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      增加壓電換能器蜂鳴器音頻輸出的設計技術

      返回列表發布日期:2020-04-02 11:08:35    |    

      壓電換能器蜂鳴器可在多種應用和行業中用作聲音識別或警報的手段,能夠根據應用的特定需求產生可變的音調和聲音。壓電換能器蜂鳴器產生的聲音幅度取決于所選的特定蜂鳴器和用于驅動蜂鳴器的信號。因為換能器蜂鳴器需要外部驅動電路來產生音調或聲音,所以有幾種方法可以基于外部驅動器電路的設計來影響壓電蜂鳴器的音頻輸出。本文雖然實用簡單,但旨在提供有關壓電換能器工作原理的入門知識,以及提高換能器音頻輸出的常見設計技術的優點和局限性。

      壓電傳感器的工作原理

      CUI Devices  關于蜂鳴器基礎知識的技術論文提供了壓電換能器的深入概述,但是這里是對該技術的快速回顧。壓電裝置由當在裝置上施加電壓時會物理變形的材料構成,其中變形量和由變形引起的合成噪聲量與施加在壓電材料上的電壓有關。如前所述,換能器蜂鳴器需要外部激勵信號才能運行。另一方面,由于內部振蕩器,指示器蜂鳴器僅需要供電電壓即可工作。與換能器相比,這可以使指示器更易于設計,但也限制了產生的音調和聲音的類型。

      簡單的驅動電路

      在下面的電路圖(圖1)中顯示的是壓電換能器蜂鳴器的更簡單的驅動器電路之一,它由一個電子開關(例如FET或BJT)和一個復位電阻組成。由于該電路只需要幾個便宜的零件,因此對于更基本的設計而言,它可能是一個受歡迎的選擇。但是,盡管簡單,但該設計確實具有缺點,因為復位電阻會耗散功率,并且施加到蜂鳴器的電壓被限制為電源電壓(+ V)。請注意,無論一個蜂鳴器端子是連接到+ V電源(如圖1所示)還是接地,蜂鳴器和電路的功能都相同

      。

      由電子開關和復位電阻組成的驅動電路圖圖1:由電子開關和復位電阻組成的驅動電路。(圖片來源:CUI設備)

      帶緩沖器的驅動電路

      工程師可以通過增加兩個緩沖晶體管來減少來自先前驅動器電路的復位電阻的功率損耗(圖2)。這兩個緩沖晶體管允許使用更高阻抗的復位電阻器,但會降低向蜂鳴器施加的大約兩個二極管壓降或約1.2 V的電壓。這與圖1電路類似,該蜂鳴器和帶有無論一個蜂鳴器端子是連接到+ V電源還是接地,添加的緩沖器都將發揮相同的功能。

      帶有兩個附加緩沖器的驅動電路圖圖2:具有兩個附加緩沖器的驅動電路。(圖片來源:CUI設備)

      為了解決電壓降低的問題,工程師可以簡單地反轉上面使用的BJT緩沖器的位置。該電路也可以用FET代替BJT構成緩沖器。圖3概述了這兩種緩沖器的配置。

      BJT緩沖器的位置反轉圖(左)或FET緩沖器代替BJT的位置圖(右)圖3:反向的BJT緩沖器的位置(左)或代替BJT的FET緩沖器的位置(右)。(圖片來源:CUI設備)

      半橋和全橋驅動器

      雖然可以選擇更改上述緩沖器配置(圖3),但它們會使緩沖器的驅動器電路更加復雜,這在使用分立元件進行設計時可能并不需要。具有推挽緩沖器的這種形式的驅動器通常稱為“半橋”驅動器。可以在兩個半橋驅動器的輸出之間連接一個蜂鳴器,當這兩個半橋驅動器異相驅動時,它們被稱為“全橋”驅動器。半橋驅動器和全橋驅動器通常都用于驅動電動機,并且可以作為廉價的集成電路使用。全橋驅動器還具有為蜂鳴器提供兩倍于基本驅動器或半橋驅動器電壓的優勢,使用與其他解決方案相同的電源電壓可產生更大的聲音輸出。

      全橋驅動器電路圖圖4:全橋驅動器電路(圖像來源:CUI設備)

      諧振驅動電路

      由于換能器蜂鳴器中存在寄生電容,工程師可以利用分立電感器形成諧振電路來驅動壓電換能器。諧振電路在兩個元件之間交替存儲和傳遞能量。在此應用中,兩個元件是寄生電容器和電感器。圖5示出了用于壓電換能器蜂鳴器的諧振驅動器電路的一種這樣的實現。

      諧振驅動器電路具有幾個優點,包括結構簡單和具有高電效率的潛力。壓電蜂鳴器兩端產生的電壓也可能比電源電壓大得多。然而,諧振驅動器電路依賴于壓電換能器的寄生電容這一事實可能會受到阻礙,該寄生電容在制造過程中并不總是能夠很好地表征或控制的。諧振壓電換能器驅動器電路也只能在一個特定頻率下表現良好,從而使其不適用于需要多種頻率音調的應用。此外,所選的工作頻率會影響電感器,與其他電路組件相比,電感器在物理上可能既大又沉。對諧振電路的操作進行建模也可能很困難,

      諧振驅動器電路圖圖5:諧振驅動器電路的示例(圖片來源:CUI設備)

      結論

      在為壓電換能器蜂鳴器設計驅動器電路時,工程師有很多選擇。從使用簡單的分立元件到更復雜的電路設計,每個驅動器都具有自己的一系列權衡,以達到應用所需的聲音輸出。一旦確定了關鍵性能參數,CUI設備便可以輕松選擇一系列的壓電和電磁蜂鳴器,以滿足設計要求。

       

       

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