DKK | EUR | USD

Designteknikker til at forøge lydoutputtet fra en piezosummer med transducer

Af Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

Piezosummere med transducer, der anvendes som hørbar indikator eller alarm inden for en lang række anvendelsesformål og sektorer, kan frembringe forskellige toner og lyde afhængigt af behovet i den enkelte anvendelse. Amplituden for den lyd, der frembringes af en piezosummer med transducer, afhænger af både den pågældende summer og det signal, der anvendes til at drive summeren. Eftersom summere med transducer kræver et eksternt drivkredsløb til at frembringe en tone eller lyd, er der flere forskellige måder at påvirke en piezosummers lydoutput på med udgangspunkt i det eksterne drivkredsløbs design. Mens denne artikel i praksis er ganske simpel, søger den at give en indføring i piezotransducerens funktionsprincipper samt fordelene og begrænsningerne ved almindelige designteknikker til at øge en transducers lydoutput.

Piezotransducerens funktionsprincipper

CUI Devices' tekniske beskrivelse af grundprincipperne ved summere giver et detaljeret overblik over piezoelektriske transducere, men her er en hurtigere genopfriskning vedrørende teknologien. En piezoelektrisk enhed er fremstillet af et materiale, der deformeres fysisk, når der sendes spænding gennem den. Omfanget af deformeringen og den fremkommende lydstyrke, som er et resultat af deformeringen, afhænger af den spænding, der sendes gennem piezomaterialet. Som nævnt tidligere kræver en summer med transducer et eksternt magnetiseringssignalsignal for at fungere. Indikatorsummere kræver derimod kun en forsyningsspænding for at fungere, da de er udstyret med en intern oscillator. Dette kan gøre det nemmere at inkorporere indikatorer i designet, men det begrænser samtidig de typer af toner og lyde, der frembringes, når man sammenligner med en transducer.

Simpelt driverkredsløb

I kredsløbsdiagrammet nedenfor (figur 1) vises et af de mere simple driverkredsløb til en piezosummer med transducer, som er sammensat af en elektronisk kontakt, f.eks. en FET eller BJT, og en nulstillingsmodstand. Da der til dette kredsløb kun behøves nogle få, billige dele, kan det være et populært valg til de mere enkle design. Men selvom det er simpelt, har dette design sine ulemper, eftersom nulstillingsmodstanden spreder strømmen, og den spænding, der påføres summeren, er begrænset til forsyningsspændingen (+V). Bemærk, at summer og kredsløb fungerer på samme måde, uanset om den ene summerterminal er forbundet til +V-forsyningen (som vist i figur 1) eller til jord.

Diagram over drivkredsløb bestående af en elektronisk kontakt og nulstillingsmodstandFigur 1: Drivkredsløb bestående af en elektronisk kontakt og nulstillingsmodstand. (Billedkilde: CUI Devices)

Driverkredsløb med buffere

En ingeniør kan reducere nulstillingsmodstandens strømtab fra det forrige driverkredsløb ved at tilføje to buffertransistorer (figur 2). Disse to buffertransistorer gør det muligt at anvende en nulstillingsmodstand med højere impedans på bekostning af påførelsen af en reduceret spænding på summeren på cirka to diodefald eller omkring 1,2 V. Endvidere, på samme måde som i kredsløbet i figur 1, fungerer denne summer og dette kredsløb med de tilføjede buffere på samme måde, uanset om den ene summerterminal forbindes til +V-forsyningen eller til jord.

Diagram over drivkredsløb med to buffere tilføjetFigur 2: Drivkredsløb med to buffere tilføjet. (Billedkilde: CUI Devices)

For at tackle problemet med den reducerede spænding kan en ingeniør blot vende positionerne på de BJT-buffere, der anvendes ovenfor. Dette kredsløb kan også bygges med FET'er i stedet for BJT'er som bufferkomponenter. Begge bufferkonfigurationer er beskrevet i figur 3.

Diagram over positionen af modsatrettede BJT-buffere (venstre) eller FET-buffere i stedet for BJT'er (højre)Figur 3: Positionen af modsatrettede BJT-buffere (venstre) eller FET-buffere i stedet for BJT'er (højre). (Billedkilde: CUI Devices)

Halv- og fuldbro-drivere

Mens de ovennævnte ændringer i bufferkonfigurationen (figur 3) er en mulighed, vil de gøre driverkredsløbene for bufferne mere komplekse, hvilket muligvis ikke er ønskværdigt, når der designes med diskrete komponenter. Denne form for driver med modtaktbuffere (push-pull) kaldes ofte en "halvbro"-driver. En summer kan tilsluttes mellem to halvbro-driveres outputs, og når disse to halvbro-drivere køres ud af fase, kaldes de for en "fuldbro"-driver. Både halvbro- og fuldbro-drivere bruges ofte til at drive elektriske motorer og fås som billige integrerede kredsløb. Fuldbro-drivere har også den fordel, at de leverer to gange så høj spænding til summeren som en basisdriver eller halvbro-driver, hvilket giver et højere lydoutput med den samme forsyningsstrøm som andre løsninger.

Diagram over kredsløb med fuldbro-driverFigur 4: Kredsløb med fuldbro-driver (Billedkilde: CUI Devices)

Kredsløb med resonansdriver

Grundet parasitkapacitansen i transducersummere har ingeniørerne en yderligere mulighed for at drive en piezotransducer ved hjælp af en resonanskreds, der dannes af diskret induktionsspole. Resonanskredse lagrer og overfører energi på skift mellem to elementer, hvor de to elementer i denne anvendelse er parasitkondensatoren og induktionsspolen. I figur 5 vises der en sådan implementering af et kredsløb med resonansdriver til en piezosummer med transducer.

Der er adskillige fordele ved kredsløb med resonansdriver, herunder enkel konstruktion og potentiale for høj elvirkningsgrad. Den spænding, der udvikles i piezosummeren, kan også være betydeligt højere end forsyningsspændingen. Dog kan resonansdriverens kredsløb vanskeliggøres af, at det er afhængigt af en piezotransducers parasitkapacitans, som ikke altid er godt kendetegnet eller styret i fremstillingsprocessen. Kredsløb med piezotransducer og resonansdriver yder også kun godt ved én bestemt frekvens, hvilket gør dem mindre egnede til anvendelsesformål, hvor der er brug for toner med flere frekvenser. Derudover påvirker den valgte driftsfrekvens induktionsspolen, som kan være fysisk stor og tung sammenlignet med andre kredsløbskomponenter. Det kan også være vanskeligt at lave driftsmodeller af resonanskredsløbet, hvilket betyder, at det kan være nødvendigt at færdiggøre kredsløbet i laboratoriet i stedet for ved designcomputeren.

Diagram over kredsløb med resonansdriverFigur 5: Eksempel på et kredsløb med resonansdriver (Billedkilde: CUI Devices)

Konklusion

En ingeniør har mange muligheder, når det gælder design af et driverkredsløb til en piezoelektrisk summer med transducer. Hver driver har sine kompromisløsninger for at opnå det ønskede lydoutput til anvendelsesformålet, uanset om der anvendes simple diskrete komponenter eller mere komplekse kredsløbsdesign. Når de centrale parametre for ydeevne er slået fast, forenkler CUI Devices udvælgelsesprocessen med et let tilgængeligt sortiment af piezo- og magnetsummere, som kan leve op til kravene i det enkelte design.

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.

Om denne forfatter

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.