Хомяки приветствуют вас, друзья.
Сегодняшний пост будет посвящен созданию ванны ультразвуковой очистки на основе пьезокерамического излучателя Ланжевена мощностью 60 Вт. В процессе мы рассмотрим, из чего состоит устройство, как его настроить, чтобы ничего не пригорало, и в конце концов мы увидим очищающие способности, превосходящие по своему эффекту мистера Пропера и всех его друзей.
Ультразвуковая ванна имеет множество применений и перечислить их все практически невозможно, так как большая часть из них будет зависеть только от вашей фантазии.
Прежде чем мы начнем растворять пальцы в ультразвуковой ванне, давайте посмотрим, как возникают механические колебания в более простых системах.
Одним из примеров таких колебательных механизмов являются магнитострикторы, которые могут сжиматься или растягиваться под действием магнитного поля.
Такими параметрами обладает обычный феррит от старого дедушкиного радиоприемника, который наверняка завалялся у каждого где-нибудь в гараже.
Для начала эксперимента нам понадобится: генератор сигналов, модулятор плотности импульсов для регулирования мощности, полумост, регулируемый источник питания и осциллограф для визуальной оценки сигнала.
Далее наматываем на небольшую оправку моток из толстой меди; в моем случае получилось около 50 витков провода 2 мм.
Феррит будет вставлен прямо в середину гауссовой пушки.
Выставляем мощность на импульсном модуляторе на 100 процентов.
Вращая ручку на генераторе находим резонанс системы, которая в конкретном случае будет выглядеть как две горы, вершины которых нужно выровнять.
Частота конкретного стержня оказалась 8,5 кГц.
Приближаясь к механическому резонансу, можно увидеть, как капля на вершине ферритового стержня начинает вибрировать, меняя свою первоначальную форму.
В какой-то момент амплитуда вибрации достигает такой величины, что вода разбивается на тысячи мелких частиц и визуально кажется, что жидкость за долю секунды превращается в туман.
Размер каждой такой капли зависит от механической системы; чем выше частота, тем меньше падение.
Такая магнитострикционная система плоха тем, что при определенном пороге мощности хрупкий феррит распадается на куски, как это произошло сейчас.
15 Вт оказались неприемлемыми.
В середине стержня возникает максимальное механическое напряжение, поэтому он ломается.
Если затем попытаться склеить две половинки стержня, то такой активной работы, как была изначально, уже не будет, так как каждая отдельная деталь будет иметь свой механический резонанс.
Во время съемок три из этих стержней сломались.
В качестве эксперимента подключим к генератору самый обычный пьезокерамический излучатель.
Вращая ручку генератора, находим момент, когда вода начинает активно волноваться.
Как видите, образовавшиеся капли по размеру немного больше, чем в представленном ранее варианте, так как резонансная частота здесь в 2 раза ниже и соответствует 3,6 кГц.
Для справки.
Ультразвуковые испарители и увлажнители воздуха используют тот же принцип, только частота здесь уже находится в мегагерцовом диапазоне.
Размер капли воды может достигать нескольких десятков микрон.
Теперь обратимся исключительно к излучателю Ланжевена, названному в честь французского физика, работавшего над магнетизмом.
Электромеханическая частота этой железяки 40 кГц, а испарение воды на ней больше похоже на извержение какого-то вулкана.
На таких холостых оборотах эмиттер сильно нагревается, поэтому делать этого не рекомендую.
В следующем эксперименте мы попытаемся получить ультразвуковую левитацию.
При ланжевенском резонансе образуется стоячая ультразвуковая волна с пучностью на конце излучающей площадки.
Это основная продольная мода.
При этом частицы вещества на конце площадки колеблются в вертикальном направлении с амплитудой в десятки микрон.
Эти вибрации легко передаются в воздух.
Если на определенном расстоянии от излучателя установить отражающую поверхность, то излучаемые и отраженные волны будут суммироваться, образуя в воздухе стоячие звуковые волны, имеющие узлы – области минимального давления и пучности – области максимального давления.
Чтобы пенопластовый шар левитировал, его необходимо поместить точно в блок звукового давления.
Если отключить систему, то весь карточный домик тут же рухнет. 
Мы разобрались в принципе работы Ланжевена.
Теперь можно рассмотреть эмиттер поближе.
