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(完成)

 なかなか工作時間がとれなくて遅くなってしまいましたが、昨年末にやっと組立が完了したので紹介いたします。
 前回組み立てた基板2枚と周辺回路をケースに組込み、超音波振動子実験用(駆動)電源として形になりました。何時ものように、廉価なケースに手持ち中古パーツを流用したため、チープな仕上がりです。
 使い物になるか否かは別にして、当初予定していた機能・性能は出ているようです。さあ、これを使って何をするのかな?
  Ultrasonic Power Supply_Front view


1.周辺回路
 (1) 周波数カウンタ
   PICによる簡単な周波数カウンタで、8文字×2行のキャラクタLCDに発振周波数を表示します。
  Ultrasonic Power Supply_Freq counter unit  Ultrasonic Power Supply_Freq counter unit indication

   LTC1799発振モジュールの方形波出力を直接入力しているので、周波数カウンタ回路はPICと水晶発振器だけの簡単な構成となります。ユニバーサル基板の切れ端に組んで、LCDモジュールに背負わせました。
   ゲートタイムが1Sなのでツマミの回転に表示が追いつかず、少し見にくいですが、まあ目安表示と言うことでガマンしましょう。

 (2) 電圧、電流計
   秋月の100μAアナログ電流計を使用し、フルスケール25V/5Aの電圧計/電流計として切り替えて表示します。
  Ultrasonic Power Supply_100uA meter and scale label  Ultrasonic Power Supply_100uA meter with new label
  Ultrasonic Power Supply_Meter with new label

   目盛板はDRAWソフトで作成して貼り付けました。終段の電源電圧と電流を表示するためのもので、電流計は周波数調整ツマミで同調点を探るのに不可欠です。デジタル電圧/電流計の方が簡単ですが、手動同調ツマミの操作にはやはりアナログメータが良いですね。

 (3) 電源
   元はDC15V 5AのACアダプタでしたが、内部の電圧設定抵抗を外出しにして約10~20Vを可変出来るように改造し、終段用電源として利用しました。
  Ultrasonic Power Supply_AC adapter modified  Ultrasonic Power Supply_AC adapter reassemble

  Ultrasonic Power Supply_AC adapter output test

   改造要領は過去事例と同じです。制御用ICとしてDAS001が使用されていましたが、電圧設定抵抗の場所が分かり難く(パターンが見難いうえに抵抗値表示が意味不明な記号)、特定するのに難儀しました。対象のチップ抵抗を取り外し、外部にリード線(ノイズ対策のシールド線)を引き出して可変抵抗を接続しています。
   改造後の作動は電子負荷装置で確認しましたが、DC20Vで5A流すと0.9V程度の電圧降下が生じるものの、発熱や作動状態に問題はなく今回の目的には十分でしょう。
   なお、発振部や周波数カウンタのDC5V電源は、別の小型スイッチング電源を使用しています。


2.ケース組込み
  完成した姿は次の写真のとおりです。
  Ultrasonic Power Supply_Open top-left view  Ultrasonic Power Supply_Open top view
  Ultrasonic Power Supply_Open top-rear view  Ultrasonic Power Supply_Open front view

  正面パネルの右側には電圧/電流メータが居座っており、その左側には周波数表示LCDが、更にその下には電圧調整、バンド切替、周波数調整のツマミがあります。周波数調整ツマミは当初1kΩの10回転ポテンショを使用していましたが、周波数変化が間怠っこしいのと可変範囲を広く取るために2kΩの通常型ボリュームに代えました。
  超音波振動子への出力端子はメータ下部に設けましたが、ここは高電圧がかかるので注意が必要です。我が家では私以外使うことはないのでOKでしょう。背面はAC100V入力ジャックとヒューズのみです。
  内部は、ACアダプタや各基板を組込んでさほど窮屈ではありませんが、ACアダプタが思った以上に大きくて、取り付け位置が限られてしまいました。


3.試しに使ってみました
  超音波振動子(40kHz)を本器に繋ぎ、動かしてみました。
  Ultrasonic Power Supply_Freq tuning

  電源電圧をDC15Vに設定し、LCD表示を見ながら発振周波数を40.0kHzに合わせます。この状態でSTARTスイッチをRUNにすると振動子がドライブされ、発信音(低調波等の可聴音)が聞こえてきます。次にメータを電流表示に切り替えて周波数調整ツマミをゆっくり回していくと、約39.15kHzで電流がピークとなりました。ここが振動子の共振点(周波数)で、水面が大きく揺れています。この状態で電流は約3.4A流れているので振動子入力電力は51Wです。
 
  発振周波数を共振点から上下に徐々にずらしていくと、電流は大きく減衰します。ちょうど振動子の周波数特性(以前計測した下図グラフ)をトレースするようなイメージです。共振点からずれた周波数でも振動子はドライブされますが、可聴音や水面の動きが明らかに小さくなります。
  Ultrasonic Power Supply__Transducer Resonance freq graph

  また、振動子を持ち上げて水に浸かる深さを変えると微妙に共振点がずれます。わずかな変化ですが、洗浄液の量や洗浄物の大きさや堅さ(音響インピーダンス)で共振点が変化するのでしょう。業務用の洗浄器は、この共振点(周波数)を自動で追尾する機能がありますが、仕組みはどうなっているのか?興味があります。

  何れにせよ、超音波振動子の実験に使用できる簡単な電源装置が出来たので、気が向いた時に手軽に遊べそう(と言っても二度と使わないような)です。こうして使わない製作物が増えていく・・・。
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