Tento zdroj ultrazvuku lze využít jako výukovou pomůcku či jako výkonný odpuzovač (plašič) zvířat.
Pro výukové využití může být pužit spolu s osciloskopem či vhodným voltmetrem a přijímačem na demonstraci propagace a útlumu ultrazvukových vln. Také lze toto zařízení využít na demonstraci přenosu energie - LED přemostěnou antiparalelní diodou (např. 1N4148) a připojenou na vhodný piezo přijímač či podobný vysílač lze na krátkou vzdálenost rozsvítit.
Zatímco lidé slyší frekvence v rozsahu přibližně 20 Hz až 20 kHz, mnoho zvířat slyší frekvence nad 20 kHz (přibližně: psi až 45 kHz, kočky 64 kHz, myši 91 kHz, atd. [1]).
Piezoelektrické ultrazvukové vysílače/měniče pro senzorové aplikace mají velmi vysokou citlivost v úzkém frekvenčním pásmu, jsou směrové a pro běžně používané frekvence (např. 25 kHz, 40 kHz) jsou široce dostupné a velmi levné. Toto zařízení používá 16 mm, 25 kHz měnič (typ podobný 250ST160) jako vysílač.
Pokud je toto zařízení používáno jako odpuzovač zvířat, je potřeba si uvědomit že stejně jako lidé, i ostatní zvířata jsou citlivá na hlasitý zvuk a přílišná expozice může způsobit poškození sluchu. V žádném případě se toto zařízení nemělo používat z nižší vzdálenosti či na delší dobu, než co je absolutně nutné. Je na uživateli, aby zařízení používal zodpovědně a nezpůsobil žádnou újmu zvířeti ani sobě. I přes to, že je pracovní frekvence mimo rozsah slyšitelný pro člověka, tak silný ultrazvuk stále namáhá lidské ucho a expozice by měla být omezena na minimum, obzvláště z blízké vzdálenosti. Odhad akustického tlaku a bezpečnostní limity jsou popsány níže. Tento obvod může vygenerovat poměrně velká napětí, a to hlavně při provozu bez zátěže. Vše děláte na vlastní riziko - autor článku se zříká odpovědnosti za případnou újmu.
Prototyp zařízení, uzavřený (klikněte pro plné rozlišení)
Uvnitř zařízení (klikněte pro plné rozlišení)
Akustický měnič (klikněte pro plné rozlišení)
Schéma zapojení (klikněte pro plné rozlišení)
Zde popsaný obvod funguje jako LC oscilátor. Sériové zapojení hlavních rezonančních prvků je využito i na podstatné zvýšení napětí.
Napájení je připojeno k pájecím ploškám J3, J4 (2 AA baterie) a je jištěno pojistkou F1. Obvod lze zapínat a vypínat buď pomocí tlačítka/vypínače připojeného k ploškám J6, J7. Alternativně je možné připojit vypínač mezi baterie a samotný obvod (ale bude namáhán vyšším proudem). Akustický měnič je připojen k ploškám J1, J2. Zelená LED signalizující zapnutý stav je připojena k J5 (anoda) a J9. Červená LED signalizující vybitou baterii je připojena k J8 a J9.
Na vstupu je za pojistkou umístěn filtrační kondenzátor C4 (22 µF, keramický). Samotný oscilátor je napájen skrz cívku/tlumivku L1, která částečně rezonuje s kondenzátory C1-C3, C17. Tato část slouží jako proudový zdroj a zároveň pomáhá s měkkým spínáním tranzistoru Q1, k jehož kolektoru je uzel mezi L1 a C1-C3, C17 připojen. Prototyp na místě Q1 používá tranzistor 2SD882P v DPAK pouzdře, ale lze použít i jiný (zisk ≥50 či lépe ≥100 při 1 A, proud ≥3 A, napětí ≥20 V, například 2SD1760). Uzel, ke kterému je připojen kolektor Q1, dále vede na druhý, hlavní rezonanční obvod (L2, C6-C9, ladící kondenzátory C10-C13). C6, C7 jsou umístěny do série se zbytkem rezonančního obvodu a z této odbočky je zavedena zpětná vazba. Výstup pro piezoměnič je vázán pomocí C18, R2.
Zpětná vazba je zavedena z výše zmíněné odbočky u kondenzátorů C6, C7. Následující rezistor R1 (který také slouží pro omezení proudu/nastavení pracovního bodu spolu s R4) a kondenzátor C5 zajistí další fázový posun pro stabilní, deterministický provoz zařízení. Určení pracovní frekvence je zde poměrně náročné, protože se navzájem ovlivňují oba rezonanční obvody i zátěž, která je částečně rezistivní a částečně kapacitní, a hodnoty součástek hlavního rezonančního obvodu pro správnou frekvenci byly určeny pomocí odhadu a ladění v simulátoru LTspice. Stejným způsobem byl laděn i první obvod pro dosažení měkkého spínání. Poté bylo zopakováno ladění hlavního rezonančního obvodu. Před manuálním laděním a krokováním hodnot součástek byly hodnoty odhadnuty takto: pro hlavní rezonanční obvod $f_{OP} \approx 1/(2 \cdot \pi \cdot \sqrt{(L \cdot C)})$; $\sqrt{(L \cdot C)} \lt k \cdot R_{ZATEZ,SER}$ (k je cca 10-20, a je uvažováno, že piezoměnič se v rezonanci chová jako RC obvod, kdy sériový model má impedanci řádově stovky Ω, která je podobným dílem tvořená reálnou a imaginární složkou). Počáteční indukčnost a kapacita pro první část obvodu byly zvoleny 10-krát nižší (L) a 10-krát vyšší (C). Při návrhu DPS je potřeba dávat pozor na rozumné dodržování návrhových pravidel (minimalizovat proudové smyčky, atd). Přesné doladění pracovní frekvence se provede pomocí bloku propojek JP1 - instalací propojek na pozice 1-2 (mírné snížení), 3-4, 5-6 a/nebo 7-8 (velké snížení), respektive jakoukoliv jejich kombinací, rozsah je přibližně 2 kHz okolo středu 25 kHz (přibližná hodnota při instalaci propojky 1-2 či propojek 3-4, 5-6, 7-8).