На лицевой стороне можно увидеть матовую поверхность, подвергнутую пескоструйной обработке, что обеспечивает лучшее сцепление с клеем, которым будет крепиться излучатель к гастроемкости.
Объем такого корыта – полтора литра.
Размер сосуда 1/6, глубина 100 мм, материал нержавеющая сталь.
Центрируем излучатель внизу сосуда и отмечаем место, где он будет располагаться.
По сути, это необходимо для того, чтобы следы наждачной бумаги не выходили за границы и не портили внешний вид. В идеале лучше было бы отпескоструить этот участок, но у меня в хозяйстве такого нет. Когда поверхности подготовлены, обезжирьте их ацетоном и разбавьте эпоксидный клей.
Наносим его тонким слоем на сам корыто и проводим ту же процедуру с излучателем.
Зазоров быть не должно, так как нужно обеспечить хороший акустический контакт всей излучающей поверхности.
Когда шаттл причаливает, Ланжевен пытается куда-то уползти.
Чтобы он не убежал далеко, нужно его немного втереть, а затем прижать, чтобы весь лишний клей вылез.
После полимеризации эпоксид приобретет так называемую металлическую твердость.
Для любителей такой вариант начать работу с мощным ультразвуком может оказаться весьма выгодным.
Теперь пришло время сделать тело.
Отмечаем заранее замеренные размеры на ДСП толщиной 10 мм и начинаем работу лобзиком.
Эту операцию желательно делать ночью, когда все соседи спят) В конечном результате получится 5 четных частей; все, что вам нужно сделать, это понадежнее закрепить фанерные стенки, чтобы ничего не развалилось.
Примеряем ванну, вставив одну в другую.
В идеале коробка должна быть немного меньше размеров самой гастроемкости.
Перейдем к электронной части.
Чтобы контролировать время работы ванны, понадобится таймер.
Подходящую схему я нашел в Интернете, но распаивать печатную плату пришлось самостоятельно, так как в описании ее просто не было.
В результате получился небольшой платок довольно скромных размеров.
Именно то, что нужно.
Подаем питание и видим, как что-то загорается.
Кратковременное нажатие кнопки энкодера включает и выключает таймер.
Поворот ручки позволяет выбрать время в минутах от 1 до 99. По истечении заданного интервала играет музыка, а затем звучит сирена, которую можно отключить, нажав один раз на энкодер.
Работа не могла быть проще.
Если кого-то беспокоят звуковые сигналы, на плате есть перемычка, отключающая динамик.
Теперь дело за генератором, который будет накачивать акустическую систему.
Доску я подгонял исключительно под размеры деталей, которые откопал в кладовке.
Я постарался разместить элементы как можно ближе, чтобы не было высокочастотных помех.
Хотя вариант, собранный из говна и палок на коленке, тоже заработал, но делать его не стоит. 
Генератор называется двухтактный.
В начале там стояли транзисторы IRFZ46, потом 2SK1276, потом IRFP460, как-то все они работали как-то печально.
Транзисторы IRFZ44 работали лучше всего, поэтому я остановился на них.
Управление происходит от микросхемы драйвера IR2153. Так как регулировка частоты будет ручная, то в некоторых режимах транзисторы будут сильно нагреваться.
Поэтому необходимо предусмотреть хороший отвод тепла.
Радиатор желательно использовать с толстым основанием, так как его теплоотвод будет гораздо эффективнее, чем у расположенного слева куска алюминия, который перегревается, как первоклассник на первом свидании.
В любом случае необходимо обеспечить хороший отвод тепла и охлаждение воздуха.
Значение температуры будет отображаться на китайском термометре с ЖК-экраном.
Этот стоит около 2 баксов.
Вся энергия в ванне будет накачиваться импульсным трансформатором от блока питания компьютера.
Как показывает практика, размер трансформатора не имеет значения; все работало одинаково и на маленькой и на большой такой хрени.
60 Вт для них как два пальца.
Оценим потребление всей цепи по показаниям амперметра мощного шунта, включенного параллельно.
Для нашей задачи нам нужен мощный блок питания.
Эта плата была вынута из зарядного устройства от какого-то ноутбука.
По характеристикам он выдает 65 Вт при напряжении 20 Вольт. Разделив первое на второе получаем ток в три с четвертью ампера, что очень радует. 
