Для проекта, над которым я работал, понадобился простой туманообразователь/ увлажнитель воздуха. Я нашел множество идей в Интернете, но все они по тем или иным причинам недостаточно устраивали меня, поэтому я решил создать свой. Ниже описывается мой простой в изготовлении ультразвуковой туманообразователь. Он отлично работает и, безусловно, является самым простым ультразвуковым туманообразователем, который мне когда-либо приходилось собирать.
Как работает ультразвуковой туманообразователь?
В ультразвуковом туманообразователе/ увлажнителе воздуха (также называемом ультразвуковым распылителем) пьезоэлектрический диск-преобразователь распылителя преобразует высокочастотные звуковые волны в механическую энергию, которая передается в жидкость, создавая стоячие волны. Когда жидкость покидает распыляющую поверхность диска, она разбивается на мелкий туман из однородных капель микронного размера, поэтому ключевым компонентом, необходимым для этого небольшого проекта, является специальный (20 мм, 113 кГц) ультразвуковой распылительный диск (см. Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Ультразвуковой дисковый распылитель. |
При покупке преобразователя убедитесь, что его резонансная частота составляет 113 кГц (±3 кГц) – еще один популярный преобразователь имеет резонансную частоту 1.65 МГц (±0.05 МГц), что несовместимо с данным проектом!
Схема ультразвукового туманообразователя
Схема драйвера преобразователя
На Рисунке 2 представлена принципиальная схема заключительной части проекта – драйвера преобразователя. Как видно из схемы, это нехитрая конструкция генератора, предназначенного для формирования последовательности управляющих импульсов для преобразователя распылителя, основана на вездесущей микросхеме NE555P (IC1). Многооборотный подстроечный резистор 5 кОм (RP1) в этой схеме можно использовать для установки частоты генератора 113 кГц (±5 кГц) (тестовая точка TP1). Несмотря на то, что ультразвуковой туманообразователь настроен на работу от одного входного напряжения 5–12 В, этому драйверу преобразователя в дополнение к стабилизированной шине питания 5 В требуется канал питания 20–26 В постоянного тока (V_DRIVE). Поэтому для выполнения этого важного требования позже будет представлена специальная схема источника питания.
 |
|
| Рисунок 2. | Принципиальная схема драйвера преобразователя. |
Поскольку схема очень проста и не требует пояснений, я перехожу к остальным частям проекта, опуская подробное описание схемы. На Рисунке 3 можно увидеть две осциллограммы, снятые в тестовых точках TP2 и TP3 во время работы моего прототипа ультразвукового туманообразователя, собранного на куске макетной платы.
 |
|
| Рисунок 3. | Осциллограммы, снятые в тестовых точках TP2 и TP3 работающего макета ультразвукового туманообразователя. |
Я купил преобразователь 113 кГц (20 мм) у одного из моих проверенных китайских продавцов по цене 2 доллара за штуку. Вот выдержка из машинного перевода с китайского его технического описания, сделанного продавцом:
- Диаметр: 20 мм
- Частота: 113 кГц (±3 кГц)
- Емкость в состоянии покоя: 3000 пФ (±15%)
- Номинальное напряжение: 70 В (макс.)
- Допустимая мощность: 2.5 Вт (нормальное использование при 1.5 Вт)
Прототип также был успешно испытан с другим преобразователем (105 кГц ±5 кГц). Ниже приведены его основные характеристики:
- Диаметр: 16 мм
- Рабочая частота: 105 кГц (±5 кГц)
- Максимальная мощность: 2 Вт
- Пиковое выходное напряжение: 65 В (±5 В)
- Пульсации (при максимальной мощности): 100 мВ
Схема источника питания
Схема источника питания (Рисунок 4) представляет собой повышающий DC/DC преобразователь, собранный на основе недорогой и очень популярной восьмивыводной микросхемы MC34063A (IC1). Здесь ее номинальное выходное напряжение установлено равным 20 В с помощью резисторов R4 и R5. Эта схема является точным повторением примера применения из технического описания, поэтому при необходимости в нее можно внести изменения.
 |
|
| Рисунок 4. | Схема источника питания. |
Номинальные рабочие напряжения электролитических конденсаторов в двух приведенных выше схемах равны 40 В, а дроссель L1 индуктивностью 180 мкГн (от 180 мкГн до 220 мкГн) с сердечником «барабанного» типа рассчитан на максимальный ток 1 А. Для мощного MOSFET с логическими уровнями управления IRLZ44 (T1) необходим небольшой радиатор. Обратите внимание, что блок питания специально предназначен для удобного питания всего ультразвукового туманообразователя от внешнего стандартного порта USB. Он также может питаться постоянным напряжением в диапазоне от 5 В до 12 В от любого другого источника, например, от соответствующей батареи и/или сетевого адаптера.
Дополнительная кнопка без фиксации (S1) в сочетании с резистором 2.7 кОм (R6) позволяет, если это необходимо, на короткое время увеличить плотность тумана. Обратите внимание, что при нажатии и удержании кнопки S1 конечное выходное напряжение V_DRIVE поднимется до 26 В, пока она не будет отпущена.
Почти готовый прототип был протестирован в моей лаборатории и, как и ожидалось, он хорошо работал на поверхности, показав высокий уровень распыления с мелкими частицами. К сожалению, я не смог найти зеркальную камеру, чтобы сделать хороший видеоролик с моментами испытаний. Однако статичные изображения, снятые камерой моего бюджетного смартфона, можно увидеть на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Тестирование прототипа ультразвукового туманообразователя. |
Заключительные мысли
На самом деле, то, что я разработал сразу после возникновения идеи, – это схема драйвера преобразователя, совместимая с микроконтроллером (см. предварительный эскиз на Рисунке 6).
 |
|
| Рисунок 6. | Предварительный эскиз схемы драйвера преобразователя, совместимого с микроконтроллером. |
Поскольку моим реальным намерением является разработка и публикация продаваемого проекта, я уверен, что микроконтроллер в его основе обеспечит бóльшую гибкость и удобство. Я не хочу использовать избыточные для этой задачи Arduino (или Attiny/STM), но хотел бы попробовать недорогой китайский однократно программируемый (OTP) микроконтроллер (например, PMS150 от Padauk). Хотя у меня пока нет большого опыта работы с OTP микроконтроллерами (и поэтому я выбрал схему на 555), я обязательно создам улучшенную версию своего ультразвукового туманообразователя. Инженеры всегда стремятся не к тому, чтобы все было хорошо, а к тому, чтобы все было идеально!
…
Вопрос:
Как узнать резонансную частоту «неизвестного» ультразвукового преобразователя?
Ответ:
Ультразвуковой преобразователь представляет собой конструкцию из металла и керамики, имеющую определенную резонансную частоту. Чтобы преобразователь работал в резонансе, на него должен подаваться высокочастотный сигнал переменного тока. Лучшим способом определения резонансной частоты является построение спектра импеданса преобразователя. Обычно это делается с помощью очень дорогих анализаторов цепей, но можно обойтись и простым USB-осциллографом и генератором качающейся частоты, если программное обеспечение осциллографа обладает соответствующими возможностями.
Купить NE555P на РадиоЛоцман.Цены
