Analogtipp Ultraschallwandler: Wann ist welche Ansteuerung sinnvoll?

Autor / Redakteur: Mubina Toa * / Kristin Rinortner

Integrierte Ultraschall-SoCs verringern die Leiterplattenfläche insbesondere dann, wenn der Transformator entfällt. Welche Abwägungen müssen Sie bei der Wahl der Ansteuerung (Transformator-Ansteuerung oder direkte Ansteuerung) berücksichtigen?

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Bild 1: Größenvergleich der Referenzdesigns für die Ultraschall-Treiber-ICs TUSS4440 und TUS4470. Das obere Bild zeigt die Transformator-, das untere die direkte Ansteuerung.
Bild 1: Größenvergleich der Referenzdesigns für die Ultraschall-Treiber-ICs TUSS4440 und TUS4470. Das obere Bild zeigt die Transformator-, das untere die direkte Ansteuerung.
(Bild: Texas Instruments)

Integrierte Ultraschall-SoCs mit H-Brücken-Treiber und analogem Empfänger können die Leiterplattenfläche gegenüber diskreten Lösungen bis um den Faktor fünf verringern. Darüber hinaus ermöglicht der Verzicht auf einen Transformator noch kleinere Lösungen.

Allerdings sind bei der Entscheidung zwischen der direkten und der Transformator-Ansteuerung zahlreiche Abwägungen nötig, was die Abmessungen, die Kosten, die Reichweite, die verfügbaren Schallwandler-Frequenzen und den Stromverbrauch angeht.

Anforderungen an die Treiberspannung

Ultraschallwandler stellen unterschiedliche Anforderungen an die Treiberspannung, die zwischen wenigen Volt und einigen hundert Volt liegen kann. Bei Open-Face-Wandlern im Innenbereich sind Niedervolt-H-Brücken-Treiber die Regel, während bei Closed-Face-Wandlern im Outdoor-Einsatz meist Transformatortreiber verwendet werden. Grundsätzlich lassen sich auch Closed-Face-Wandler mit H-Brücken-Treibern kombinieren, jedoch geht dies zu Lasten der maximalen Reichweite.

Da ein Direct-Drive-System mit einem kleineren Ladekondensator auskommt, reduziert sich die Leiterplattenfläche zusätzlich. Deutlich wird der Größenunterschied (Bild 1) an den Referenzdesigns für die Bausteine TUSS4440 (Transformator-Ansteuerung) und TUSS4470 (Direktansteuerung).

Die Erfassungsbereiche im Vergleich

Bei der Direktansteuerung mit dem TUS4470 wird der Mindest-Erfassungsbereich von der langen, durch die Resonanz des Wandlers bedingten Abklingzeit eingeschränkt. Bei der Transformator-Ansteuerung mit dem TUSS4440 verkürzen dagegen die passiven Bauelemente parallel zum Transformator die Abklingzeit (Bild 2).

Bild 2: Abklingzeiten von TUSS4440 und TUS4470 (Transformator- bzw. direkte Ansteuerung) mit einem gängigen Schallwandler.
Bild 2: Abklingzeiten von TUSS4440 und TUS4470 (Transformator- bzw. direkte Ansteuerung) mit einem gängigen Schallwandler.
(Bild: Texas Instruments)

Der maximale Erfassungsbereich steht in direktem Zusammenhang mit der Zahl der vom Schallwandler ausgesendeten Impulse und mit seiner Ansteuerspannung. Bei der Transformator-Ansteuerung werden wegen der höheren Spannung Distanzen zwischen 5 und 10 m erfasst, während die Direktansteuerung für Entfernungen unter 5 m vorgesehen ist. Dank seines Predrive-Modus‘ kann der TUS4470 trotz Direktansteuerung Objekte in mehr als 5 m Entfernung detektieren, denn die Treiberspannung (und damit die Erfassungsdistanz) lässt sich mit externen FETs anheben.

Gemeinsam ist beiden Treiberbausteinen der integrierte logarithmische Verstärker, der die Empfindlichkeit bei schwachen Echosignalen erhöht, während umgekehrt eine Sättigung bei starken Echos verhindert wird. Damit sind große und kleine Objekte in unterschiedlichen Entfernungen detektierbar.

Höhere Wandlerfrequenzen verbessern die Auflösung, während sich der Erfassungsbereich wegen der zunehmenden Dämpfung in Luft verringert. Direct-Drive-Ultraschallsysteme eignen sich für Frequenzen bis 1 MHz, die Transformator-Ansteuerung dagegen nur für bis zu 400 kHz.

Wandlerfrequenz und Stromverbrauch

Wegen der Begrenzung des H-Brücken-Treibers auf 50 mA bei Direktansteuerung wird ein kleinerer Ladekondensator benötigt als bei der Transformator-Ansteuerung mit Strömen bis zu 500 mA. Da der größere Ladekondensator zwischen den Burst-Signalen aufgeladen werden muss, lassen sich die Intervalle zwischen den Bursts nicht beliebig verkleinern.

Fazit: Kommt es auf kleine Abmessungen und niedrige Systemkosten an, ist die mit dem TUS4470 mögliche Direktansteuerung Mittel der Wahl, während die Transformator-Ansteuerung mit dem TUSS4440 ihre Vorteile ausspielt, sobald die Anforderungen an den minimalen und maximalen Erfassungsbereich höher sind.

* Mubina Toa ist Ingenieurin für Produktmarketing in der „Sensing Group“ bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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