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增加压电换能器蜂鸣器音频输出的设计技术

返回列表发布日期:2020-04-02 11:08:35    |    

压电换能器蜂鸣器可在多种应用和行业中用作声音识别或警报的手段,能够根据应用的特定需求产生可变的音调和声音。压电换能器蜂鸣器产生的声音幅度取决于所选的特定蜂鸣器和用于驱动蜂鸣器的信号。因为换能器蜂鸣器需要外部驱动电路来产生音调或声音,所以有几种方法可以基于外部驱动器电路的设计来影响压电蜂鸣器的音频输出。本文虽然实用简单,但旨在提供有关压电换能器工作原理的入门知识,以及提高换能器音频输出的常见设计技术的优点和局限性。

压电传感器的工作原理

CUI Devices  关于蜂鸣器基础知识的技术论文提供了压电换能器的深入概述,但是这里是对该技术的快速回顾。压电装置由当在装置上施加电压时会物理变形的材料构成,其中变形量和由变形引起的合成噪声量与施加在压电材料上的电压有关。如前所述,换能器蜂鸣器需要外部激励信号才能运行。另一方面,由于内部振荡器,指示器蜂鸣器仅需要供电电压即可工作。与换能器相比,这可以使指示器更易于设计,但也限制了产生的音调和声音的类型。

简单的驱动电路

在下面的电路图(图1)中显示的是压电换能器蜂鸣器的更简单的驱动器电路之一,它由一个电子开关(例如FET或BJT)和一个复位电阻组成。由于该电路只需要几个便宜的零件,因此对于更基本的设计而言,它可能是一个受欢迎的选择。但是,尽管简单,但该设计确实具有缺点,因为复位电阻会耗散功率,并且施加到蜂鸣器的电压被限制为电源电压(+ V)。请注意,无论一个蜂鸣器端子是连接到+ V电源(如图1所示)还是接地,蜂鸣器和电路的功能都相同

由电子开关和复位电阻组成的驱动电路图图1:由电子开关和复位电阻组成的驱动电路。(图片来源:CUI设备)

带缓冲器的驱动电路

工程师可以通过增加两个缓冲晶体管来减少来自先前驱动器电路的复位电阻的功率损耗(图2)。这两个缓冲晶体管允许使用更高阻抗的复位电阻器,但会降低向蜂鸣器施加的大约两个二极管压降或约1.2 V的电压。这与图1电路类似,该蜂鸣器和带有无论一个蜂鸣器端子是连接到+ V电源还是接地,添加的缓冲器都将发挥相同的功能。

带有两个附加缓冲器的驱动电路图图2:具有两个附加缓冲器的驱动电路。(图片来源:CUI设备)

为了解决电压降低的问题,工程师可以简单地反转上面使用的BJT缓冲器的位置。该电路也可以用FET代替BJT构成缓冲器。图3概述了这两种缓冲器的配置。

BJT缓冲器的位置反转图(左)或FET缓冲器代替BJT的位置图(右)图3:反向的BJT缓冲器的位置(左)或代替BJT的FET缓冲器的位置(右)。(图片来源:CUI设备)

半桥和全桥驱动器

虽然可以选择更改上述缓冲器配置(图3),但它们会使缓冲器的驱动器电路更加复杂,这在使用分立元件进行设计时可能并不需要。具有推挽缓冲器的这种形式的驱动器通常称为“半桥”驱动器。可以在两个半桥驱动器的输出之间连接一个蜂鸣器,当这两个半桥驱动器异相驱动时,它们被称为“全桥”驱动器。半桥驱动器和全桥驱动器通常都用于驱动电动机,并且可以作为廉价的集成电路使用。全桥驱动器还具有为蜂鸣器提供两倍于基本驱动器或半桥驱动器电压的优势,使用与其他解决方案相同的电源电压可产生更大的声音输出。

全桥驱动器电路图图4:全桥驱动器电路(图像来源:CUI设备)

谐振驱动电路

由于换能器蜂鸣器中存在寄生电容,工程师可以利用分立电感器形成谐振电路来驱动压电换能器。谐振电路在两个元件之间交替存储和传递能量。在此应用中,两个元件是寄生电容器和电感器。图5示出了用于压电换能器蜂鸣器的谐振驱动器电路的一种这样的实现。

谐振驱动器电路具有几个优点,包括结构简单和具有高电效率的潜力。压电蜂鸣器两端产生的电压也可能比电源电压大得多。然而,谐振驱动器电路依赖于压电换能器的寄生电容这一事实可能会受到阻碍,该寄生电容在制造过程中并不总是能够很好地表征或控制的。谐振压电换能器驱动器电路也只能在一个特定频率下表现良好,从而使其不适用于需要多种频率音调的应用。此外,所选的工作频率会影响电感器,与其他电路组件相比,电感器在物理上可能既大又沉。对谐振电路的操作进行建模也可能很困难,

谐振驱动器电路图图5:谐振驱动器电路的示例(图片来源:CUI设备)

结论

在为压电换能器蜂鸣器设计驱动器电路时,工程师有很多选择。从使用简单的分立元件到更复杂的电路设计,每个驱动器都具有自己的一系列权衡,以达到应用所需的声音输出。一旦确定了关键性能参数,CUI设备便可以轻松选择一系列的压电和电磁蜂鸣器,以满足设计要求。

 

 

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