EUR | USD

Ontwerptechnieken voor het verhogen van een Piëzo-transductor audio-uitgang

Door Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

Piëzo-transductorzoemers worden gebruikt in een reeks van toepassingen en industrieën als een middel voor hoorbare identificatie of waarschuwing, en zijn in staat om variabele tonen en geluiden te creëren, afhankelijk van de specifieke behoefte van een toepassing. De amplitude van het geluid dat door een piëzo-transductorzoemer wordt geproduceerd, is afhankelijk van zowel de gekozen specifieke zoemer als het signaal dat wordt gebruikt om de zoemer aan te sturen. Omdat transductorzoemers een extern stuurcircuit nodig hebben om een toon of geluid te produceren, zijn er verschillende methoden om de audio-output van een piëzo-zoemer te beïnvloeden op basis van het ontwerp van het externe drivercircuit. Hoewel het in de praktijk eenvoudig is, wil dit artikel een inleiding geven over de werkingsprincipes van een piëzo-transductor en de voordelen en beperkingen van gangbare ontwerptechnieken voor het verhogen van de audio-output van een transductor.

Piëzo-transductor werkingsprincipes

De technische papervan CUI Devices over buzzer basics biedt een diepgaand overzicht van piëzo-elektrische transductors, maar hier is een snelle opfrissing van de technologie. Een piëzo-elektrisch apparaat is opgebouwd uit een materiaal dat fysiek vervormt wanneer er een spanning over het apparaat wordt aangebracht, waarbij de hoeveelheid vervorming en het resulterende geluidsvolume dat door de vervorming wordt veroorzaakt, gerelateerd zijn aan de spanning die over het piëzomateriaal wordt aangebracht. Zoals eerder vermeld, heeft een transductorzoemer een extern bekrachtigingssignaal nodig om te kunnen werken. Indicatorzoemers daarentegen hebben alleen een voedingsspanning nodig om te kunnen werken vanwege een interne oscillator. Dit kan het ontwerp van de indicators vergemakkelijken, maar ook de soorten tonen en geluiden die worden geproduceerd beperken in vergelijking met een transductor.

Eenvoudig drivercircuit

In het onderstaande schakelschema (Afbeelding 1) is een van de eenvoudigere stuurcircuits voor een piëzo-transductorzoemer te zien, die bestaat uit een elektronische schakelaar, zoals een FET of BJT, en een reset-weerstand. Aangezien dit circuit slechts een paar goedkope onderdelen nodig heeft, kan het een populaire keuze zijn voor meer basisontwerpen. Maar hoewel het eenvoudig is, heeft dit ontwerp zijn nadelen doordat de resetweerstand het vermogen afvoert en de spanning die op de zoemer wordt aangelegd, beperkt is tot de voedingsspanning (+ V). Houd er rekening mee dat de zoemer en het circuit hetzelfde zullen functioneren, ongeacht of de ene zoemeraansluiting is aangesloten op de +V-voeding (zoals weergegeven in Afbeelding 1) of op de aarding.

Schema van het drivercircuit bestaande uit een elektronische schakelaar en een reset-weerstandAfbeelding 1: Drivercircuit bestaande uit een elektronische schakelaar en een reset-weerstand. (Bron afbeelding: CUI Devices)

Drivercircuit met buffers

Een ingenieur kan het vermogensverlies van de reset-weerstand van het vorige drivercircuit verminderen door twee buffertransistors toe te voegen (Afbeelding 2). Deze twee buffertransistors maken het mogelijk om een hogere impedantie-resetweerstand te gebruiken ten koste van een verminderde spanning op de zoemer van ongeveer twee diode-dalingen, oftewel ongeveer 1,2 V. Ook hier geldt dat, net als bij de schakeling in Afbeelding 1, deze zoemer en de schakeling met de toegevoegde buffers hetzelfde zullen functioneren, ongeacht of de ene zoemerklem is aangesloten op de +V-voeding of op de aarding.

Diagram van de drivercircuit met twee extra buffersAfbeelding 2: Drivercircuit met twee extra buffers. (Bron afbeelding: CUI Devices)

Om het probleem van de verminderde spanning aan te pakken kan een ingenieur eenvoudigweg de posities van de hierboven gebruikte BJT-buffers omkeren. Deze schakeling kan ook worden opgebouwd met FET's in plaats van BJT's als buffercomponenten. Beide bufferconfiguraties zijn weergegeven in Afbeelding 3.

