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(プリント基板組立て)

 汎用に使える(はずの)超音波振動子の実験用(駆動)電源について、簡単な予備実験を終え回路を決めてぼちぼちと製作にかかりました。
 発振/整形部と終段は別々にして2枚の基板構成として、今回はプリント基板の製作と組み立て及びバラックでの作動確認までを行いました。大きなトラブルもなく作動しそうです。
  Ultrasonic Power Supply_OSC Assy and Output Assy


1.プリント基板製作
  基板は発振/整形部と終段の2枚に分けることで、必要時に終段のみを交換することも出来るようにしました。またせっかくなので基板パターンを起しました。
  Ultrasonic Power Supply_Make PCBs


2.プリント基板組立て
 (1) 発振部
   基板上には秋月のLTC1799発振モジュールと2個のTTLロジックICが載っています。
  Ultrasonic Power Supply_OSC Assy  Ultrasonic Power Supply_LTC1799 Module

   LTC1799モジュールは外付け抵抗切り替えで、3バンド(40kHz、38kHz及び28kHz)の選択を可能としています。また外部可変抵抗(10回転ポテンショ)で各バンド毎に1~2kHz程度の微調が可能となるはずです。
   TTLロジックIC(SN74AS02とSN74HS14)は波形整形(位相反転と遅延)用で、2個の半固定抵抗でDead Timeの調整をします。終段のMOSFETの特性によって適当なDead Timeに調整することになりますが、適当の度合いがよくわかりません。今回使用したRFP30N06LEの定格(ターンオフ遅延Td(off)=30ns、下降時間(Tf)=40ns)から、取り敢えず十分な余裕を見て1μsでよいかな。

 (2) 終段部
   マッチングトランスに使用したコアはPC40材で、超音波レコード洗浄器の製作で使用したものと同じですが、若干巻数を変更してあります。巻数はmomose氏の記事「簡易DC-DCコンバータ設計」を参考にさせて頂きました。ありがとうございます。
  Ultrasonic Power Supply_Output Assy

   MOSFETはRFP30N06LEを使用します。超音波レコード洗浄器でも当初使用していた2SK3140から交換しましたが、作動時の発熱が段違いに少ないです。ON抵抗は2SK3140の方が少ないくらいなのですが、ターンオフ時間が非常に長いことが影響しているのかな?今回は共振周波数で連続作動させることを考えて、ヒートシンクはチョッピリ大きめとしました。

 (3) 発信部と終段部は2枚の基板に分けましたが、部品数も少なく回路も簡単なので1枚にまとめた方がコンパクトに仕上がったかなと反省しています。
  Ultrasonic Power Supply_OSC Assy and Output Assy with Schematic


3.作動確認
  バラックの状態で簡単な作動確認を行いました。

 (1) 発振部
   最初にLTC1799の発振周波数のチェックと調整を行います。各バンド毎に10回転ポテンショの中央位置で、各々40.0kHz、38.0kHz、28.0kHzとなるように半固定抵抗を調整しました。その結果、周波数可変範囲は次のとおりとなりました。
     ・40kHzバンド :39.22~40.76kHz
     ・38kHzバンド :37.26~38.64kHz
     ・28Khzバンド :27.55~28.41kHz
   Dead Timeの調整はCR遅延回路の2個の半固定抵抗で行い、出力波形をオシロで見ながら1.0μsに設定しました。
  Ultrasonic Power Supply_Setting of Dead Time 1us

 (2) 終段部
   終段部は調整箇所はありません。

 (3) 組合せ
   発振部と終段を繋ぎ、負荷には40kHz型超音波振動子(プラ容器の水に浸した状態)を接続して外部電源からDC12Vを給電しました。
  Ultrasonic Power Supply_Outview of OperationTest

   タイマー機能はないのでRUNスイッチで直ぐに振動子がドライブされ、高域可聴音が聞こえてきました。無事に作動しています。
   外部電源の電流計を見ながら周波数調整つまみを回していくと、電流値が最大となるピーク点が見つかります。ここが振動子の共振周波数で振動出力レベルが最大となる所です。オシロの表示では39.85kHzと定格値よりも少し低いようです。同調ポイントはシャープですが10回転ポテンショのおかげで調整は楽です。
   振動子を容器の底から離したり水から出すと、同調点が微妙にずれます。

   電源電圧DC12Vで電流は3.6A流れており、トランス損失を考慮しなければ振動子入力電力は43.2Wとなります。電圧を上げすぎるとオーバーパワーとなりそうで、様子を見ながら電圧を上げていく必要があります。

   最後に、振動子の放射面にアルミホイルを置いて穴明きの状況を見てみました。
  Ultrasonic Power Supply_PCB Assys and Trasnducer at Test
   上の写真は1分後の状況ですが、跡形もなくボロボロになっています。共振点ドライブの威力は凄いです。しかし単一周波数では定在波や洗浄物の共振破損が避けられず、超音波洗浄目的では必ずしもベストではありません。


4.次は全体組立て
  基板レベルで作動することが確認できたので、他の周辺回路も含めてケースに組込もうと思います。追加する周辺回路は、発振周波数を読むための簡単な周波数カウンタと電流計測用のアナログメータを考えています。先ずはケースを買ってこなくては。

  この実験中に、ニャンコ様が作業部屋の入り口でイヤな顔をして立ち止まっていました。いつもなら部屋に入り浸って足下でゴロゴロしているのですが、どうやら耳障りな超音波がお気に召さないようです。(ニャンコは数十kHzは余裕で聞こえるようです)
  無理矢理つかまえて振動子に近づけると、フゥーッ!と本気で怒って逃げて行ってしまいました。煮干しをあげるからゴキゲン直してね。

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