driver ultrasónico multifrecuencia partió de la necesidad de crear una solución complementaria a los modelos ya usados con alimentación por baterías de 12 V y 48 V, agregando una versión alimentada directamente desde la red de 220 V y capaz de operar con transductores ultrasónicos de distintas frecuencias.

Además de operar a frecuencia fija, el equipo debía hacer un barrido automático de frecuencia, identificar la región de resonancia del conjunto y reajustar periódicamente la operación para mantener el mejor desempeño posible.

Operación en distintas frecuencias ultrasónicas

El proyecto se pensó para permitir el uso de transductores en distintas bandas de frecuencia, incluidas aplicaciones en aproximadamente 28 kHz y 40 kHz.

Esta característica exigió que la etapa de potencia y, sobre todo, el circuito de salida se dimensionaran de modo que el mismo concepto de hardware pudiera atender distintas configuraciones de transductor.

La primera versión se diseñó para aproximadamente 100 W de potencia. Sin embargo, en los ensayos verificamos que la etapa con IGBT trabajaba con un amplio margen térmico y mostraba poca elevación de temperatura incluso en operación continua.

Eso permitió evolucionar el proyecto hacia una versión de aproximadamente 600 W, lo que exigió un nuevo dimensionamiento de los transformadores y del circuito de salida.

Cómo encuentra la resonancia el driver ultrasónico multifrecuencia

Una de las principales características del driver ultrasónico multifrecuencia es su capacidad de encontrar automáticamente la región de mejor operación del transductor.

El driver hace un barrido por una banda de frecuencias mientras monitorea eléctricamente la etapa de potencia. A partir de esas mediciones, el sistema identifica la condición asociada a la resonancia del conjunto y elige la frecuencia de operación correspondiente.

Después de cierto tiempo de funcionamiento, la búsqueda puede repetirse.

Este proceso es importante porque la frecuencia de resonancia de un conjunto ultrasónico no es necesariamente una condición totalmente fija. Puede cambiar según el transductor, la instalación, la carga mecánica, la temperatura y las condiciones de operación.

Con la búsqueda periódica, el equipo puede reajustar su frecuencia sin depender de un valor fijo definido solo durante la fabricación.

El desafío de la etapa de potencia

Pasar de aproximadamente 100 W a la franja de 600 W no significó simplemente usar semiconductores de mayor capacidad.

Una parte importante del desarrollo estuvo en el dimensionamiento de los transformadores, el disparo de los IGBT y el circuito de salida.

La conmutación electrónica produce naturalmente una forma de onda rica en armónicos. Sin embargo, no es deseable transferir indiscriminadamente ese contenido al conjunto de transductores.

Por eso, el diseño de la etapa de salida debe considerar la interacción entre la conmutación, el transformador, la inductancia, la capacitancia y la propia impedancia que presenta el transductor en la región de resonancia.

El filtro de salida tuvo, por lo tanto, un papel fundamental en el desempeño del equipo, reduciendo los componentes indeseados de la forma de onda antes de aplicarla al transductor.

Control térmico y protecciones

Como es un equipo de potencia pensado para operar por períodos prolongados, el proyecto también incorporó recursos de protección y monitoreo.

Entre ellos están la medición de temperatura, la supervisión de las condiciones eléctricas y mecanismos para impedir que una condición anormal siga aplicada a la etapa de potencia.

Las mediciones hechas en las pruebas también sirvieron para verificar el comportamiento térmico del conjunto. Aun trabajando con una potencia importante, la etapa de semiconductores mostró un margen térmico adecuado, resultado del dimensionamiento del circuito y del disipador.

Resultado en campo

Más adelante, el equipo pasó a producirse en cantidad y mostró un bajo índice de devoluciones de campo.

Después de la fase inicial de desarrollo y de los ajustes en la etapa de potencia, los transformadores y el filtro de salida, no fue necesario un nuevo rediseño importante para corregir problemas recurrentes de operación.

Este resultado fue especialmente importante en este proyecto: además de alcanzar la potencia y los modos de operación deseados, el equipo demostró la robustez necesaria para el uso continuo.

Desarrollo de electrónica de potencia para ultrasonido

Los proyectos de driver ultrasónico multifrecuencia combinan distintas áreas de la ingeniería electrónica: electrónica de potencia, control, magnetismo, adquisición de señales, diseño térmico y caracterización de la carga.

ECK desarrolla hardware y firmware para equipos electrónicos industriales, desde la definición de la arquitectura y las etapas de potencia hasta los prototipos, las pruebas y la preparación para producción. Vea también otros proyectos de ingeniería electrónica desarrollados por ECK.