私は電子工作愛好者で、現在、超音波霧化器の駆動回路を作ろうとしています。実際に手を動かす前に、この駆動回路について少し学習しました。学習結果は以下のとおりです。
1、超音波霧化器は、圧電セラミック素子を高速に振動させることで水を細かな霧粒に砕き、霧化を実現するものです。
2、現在市場には超音波霧化片とマイクロ孔霧化片の2種類があります。両者の違いは、前者は高周波で、後者は周波数がやや低い点にあります。
3、霧化片を駆動するには、発振回路で交流信号を発生させる必要があります。
現在つまずいているのは、この発振回路の駆動回路です。ネットや交流グループでも資料を調べており、現時点での学習結果は以下のとおりです。
1、発振回路で最も基本的な2つの素子は、インダクタとキャパシタであり、相互にエネルギーを蓄えたり放出したりします。この過程でインダクタは極性が反転します。これが交流を発生させる鍵です。
2、現在私が作りたいものに基づくと、三点式キャパシタ発振回路を使う予定です（以下は試行錯誤しながら描いた回路図で、具体的な部品選定やパラメータはまだ更新していません）
部品選定については、まず霧化片の周波数を1.7MHzに設定し、希望する周波数から逆算して
の値を求めました。私が導き出した結果は9.36×10^-8です。
3、A（増幅度）*β（帰還係数）>1。調べた資料では3〜5、多くの資料には|A*β|がこの範囲になると書かれていますが、私たちは発振を発生させるのが目的なので、これは正の値であるべきで、増幅の結果であるはずです。
4、キャパシタの値はC8、C11、霧化片の合計キャパシタ値であり、β帰還係数は
です。
5、ベースとバイアス抵抗の中間タップは交流接地と等価なので、キャパシタを並列に接続する必要があります。
よく言われるように、見ると分かるのに作るとダメになります。私自身も、見ても完全には分かっておらず、実際に作るとさらに困難を感じています。現在つまずいている点は以下のとおりです。
1、まず、霧化片のキャパシタ値は直接計算できるものの、残りの2つのキャパシタの値をどう計算すればよいのかが分かりません。現時点ではAとβについても、経験則による積の値しか見つけられておらず、そこからC8とC11の具体的な値を逆算することができません。さらに、インダクタの値も計算できません。
2、ベースの交流接地に用いるキャパシタの選定は、何を基準に行えばよいのでしょうか。
3、この駆動回路は正しいでしょうか。もし霧量を制御したい場合、駆動回路のGND前端にパワーMOS管を追加し、矩形波で平均電力を制御することで、間接的に霧量を制御できるでしょうか。
4、詳しい方に回路が正しいかどうかを見ていただきたいです。
詳しい方、私の検討思路が正しいかどうか見て、講評していただけると助かります。
ABC
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楼主の方向性は合っています。まずそこは肯定します。三点式（コルピッツ）は、確かに従来の霧化駆動で主流のアーキテクチャです。あなたが選んだ1.7MHzも、一般的な仕様の一つです（20mm口径で、1.7M／2.4M／3.0Mなどと表記されるタイプの振動子）。ただし、いくつか注意すべき点があります。
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C8、C11、Lを式だけで正確に算出できるとは思わないこと。 霧化振動子は純粋なコンデンサではなく、「静的容量C0＋動生支路」の複合モデルです。定格値と実測値はかなり異なり、メーカーによって差も非常に大きいです。正しいやり方は、LCRメーターでC0を実測し、その値を使って共振を合わせることです。
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Lの値は高い確率で間違っています。 図の470µHは大きすぎます。この回路では原則として、インダクタが霧化振動子の並列容量と共振する必要があります。1.7MHzから逆算すると、総容量が2〜3nFの場合、Lはわずか1〜3µHです（ネットで25W用振動子を作った例では、1〜2µH＋3.3nFで共振させています）。470µHでは、どの容量を組み合わせても共振周波数は数十kHzまで落ちてしまい、振動子は共振点から外れて、霧化効率が極端に低くなるか、そもそも発振しません。自分で確認するなら、f=1/(2π√(LC))で計算してみてください。
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その9.36×10⁻⁸は単位をよく確認してください。 もしファララドなら93.6nFで、霧化振動子に必要な並列容量（nF級）より1桁大きいです。たいていは式を間違えて当てはめたか、Lを間違えたのでしょう。1.7MHzでは、Cは数nFの範囲になるはずです。
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ベースの交流接地用コンデンサ：選定の原則は、その容量リアクタンスXcが動作周波数で、バイパス対象のインピーダンスの1/10以下になるようにすることです。一般には100nFで十分安定しており、細かく悩む必要はありません。