Теперь эту кучу запчастей нужно расположить в шахматном порядке.
Для этого мы используем все свои навыки художника на деревянных досках и отмечаем заранее запланированные места, куда будут вставляться элементы управления.
Чистая работа завершена, пора покрывать ковер опилками ДСП, которые падают как снег при сверлении отверстий.
С помощью дрели удаляем грубые следы со сверла.
Так как насадка круглая, то останется только подрезать углы и тогда в дело вступит напильник.
Но работать с ним нужно аккуратно, так как декоративное покрытие может отколоться.
Как только пыль осела по всему дому, декоративную обработку дерева можно считать завершенной.
Ставим всю электронику.
Хороший тон, когда все детали плотно прилегают друг к другу.
На обратной стороне размещаем плату таймера, а на лицевой стороне китайский термометр, показывающий температуру в десятых долях градуса, а также устанавливаем остальные прерыватели и переключатели.
Результат будет примерно таким.
Размещаем блок питания внутрь, как видите он расположен рядом с продувочным отверстием для лучшего охлаждения.
Располагаем плату генератора напротив вентилятора и размещаем последний элемент – дроссель.
Как работает вся эта куча железа?! Давайте разберемся сейчас.
Для начала настройки установите напряжение на регулируемом блоке питания около 14 Вольт. Проверяем стабилизированное напряжение питания микросхемы драйвера, оно должно быть 12 Вольт. Щупом осциллографа цепляемся за затвор транзистора и проверяем, присутствует ли сигнал в виде меандра.
Если все на месте, переменным резистором меняйте частоту и следите, чтобы сигнал не дергался и был плавным во всем диапазоне регулировки.
В этом случае верхний предел составляет около 80 кГц, а нижний предел — около 34 кГц.
Запас достаточно большой и, как говорится, кармана не щиплет. 
Включаем на щупе делитель на 10 и подключаем к средней ножке полевого оператора - это слив.
На холостом ходу видно, как в момент включения транзистора происходит скачок высокого напряжения с последующим свободным затухающим колебанием по сравнению с попаданием воды.
В момент выключения ключа мы видим еще один пик.
В идеале это место должно иметь чистый меандр.
Но, похоже, он сошел с ума.
Попробуем подключить нагрузку в виде лампы Ильича.
Мы видим, как затухание исчезло, передняя кромка меандра находится в завале, а индуктивные выбросы достигают порядка 700 вольт. Эта картина никуда не годится.
Часть этого ужаса происходит на доске; даже ваш палец влияет на это.
Этот же сигнал будет повторяться на выходе трансформатора.
Вы можете видеть, как между активациями каждого плеча образуется мертвое время в 1,2 миллисекунды.
Абсолютно, если не считать формы сигнала, работа идет в правильном направлении.
Высокочастотный звон можно подавить с помощью демпфера.
Так называется цепочка из резистора и конденсатора.
Резистор при этом должен быть мощный, около 5 Вт, так как он сильно нагревается.
Разместим их в зоне обдува радиатора.
Подключив RC-цепочку к одному из плеч пуш-бассейна, можно увидеть, как волны затухают, хотя и с небольшим возмущением в момент включения.
Это лучшее, чего мне удалось добиться, экспериментально подобрав емкость и сопротивление демпфера для данной схемы.
В любом случае, даже под нагрузкой сигнал на выходе высоковольтной части трансформатора имеет тенденцию напоминать меандр.
С этим разобрались, идем дальше.
Так как эмиттер является емкостной нагрузкой, то для него необходимо рассчитать резонансный дроссель, что повысит эффективность работы.
Замеряем емкость и получаем примерно 5 нФ.
Частота этого Ланжевена 40 кГц.
Заходим в «? Electrodroid» и введите туда эти параметры.
Гениальная программа для бедных школьников, ничего считать не нужно, просто вводите цифры, программа все сделает за вас.
По результатам расчета индуктивность получилась 3,2 мГн.
Трансформатор будем наматывать двойным проводом, чтобы уменьшить общее сопротивление.
Меньше сопротивление, меньше потерь, которые будут рассеиваться в виде тепла.
Первый вариант дросселя был намотан на сердечнике разобранного трансформатора.
На это ушло около 4 часов, так как укладывать медный виток к витку было сложно.
Итоговая индуктивность при всех усилиях вышла 0,6 мГн.
