Драйвер для мощного ультразвукового излучателя Ланжевена

Предисловие

Этой весной, для проведения физических экспериментов, мне понадобился мощный генератор ультразвука. У меня есть достаточно большая коллекция всевозможных пьезоэлементов, но заниматься изготовлением самого излучателя мне не очень хотелось. Поэтому я приобрел мощный ультразвуковой излучатель, в простонародии называемый ланжевеном (по фамилии французского ученого Поля Ланжевена) на WB по достаточно гуманной цене. Такие излучатели (различной частоты и мощности) в основном используются в системах ультразвуковой очистки. Паспортная частота излучателя — 40 кГц, а мощность — 100 Вт., но тут я думаю китайцы слегка преувеличили…

Чтобы обеспечить работу такого излучателя, необходим достаточно мощный источник переменного напряжения соответствующей частоты. А с учетом того, что при проведении экспериментов мне необходимо регулировать мощность ультразвука, передо мной стал вопрос о изготовлении драйвера для мощного ультразвукового излучателя.

Схема устройства

Моим первым желанием было собрать схему драйвера на микросхеме IR21531. В ее состав входит генератор тактовых импульсов и полумостовой драйвер, что очень удобно при разработке различных источников питания. Я много работал с этой микросхемой, знаю ее положительные и отрицательные стороны и помимо этого, у меня есть значительное количество готовых плат для сборки драйвера.

Но так как я планировал провести эксперименты с различными частотами, мне в принципе не нужен был задающий генератор в составе микросхемы, так как гораздо удобнее устанавливать частоту на обычном функциональном генераторе. Поэтому я решил использовал микросхему IR2184, которая была у меня в наличии. Это полумостовой драйвер затвора, имеющий в своем составе схему для управления верхним и нижним плечом ключа. Для питания силовой части я буду использовать регулируемый БП.
Схема драйвера мощного ультразвукового излучателя (ланжевена) приведена ниже.

Как видно из схемы — это классический полумостовой драйвер без всяких извращений.

Сборка устройства

Так как устройство достаточно простое, односторонняя плата была для него была сделала методом ЛУТ при помощи термотрансфертной бумаги. При сборке драйвера применялись как выводные так и SMD-компоненты.

Вид сверху:

Вид снизу:

Расчет и изготовление трансформатора

Трансформатор Т1 — наиболее важная деталь всего драйвера. Чтобы обеспечить эффективную работу ультразвукового излучателя, необходимо, чтобы колебательный контур, состоящий из индуктивности вторичной обмотки трансформатора и емкости ланжевена был настроен на резонансную частоту ланжевена. Так как у нас известны емкость и резонансная частота, мы можем рассчитать индуктивность вторичной обмотки трансформатора. В моем случае, ультразвуковой излучатель имеет емкость 5100 пФ. В соответствии с формулой Томсона, для частоты 40 кГц, индуктивность вторичной обмотки должна составлять 3100 мкГн или 3,1 мГн. Для расчета требуемой индуктивности, можно воспользоваться многочисленными онлайн-калькуляторами.

Для изготовления трансформатора я использовал каркас PQ32/20 с ферритом N87. Первой наматывается вторичная обмотка. Я намотал ее литцендратом ЛИЛО 19 х 0,1 мм. 28 витков. При изготовлении трансформатора, лучше намотать чуть больше витков и точно подгонять индуктивность уже сбрасывая витки и измеряя получившуюся индуктивность. Провод фиксируется быстросохнущим лаком и хорошо просушивается. Готовая обмотка изолируется 3-5 слоями майларовой ленты.

Затем наматывается первичная обмотка. Она содержит 6 витков литцендрата ЛЭП 28 х 0,1 мм. Параметры этой обмотки в основном зависят от возможностей вашего источника питания. Например если необходимо запитать устройство от 12 вольт, необходимо обеспечить достаточно высокий ток в первичной обмотке, снизив количество витков и увеличив диаметр провода. Всегда помните о мощности. Чудес в электронике не бывает. Чем больше ток, тем больше нагревается обмотка и сердечник. В некоторых случаях надо предусмотреть принудительное охлаждение трансформатора. Как показывает практика, индуктивность данной обмотки должна быть не большой и обычно она состоит из 3-10 витков толстого провода.

Так как драйвер у меня предназначен для проведения экспериментов, то чтобы упростить процедуру замены трансформатора, я впаял в плату 4 латунные втулки.

Контакты для установки трансформатора

Проверка работы драйвера

Чтобы проверить работает ли излучатель Ланжевена, просто налейте в/на него воды и включите драйвер. Вы должны услышать звук закипающей воды. И чем частота излучателя ближе к частоте резонанса — тем сильнее звук (и соответственно потребляемый ток). На резонансной частоте сопротивление пьезоэлемента становиться минимальным (5-15 Ом) и потребляемый ток резко возрастает. В этом случае, подстройкой частоты, можно обеспечить токовый и тепловой режим работы драйвера. Я у себя установил частоту около 39 кГц (60 вольт при токе 1 Ампер) для меня этого достаточно. Хотя резонансная частота моего излучателя 38,5 кГц. На этой частоте он «съедает» ток чуть больше 2-х Ампер при 20 вольтах. При дальнейшем увеличении напряжения, ток уже не растет, а даже немного падает.

Еще один способ узнать работает ли излучатель — положить на него небольшую металлическую линейку и слегка прижать ее пальцем. Звук должен быть обалденный…

Заключение

В заключении этого раздела хочу дать несколько советов

1. Для частоты 40 кГц, применение литцендрата при намотке трансформатора — не обязательно и не дает особого выигрыша. Можно применить простой обмоточный провод соответствующего диаметра.
2. В качестве трансформатора Т1 можно применить практически любой ферритовый трансформатор из старых блоков питания с учетом необходимой мощности. Совсем маленькие трансформаторы не подойдут. Также трансформатор можно намотать на ферритовом кольце. Основной критерий намотки — индуктивность вторичной обмотки и минимальное сопротивление.
3. Несмотря на достаточно плоский торец ланжевена, в воздухе он имеет достаточно узкую диаграмму направленности. Я использовал экспериментальный детектор грозы просто подключив к антенному входу пьезоэлектрический приемник на 40 кГц, для изучения диаграммы направленности излучателя.
   
4. Достаточно точно, резонансную частоту ультразвукового излучателя можно найти при помощи генератора прямоугольных импульсов и осциллографа. На резонансной частоте, форма импульсов сильно меняется. Вот например исследование моего ланжевена, амплитуда сигнала генератора — 5 вольт:
   
   

   50 кГц, форма сигнала не изменена

   

   40 кГц, изменение формы, рост амплитуды (это паспортная резонансная частота)

   

   38,5 кГц. Максимальный потребляемый ток.

   

   39 кГц.

   
   Я исследовал этой методикой несколько имеющихся у меня пьезоэлементов без опознавательных знаков и подписей и надо признать она работает.
5. Если необходим драйвер в виде законченного устройства — лучше его сделать на микросхеме IR21531. А для точной подстройки частоты — поставить многооборотный переменный резистор в частотозадающую цепь. Резонансная частота излучателя Ланжевена немного меняется при нагреве и механическом воздействии (например, при креплении к чему-нибудь).

С уважением, Гнатив Василий. 30.05.2025