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A×β：発振には、ループ利得が≥1で、Barkhausen条件（トランジスタの180°反転を含む）を満たす必要があります。3〜5は余裕を持たせるための経験的な設計値で、目標にはできますが、C8／C11を唯一の方法で逆算するための根拠にはできません。
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この振動子は大電力用である点に注意。 1.7MHzの振動子は通常、15W以上の加湿器に使われ、一般的な電源電圧は12〜24Vです。あなたは12Vしか供給していないので、駆動余裕はかなり厳しいです。しかもトランジスタは線形領域で動作するため、発熱はかなり大きくなります。放熱器は大きめにし、可能なら振動子の定格電力も確認してください。
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霧量の調整。 従来方式では、ベース電流を調整する（ポテンショメータ）→ 霧化振動子両端の電圧を変える → 霧量を調整するという流れです。図にある50〜80Vのピーク・トゥ・ピーク電圧は、インダクタによる昇圧で得ています。あなたが追加したMOSFETによる断続／PWMでも使えます。DIYとしては実現可能な方法ですが、最低デューティ比に注意してください。低すぎると発振が止まります。量産機では、新しい方式としてMOSFETスイッチ＋MCUによる周波数スイープ・追従制御に切り替えています（1.7M用振動子は通常、1.55〜1.85MHzを掃引します）。
まずは一発で完成形を目指さない方がよいです。先に「Lを1〜3µHに替え、帰還コンデンサをnF級にする」ことで発振を立ち上げてください。電源投入時に電流が跳ねるか、振動子から「ジージー」という音があるか、オシロスコープで1.7MHz付近の正弦波／菱形波が出ているかを確認し、その波形をここに上げてから微調整しましょう。
知夏
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「見ればすぐ分かるのに、やると失敗する」のはごく自然です。この回路の落とし穴は、教科書にあるコルピッツの公式が、ここでは完全には当てはまらないことにあります。順を追って整理しましょう。
1. なぜ C8/C11 が計算できないのか。それは、そもそもそのように計算すべきではないからです。 ここにある霧化子は「ただのコンデンサ」ではなく、圧電共振子です（1.7MHz の水晶振動子だと思えば分かりやすいです）。Van Dyke モデルで見ると、静的容量 C0≈1600〜1900pF（これはあなたの計算どおりで、LCR メータなら 1kHz で直接測れます）に、機械的な分岐 Lm-Cm-Rm が並列に入っています。fr と fa の間では、全体として誘導性になります。つまり、この回路ではそれが「インダクタ」の役割を果たし、発振周波数は圧電振動子自身の機械的共振にロックされます。だからこそメーカーは「この回路は圧電振動子の固有周波数に自動追従し、周波数調整が不要」と言っているのです。
したがって正しい考え方は、周波数は振動子側が決める。L/C は振幅とフィードバック量を調整するだけということです。役割分担はこうです。並列側は共振点が動作周波数より低く、振幅を決める。直列側は共振点が動作周波数より高く、1.7MHz に近いほどフィードバックが強くなり、フィードバック量を決める。フィードバック用コンデンサは大きければ大きいほどよいわけではなく、大きすぎると b-e 間が誘導性になって、発振が完全に止まってしまいます。
2. A・β の理解は問題ありません。 バルクハウゼン条件は |A・β|≥1 かつループ位相が 0° で、共通ベース構成はそれ自体同相なので、正帰還になります。ただし、A から C を逆算できるとは考えないでください。A は「十分大きければよい」もので、β は調整によって決めるものです。
3. あなたの 470µH は問題ではありません。 実際に試した人の話では、47µH、150µH でも正常に動作し、霧量は 47µH 以上ではほぼ増えません。この回路では主にエネルギー蓄積と経路確保の役割を果たします。
4. ただし、12V は本当に無理です。 これが今いちばん直すべき点です。1.7MHz 実穴タイプには 50〜80Vpp の励起が必要で、定番の駆動回路では 33〜50V 程度で動作します。実測結果は非常に明確です。12V では水を跳ね上げることはできても、霧化できません。XL6009 で 24〜36V まで昇圧するか、113kHz のマイクロホールタイプに替えて低電圧方式にする必要があります。
5. 霧量の調整：市販機を参考に、ポテンショメータで発振トランジスタのベース電流を調整して振幅を変えるのがおすすめです。PWM を使うなら、「10秒動作して50秒停止」のような秒単位の断続にしてください（特許に記載されている周期のオーダーは 0.1〜10秒です）。kHz 単位で無理やりチョッピングするのは避けてください。共振点から外れた状態での起動を繰り返すと、振動子を痛めます。
6. ベースバイパスコンデンサ：Xc ≤ Rth/10 です。1k∥10k の場合、1.7MHz では 1nF 以上あれば十分で、100nF ならかなり余裕があります。高周波用のセラミック/NPO を選べば問題ありません。
一度で霧が出ることを願っています！
