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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超音波振動子の実験用電源(計画と実験)

 超音波レコード洗浄器の試作で経験した諸々を忘れないうちに、汎用に使える超音波振動子実験用(駆動)電源を製作してみようと思います。特に必要性がある訳ではありませんが、今後何かの機会にまた超音波振動子を触る機会があれば、実験用に便利かなと思います。
 凝ったものはできないので、単に発振周波数(超音波)で振動子をドライブするだけの簡単な電源装置です。回路の検討と簡単な予備実験を行いました。
  Ultrasonic Power Supply_View of test for wave shaping by NAND


1.計画
  40kHz以外の超音波振動子にも対応でき、手動で振動子の共振周波数に同調できるものを考えます。

 (1) 期待仕様
    周波数 :40kHz/38kHz/28kHz切替え、各バンドで約±1kHz手動可変
    出力  :ピーク50W程度(振動子入力)
    電源  :DC20V以下

 (2) 対象振動子
   対象とする超音波振動子は、手持ちの40kHz型に加えて38KHzと28kHz型にも対応できるようにします。28KHz型は周波数が低い分バブルサイズが大きくて、機械部品等の頑固な汚れに威力を発揮しそうです。その他25kHzや42kHz等もあるようです。

 (3) 電源(駆動)部
   振動子をドライブする電源は発振、整形及び出力の3つの回路で構成します。
   発振は、デューティ50%のTTLレベル方形波が出力でき、そこそこの周波数安定度があればOKで、振動子の共振周波数に同調させるために各バンドで±1kHz程度の微調が必要です。専用ICやオペアンプで簡単に済ませるつもりです。
   出力段は、先の超音波レコード洗浄器と同じようにMOSFETのPP構成とし、マッチングトランス経由で振動子をドライブします。トランスを無くすためにDC200V程度のブリッジ出力段も考えましたが、電源が大げさになるので却下しました。(AC100V直整流ならシンプルですが感電が怖いです)最大出力は数十W程度として、あまり高パワーは望みません。高パワーでは振動子のサージ電圧が大きくなり厄介です。
   発振と出力段との間に整形回路を入れて、PP用に位相反転すると共に2つのMOSFETの切替タイミング(Dead Time)を得ます。

 (4) メイン電源
   実験用なので外部電源を使用するか、手頃なACアダプタを探して出力電圧の改造を行うつもりです。


2.回路検討と実験
 (1) 発振
   簡単でそこそこ安定性がある発振回路は?っと考えても良いアイデアが浮かびません。DDSユニット+PIC又はAVRとすればスマートですが、プログラムを組むことを考えると二の足を踏んでしまいます。
   そこで秋月で扱っているLTC1799モジュール(1kHz~30MHz)を使うつもりです。外部抵抗のみで発信周波数を可変出来ます。450円と微妙なお値段ですがモジュール1個で済むのは手軽です。

 (2) 出力段
   MOSFETはRFP30N06LEを使用します。先日やっと手元に届きました。
  Ultrasonic Power Supply_MOSFET RFP30N06LE

   マッチングトランスは、先の超音波レコード洗浄器で使用したフェライトコアが余っているのでこれを使用しましたが、電源電圧を最大20V程度としたいので巻数を少し調整しました。出力段については改めて実験は要らないでしょう。
  Ultrasonic Power Supply_Outview of Trans Winding

 (3) 整形
   ここではPP終段に送るゲート信号の位相反転を行うと共に遅延をかけます。遅延をかけるのは、PPの両サイド(ハイサイドとローサイド)のMOSFETが同時にONになるのを防止するためで、両MOSFETが同時に完全OFFとなるDead Timeを設けます。
   Dead Timeはなるべく短く高精度で制御する必要がありそうですが、オーディオアンプでもないので歪みは問題にならないし、多少損失が発生してもMOSFETが壊れなければOKと気楽に考えます。専用ICや色々な方法があるようですが、ここではTTLロジック+CR遅延回路で簡単に済ませます。
   バーツボックスから拾い出してきた古のTTL IC(NANDゲートとNORゲート)を使用してブレッドボードで実験しました。写真ではシュミットトリガ(SN74HC14)も見えますが、だらけた波形を嫌って入れただけで本来は不要です。

   まずNANDゲートによる実験ですが、最初に無印SN7400を使用したところ波形崩れが大きかったためSN74AS00に交換しました。外部発振器から40kHz方形波を入力して出力波形をオシロで見ています。右画像の波形ではDead Timeを1μsに調整しましたが、CR遅延回路の半固定抵抗で調整が可能です。
  Ultrasonic Power Supply_Breaboard test for wave shaping by NAND  Ultrasonic Power Supply_Waveform of wave shaping by NAND 1

   次は同じ働きをNORゲート(SN74AS02)で構成したもので、右画像の一例ではDead Timeを2μsと設定しました。
   どちらの回路でも1μs程度のDead Timeは簡単に取れることがわかりました。
  Ultrasonic Power Supply_Breadboard test for wave shaping by NOR  Ultrasonic Power Supply_Waveform of wave shaping by NOR 1


3.次は
  部品を集めて基板に組んでみようと思います。
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