Я был расстроен.
Можно намотать образец в один провод на обычном кусочке феррита; потерь будет много, но для тюнинга этот вариант подойдет. 
Так что же мы здесь видим?! На одном конце эмиттера находится трансформатор тока; в будущем от этого будет мало пользы.
К горячему концу индуктора подключаем неоновую лампочку для визуальной оценки напряжения.
В гастроемкость налейте немного воды, примерно на 1/3. Щуп осциллографа подключаем к высоковольтному выходу трансформатора.
Поднимаем напряжение и видим.
Черт возьми! На резонансе, на максимальном потреблении, меандр проседает сколько угодно, образуя два пика как в фильме «Властелин колец».
Подозреваю, что это влияние дросселя на питание низковольтной части.
Диапазон напряжений, видимо, немалый, поэтому поступать таким образом не рекомендую.
Подключаем щуп с делителем к хотэнду, регулируем частоту и смотрим, как амплитуда напряжения выходит за пределы измерения осциллографа.
Размах примерно 1000 вольт. Второй конец неоновой лампы защемляется, если к нему прикоснуться.
Давайте посмотрим, что находится на трансформаторе тока.
Картинка скачет из-за плохой синхронизации осциллографа.
Ану синхронизируй старый хлам.
Не выводи меня! Ток при резонансе увеличивается, как и должно быть.
Если вода в ванне болтается, то работа системы становится нестабильной.
Интересный эффект обнаружен в ходе экспериментов.
Если один конец Ланжевена не подключить к общему проводу цепи, то на корпусе ванны появляется весь потенциал напряжения в киловольтах, это хорошо видно на неоновой лампочке.
Бывают даже небольшие искры при прикосновении к железке.
На плате предварительно установлена заземляющая перемычка Ланжевена.
Схема электронной части.
Я постарался указать в нем все, даже распиновку транзистора.
На дросселе резонансной части имеется контактор.
Заметил, что иногда без него ванна работает лучше, чем с ним, а иногда наоборот. 
Для наглядности ниже показаны две картинки с сигналами.
Первый работает с емкостной нагрузкой, второй – с резонансной.
Архив со всеми необходимыми материалами для сборки ванны.
С этой частью мы разобрались, вроде ничего не сгорело, идем дальше.
Соединяем все разъемы с питанием, управлением, переменными резисторами, келлером и т.д. Поскольку датчик температуры термометра имеет очень удобную форму для крепления, я не смог придумать ничего другого, кроме как прикрепить его к куску фольгированного скотча, хотя правильнее было бы просверлить отверстие в радиаторе и заклеить его вместе с термопастой для лучшего теплового контакта.
Корпус ванны изготовлен из ДСП, а она, как известно, боится воды, а точнее ее незащищенных боковин.
Водостойкий силикон хорошо справляется с такими задачами.
Отделяем кусочек этой гадости и втираем его в торцы древесины.
Важно никуда не торопиться, мы делаем это для себя.
Также к силикону лучше приклеится демпферная лента, которая изолирует корпус гастроемкости от корпуса аппарата, чтобы полезные вибрации не гасились.
Чтобы прикрепить Ланжевен к корыту из нержавейки, вместо эпоксидной смолы можно использовать холодную сварку типа «Поксипол».
Кажется, производители ванн этим пользуются.
Пусть пользуются, обычная эпоксидка в разы дешевле.
Для справки.
Не следует оставлять вещи без присмотра, иначе прибегут хомяки и перегрызут все провода.
Но не бойтесь, если у вас под рукой паяльник, вы всегда сможете дать отпор) Сказать, что ванна получилась компактной – это ничего не сказать по сравнению с китайскими, но какая там мощность.
Вторая часть
Архив с полезными вещами Полное видео проекта на YouTube Наш Инстаграм Теги: #Наука #Сделай сам или Сделай сам #Электроника для начинающих #Лайфхаки для гиков #физика #Наука #электроника #сделай сам #просто о сложном #Время хомяка #ультразвуковая ванна #ультразвуковой очиститель
-
Кения
19 Oct, 24 -
Продажи Ipad Pro В России Начнутся 11 Ноября
19 Oct, 24 -
Тайна Келлса
19 Oct, 24 -
Вр - Выпуск №38
19 Oct, 24 -
Bittorrent 6.0 Финал
19 Oct, 24