ご指導ありがとうございます。内容を拝見して、「霧量」の大きさを制御する点について、考え方を整理し直しました。回路を安定して動作させるために周波数を変えず、振動子の振幅を変えて霧量に影響を与えるという方法であれば、以前の私の考えよりも良いと思います。
今は手元にオシロスコープがなく、電源も24V以上を出せません。まず昇圧モジュールをいくつか作ってから、もう一度組み直して試してみます。後日、何とか課題を完成して提出できればと思います。
CCC
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なかなかの解説ですね。バルクハウゼン条件の理解は、たいていの人より上です。ただ、はんだ付けする前に変えたほうがいい点が3つあります。
第一に、12Vでは霧は出ません。 これらの1.7MHzディスクは、両端に50〜80Vppが必要です。定番の市販基板は、だいたい0.6Aで33〜50Vで動作しています。実際に測定した人もいるんですが、12Vだとディスクは水柱を立ち上げるだけで、霧化しません。24〜36Vまで昇圧するか（XL6009モジュールがよく使われる改造です）、あるいは5〜12Vで動く108〜113kHzの微多孔ディスクに切り替えるといいです。
第二に、発振周波数をLとCから決めるのはやめましょう。 周波数を決める素子はディスクそのものです。ピアース発振器の水晶と同じように扱います。無負荷では、これらの自己発振基板はだいたい0.65MHz付近で発振しますが、ディスクをつなぐと1.7MHzに引き込まれます。メーカーが自慢している「自動追従」とはこれです。つまり、L/Cネットワークには2つの別々の役割があります。並列共振が動作周波数より下にある分岐は振幅を決め、直列共振がそれより上にある分岐（1.7MHzに近いほどよい）は帰還量を決めます。帰還コンデンサを大きくしすぎると、b-eポートが誘導性になり、発振しなくなります。ある人の測定では、並列分岐に2000pFとインダクタ≥47µHで、インダクタを150µHにしても普通に動作したそうです。だから、あなたの470µHは、みんなが思うほど問題ではありません。
第三に、電流ではなく耐圧を確認してください。 あなたの2SC6144SGは実のところ怪物級です。50V/10A/25W、fT 330MHz。電流もゲインも十分です。ただしVCEOは50Vだけで、コレクタには電源電圧に加えて、その50〜80Vppのスイングのかなりの部分がかかります。この用途の一般的な仕様は、≥100V、≥3A、fT ≥100MHzに加えてヒートシンクです（定番はBU406。200V/60W）。それから、C-E間にクランプダイオードも入れてください。また、低VCEsatのスイッチングトランジスタはSOAが狭い傾向があります。1.7MHzでリニア領域で動かすのは、二次降伏を招きに来ているようなものです。
ミスト制御： 市販機でよく使われる方法は、ベースバイアスにポテンショメータを入れて振幅を変える方式です。断続させたいなら、バーストモードを使ってください。周期は0.1〜10秒の範囲にし、オン時間は電源投入から目に見える霧が出るまでの時間の少なくとも2倍にします。高速kHz PWMは、発振器をオフ共振で何度も再起動させるだけなので、非効率で熱くなり、セラミックスにも厳しいです。
あと、いつもの注意事項です。結合用／DCブロックコンデンサ（47nF）を入れること、空焚きしないこと、水位検知はプローブではなくフロート／リードスイッチを使うこと（プローブは電極を電気分解で侵食します）、そして水深は4〜6cmに保つこと。
73、制作の成功を祈っています。
9527
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いや、いいプロジェクトだね。それに、Colpitts（コルピッツ）発振にしようという直感も実際には正しいよ。これが、これらのミスト発生素子で使われる古典的な自己発振回路だから。この道を通った者からのヒントをいくつか：
- まず直すのはインダクタ。 1.7MHzでは、こうした素子には小さなインダクタが必要だ。数µHで、圧電素子の並列容量と合わせる。実際の製作では、仕様で~2µH、~3.3nFのカップリングコンデンサが指定されていたのを見た。470uHでは数桁ずれている。共振が数十kHz帯まで下がってしまい、素子はミストを出さない。
- 何でも紙の上で計算しようとしなくていい。 トランスデューサはセラミック共振子で、「静的＋動的」モデルを持つ。実際の容量はサプライヤーによってかなりばらつく。測定して（LCRメーターで）、そこから調整する。
- ベースのグラウンドへのコンデンサ： 1.7MHzでのリアクタンスが、グラウンドする先のインピーダンスより十分小さければいい。100nFなら、手抜きだけど安全な選択。
- ミスト量の制御： 定番の手法はベース電流を調整すること（ポテンショメータ）。ベース電流を増やすと、素子にかかる電圧が上がってミスト量も増える（これらはインダクタで昇圧されて~50〜80V peak-peakで動作する）。電源をパルスするMOSFETでも動くが、デューティを十分残さないと発振から外れて止まる。
- 熱に注意。 15W以上ではトランジスタはリニア動作になり、かなり熱くなる。ちゃんとしたヒートシンクを想定しておくこと。最近の製品が周波数追従付きのMOSFETスイッチング段に移行したのは、ちゃんと理由がある。
- そしていつもの致命傷： 素子を空焚きすると壊れる。水位センサーを付けよう。
幸運を祈る。波形も投稿してね！