Diagram van de positie van BJT-buffers in omgekeerde richting (links) of FET-buffers in plaats van BJT's (rechts)Afbeelding 3: Positie van BJT-buffers omgekeerd (links) of FET-buffers in plaats van BJT's (rechts). (Bron afbeelding: CUI Devices)

Halve en volle brugdrivers

Hoewel de hierboven genoemde wijzigingen van de bufferconfiguraties (Afbeelding 3) een optie zijn, zullen ze de drivercircuits voor de buffers complexer maken, wat misschien niet gewenst is bij het ontwerpen met discrete componenten. Deze vorm van driver met push-pull buffers wordt meestal aangeduid als een "halve brug"-driver. Een zoemer kan worden aangesloten tussen de uitgangen van twee halve brugdrivers en wanneer deze twee halve brugdrivers uit fase worden gedreven, staan ze bekend als een "volle brug"-driver. Zowel halve als volle brugdrivers worden vaak gebruikt om elektromotors aan te drijven en zijn verkrijgbaar als goedkope geïntegreerde schakelingen. Volle brugdrivers bieden ook het voordeel dat ze als basisdriver of halve brugdriver twee keer de spanning aan de buzzer leveren, wat resulteert in een luidere geluidsweergave met dezelfde voedingsspanning als bij andere oplossingen.

Diagram van het volledige brugcircuitAfbeelding 4: Volle brugcdriver (Bron afbeelding: CUI Devices)

Resonant drivercircuit

Door de parasitaire capaciteit die aanwezig is in transductorzoemers, hebben ingenieurs een extra optie voor het aansturen van een piëzo-transductor door gebruik te maken van een discrete inductor om een resonantiecircuit te vormen. Resonantiecircuits slaan afwisselend energie op en dragen deze over tussen twee elementen; de twee elementen in deze toepassing zijn de parasitaire condensator en de inductor. Afbeelding 5 toont een dergelijke implementatie van een resonantiedrivercircuit voor een piëzo-transductorzoemer.

Resonante aandrijvingscircuits bieden verschillende voordelen, waaronder een eenvoudige constructie en het potentieel voor een hoge elektrische efficiëntie. De spanning die over de piëzo-zoemer wordt ontwikkeld kan ook veel groter zijn dan de voedingsspanning. Het resonantiedrivercircuit kan echter worden gehinderd door het feit dat het afhankelijk is van de parasitaire capaciteit van een piëzo-transductor, die tijdens het fabricageproces niet altijd goed wordt gekarakteriseerd of gecontroleerd. Resonante piëzo-transductordrivercircuits presteren ook maar bij één specifieke frequentie, waardoor ze minder geschikt zijn voor toepassingen die meerdere frequentietonen vereisen. Bovendien heeft de geselecteerde bedrijfsfrequentie invloed op de inductor, die fysiek groot en zwaar kan zijn in vergelijking met andere circuitcomponenten. Het modelleren van de werking van het resonantiecircuit kan ook moeilijk zijn, wat betekent dat de schakeling mogelijk in het labo moet worden gefinaliseerd in plaats van op de ontwerpcomputer.

Diagram van het resonantiedrivercircuitAfbeelding 5: Voorbeeld van een resonantiedrivercircuit (Bron afbeelding: CUI Devices)

Conclusie

Een ingenieur heeft vele opties als het gaat om het ontwerpen van een drivercircuit voor een piëzo-elektrische transductorzoemer. Van het gebruik van eenvoudige, discrete componenten tot meer complexe circuitontwerpen, wordt elke driver geleverd met zijn eigen set van afwegingen voor het bereiken van de gewenste geluidsweergave van een toepassing. Zodra de belangrijkste prestatieparameters zijn bepaald, maakt CUI Devices het selectieproces eenvoudig met een reeks piëzo- en magnetische zoemers die direct beschikbaar zijn om aan de eisen van een ontwerp te voldoen.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

With an extensive knowledge of CUI Devices' products, Ryan Smoot provides customers with a wide range of technical and application support capabilities in the field. His management of CUI Devices' robust CAD model library further offers engineers with an invaluable resource for streamlining their product designs.