Napájení pro signalizační LED je získáno z kolektoru tranzistoru Q1 přes diodu D2, filtrováno pomocí C15. Špičky napětí na kolektoru dosahují přibližně trojnásobku napájecího napětí, což je dostatečné pro zelenou/modrou LED a obecně vhodné pro rozumně konstantní jas. Q2 zapne LED jen pokud obvod osciluje a napětí na uzlu V_BOOST je o cca 0,7 voltu nad uzlem +BATT (musí být sepnuté či přemostěné tlačítko), jinak jsou pro šetření baterie vypnuty. R5 určuje proud pro zelenou LED a R9 nastavuje min. napětí, při kterém se rozsvítí, a mírně snižuje proud LED. Proud pro červenou LED je určen pomocí rezistoru R6. Červená LED je přemostěna referencí U1 (TL432, CJ432, SE432L či ekvivalent) pokud napětí baterie (na uzlu BUTTON) je vyšší než $U_{REF} \cdot (R7 + R8) / R7$, pro 1,25 V, 3,3 kΩ, 2,2 kΩ tedy přibližně 2,08 V. Nad toto napětí zůstane červená LED zhasnutá. C16 je přidán pro stabilitu a D3 pro nastavení min. úbytku U1, příliš nízký s některými klony způsobuje problémy (vysokou hysterezi).
Při napájení 2,4 voltu.
Žlutá: Q1 kolektor-emitor, modrá: báze-emitor (klikněte pro plné rozlišení)
Žlutá: Q1 kolektor-emitor, modrá: výstup pro piezoměnič (klikněte pro plné rozlišení)
Žlutá: napětí na C6 a C7, modrá: báze-emitor (klikněte pro plné rozlišení)
Pro odhad hladiny akustického tlaku na určité vzdálenosti lREAL a při určitém napětí UREAL zde bude využit zákon převrácených čtverců (akustický výkon klesá nepřímo úměrně s kvadrátem vzdálenosti). Vyzářený výkon naopak roste s kvadrátem napětí na měniči. Hladina akustického tlaku je tedy odhadnutelná takto, známe-li referenční hodnoty:
$L \mathrm{[dB]}$ = $L_{REF} + 10 \cdot \mathrm{lg}(\dfrac{P_{REAL}}{P_{REF}})$ = $L_{REF} + 20 \cdot \mathrm{lg}(\dfrac{U_{REAL} \cdot l_{REF}}{U_{REF} \cdot l_{REAL}})$
ProWave 250ST160, měnič podobný zde použitému, má specifikovaný akustický tlak 112 dB (0 dB reference: 20 µPa) při 10 VRMS a 30 cm. Z naměřeného napětí (špička-špička) 36 VP-P s téměř sinusoidním tvarem určíme RMS napětí $U_{RMS} = 0,5 \cdot \sqrt{0,5} \cdot U_{P-P}$: 12,7 V.
Zadáním hodnot do výše uvedené rovnice získáme hodnoty: 103,6 dB při vzdálenosti 1 m, 97,6 dB při vzdálenosti 2 m a 89,6 dB při vzdálenosti 5 m.
Pro ochranu lidského sluchu NIOSH specifikuje (v době psaní článku) max. 85 dBA (dBA: váhováno dle A-křivky pro citlivost lidského ucha) přes 8-hodinový pracovní den. Toto bude dále použito ve výpočtech. EU-OSHA stanovuje limitující hodnotu 87 dB pro stejný čas. Tento čas se sníží 2-násobně s každými dalšími 3 dB. Pokud by zvuk vydávaný tímto zařízením byl lidským uchem slyšitelný a měl by v rámci váhování jednotkovou hodnotu, tak teoreticky maximální doba vystavení bude (dle $\textrm{8 hodin} \cdot 10^{((85-L)/10)}$) zhruba 6,6 minuty ze vzdálenosti 1 metr a to v absenci expozice vůči dalšímu silnému hluku. Pro vzdálenosti 2 a 5 metrů vychází 26 a 166 minut. Tento zvuk (25 kHz) není lidmi slyšitelný, takže toto nelze ani zdaleka aplikovat, a maximální čas bude pravděpodobně mnohem vyšší, ale stejně pro bezpečnost doporučuji expozici omezit na minimum. Pro psy je dle křivek z [1] citlivost oproti špičkové na 25 kHz nižší o cca 10 dB. I tak je na místě opatrnost a je vhodné ponechat velkou rezervu, pokud zařízení bude použito jako odpuzovač, mělo by být zapnuto po minimální dobu, a používané z rozumné vzdálenosti.
ZIP archiv: projekt pro KiCad 7, exportované Gerber soubory, soubory pro LTspice, PDF schéma, plánek pro manuální osázení. - licence návrhových souborů je Creative Commons BY-SA 3.0, či novější (4.0), či 3-klauzulová BSD.
[1] https://www.lsu.edu/deafness/HearingRange.html