nobuの雑記帳「+バイアスを少し」

近頃なぜか真空管や電子工作に興味を持ちだし、日常生活に少しの刺激と楽しみをプラスしようと、凝り固まった頭の体操も兼ねてこの雑記帳を綴ることにしました。
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超音波レコード洗浄器の試作(少し計測)

 最後の工作であるレコード回転部に取りかかれない(モータが来ない)ので、時間潰しと製作記録も兼ねて少しばかり計測を行いました。
  (1) 振動子の共振周波数
  (2) 発振部(ドライバ)終段MOSFETの波形
  (3) 振動子の端子波形
  Ultrasonic_Measure the signal waveform of PCB



1.振動子の共振周波数
  振動子単体の共振周波数は、超音波レコード洗浄器の試作(発振部)の記事(追記)でも触れましたが、今回は改めて洗浄槽に取り付けた状態で計測してみました。
  Ultrasonic_Measure resonance freq of transducer mounted  Ultrasonic_Measure resonance freq of transducer in water

 (1) 計測方法
   計測方法は全く我流で、グラフ中に示すように振動子と直列に入れた220Ω抵抗の両端電圧を計測するというものです。本来ならネットワークアナライザを使って計測すべきですが、そんなもの持っていません。よって参考程度に見て下さい。

 (2) 計測結果
   振動子を洗浄槽に取り付けた状態で、洗浄液(水)がない状態とある状態での計測です。結果はグラフに示すとおりですが、水の有無に関係なく洗浄槽に取り付けると、単体時より共振周波数がわずかに下がるようです。データから39.6kHzと読み取りましたが、計測ステップが400Hzなのでもう少し分解能を上げないと正確ではありません。
  Ultrasonic_Resonance freq of Transducer mounted_Graph

   水を入れても共振周波数に変化がないことは、単体計測時と比べても一寸意外でした。おそらく今回の事例のような取付けでは共振周波数に大きな変化はないのでしょう。


2.終段MOSFETの波形
  MOSFETの波形を計測しました。出力段の基本回路は下図のとおりPP構成となっています。なお、計測時は水が入ったプラ容器に振動子の頭を浸けた状態です。
  Ultrasonic_Final stage circuit  Ultrasonic_Measure the signal waveform of PCB 2

 (1) MOSFETゲート
   一般に、MOSFETのDに接続されたインダクタンス(トランス)によるサージは、GD間容量を介してGにスパイクとして現れます。MOSFETのGはPIC出力ピンに接続されているため、両者の保護のためにGにはパラにツェナーダイオードが入っています。
   下の画像はMOSFETのG信号の一例です。最大電圧は4.96Vなので高電圧スパイクは旨くクランプされています。
  Ultrasonic_Waveform of MOSFET G at Wide sweep mode

   ちなみに両方のMOSFETのゲート波形を比べると、共にOFFの時間が約4μSあり、これはDead Timeと言って両方が完全にOFFになってから一方をONとするために必要な時間です。

 (2) MOSFETドレイン
   相方のMOSFETがONになると電源電圧×2倍の電圧がD-S間にかかり、さらにインダクタ(トランス)によるサージが発生するとより高い電圧が生じる可能性があります。
   左の画像は電源電圧12VでのD-S間波形で、平均値はきちんと24.0Vになっています。またピーク値は25.2Vと大したことはなく、MOSFET(2SK3140)はブレークダウン電圧BVDSS=60Vなのでセーフです。しかし右の画像のように時々鋭いスパイクノイズが見られ、その値は約80Vにも達しています。2SK3140にとってはたまりません。
  Ultrasonic_Waveform of MOSFET D-S  Ultrasonic_Waveform of MOSFET D-S_Spike noise

   本来はRFP30N06LEを使用するつもりで発注済みですが、何時までたっても到着しません。RFP30N06LEは過電圧保護型でD-S間にツェナーダイオードを内蔵しており、BVDSS=60Vを超える電圧をクランプするので、今回のようなスイッチング回路に使用するには使い易いと思います(素人判断ですが)。


3.振動子の端子波形
  作動時の振動子端子波形を計測しました。スパイク電圧が数百V以上となるとプローブを壊しかねないので、分圧抵抗(1M+100k→約0.09)を入れて計測しました。ついでに、電源電圧を定格のDC12Vと気合いを入れて16Vに上げた場合の変化も見てみました。

 (1) 電源電圧=定格12V
   次の画像は振動子の印加波形ですが、尖頭値で298Vp-p(26.8÷0.09)、実効値で117Vrms(10.55÷0.09)です。極端に大きなサージの発生は認められません。
  Ultrasonic_Waveform of Transducer at 12V

 (2) 電源電圧=16V
   次の画像から尖頭値で429Vp-p(38.6÷0.09)、実効値で159Vrms(13.92÷0.09)で、電源電圧アップにともなって出力電圧も上昇しています。こちらも同様に極端に大きなサージの発生は認められません。出力電圧の上昇は音響出力に直結するので、MOSFETが耐えてくれれば16Vで使いたいものです。
  Ultrasonic_Waveform of Transducer at 16V

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