NOK | EUR | USD

Designteknikker for å øke lydutgangen til en piezoelektrisk transduser-summer

Av Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

Piezoelektriske transduser-summere brukes i en rekke ulike bruksområder og bransjer for hørbar identifisering eller varsling, og de kan avgi variable toner og lyder avhengig av anvendelsens spesifikke behov. Amplituden til lyden som produseres av en piezoelektrisk transduser-summer, er betinget av både den spesifikke summeren som er valgt, og signalet som brukes til å drive summeren. Fordi transduser-summerne trenger en ekstern driverkrets til å produsere en tone eller lyd, finnes det flere metoder for å påvirke lydutgangen til en piezoelektrisk summer basert på utformingen til den eksterne driverkretsen. Selv om dette er enkelt i praksis, tar denne artikkelen sikte på å gi en innføring i funksjonsprinsippene til en piezoelektrisk transduser samt fordelene og begrensningene til vanlige designteknikker for å øke lydutgangen til en transduser.

Funksjonsprinsipper for piezoelektriske transdusere

CUI Devices' tekniske artikkel med grunnleggende informasjon om summere gir en grundig oversikt over piezoelektriske transdusere, men her er en rask gjennomgåelse av teknologien. En piezoelektrisk enhet er konstruert av et materiale som fysisk deformeres når en spenning påføres enheten. Mengden deformasjon og det resulterende støyvolumet som forårsakes av deformasjonen, er knyttet til spenningen som påføres det piezoelektriske materialet. Som nevnt tidligere, trenger en transduser-summer et eksternt magnetiseringssignal for å fungere. Indikatorsummere trenger derimot kun en forsyningsspenning for å fungere, på grunn av en innvendig oscillator. Dette kan gjøre det enklere å designe inn indikatorer, men det begrenser også hvilke typer toner og lyder som produseres, sammenlignet med en transduser.

Enkel driverkrets

I kretsskjemaet nedenfor (figur 1) vises en av de enklere driverkretsene for en piezoelektrisk transduser-summer, som består av en elektronisk bryter, for eksempel en FET eller BJT, og en tilbakestillingsmotstand. Ettersom denne kretsen bare krever noen få, rimelige deler, kan den være et populært valg for mer grunnleggende designer. Men selv om designen er enkel, har den sine ulemper ved at tilbakestillingsmotstanden avleder strøm og spenningen som påføres summeren, er begrenset til forsyningsspenningen (+V). Vær oppmerksom på at summeren og kretsen vil fungere på samme måte uavhengig av om summerterminalen er koblet til +V-forsyningen (som vist i figur 1) eller til jord.

Skjema over driverkrets som består av en elektronisk bryter og tilbakestillingsmotstandFigur 1: Driverkrets som består av en elektronisk bryter og tilbakestillingsmotstand. (Bildekilde: CUI Devices)

Driverkrets med buffere

En tekniker kan redusere strømtapet til tilbakestillingsmotstanden fra den forrige driverkretsen ved å legge til to buffertransistorer (figur 2). Disse to buffertransistorene gjør det mulig å bruke en tilbakestillingsmotstand med høyere impedans på bekostning av at en redusert spenning på omtrent to diodefall, eller ca. 1,2 V, påføres summeren. I likhet med kretsen i figur 1, vil denne summeren og kretsen med de ekstra bufferne fungere på samme måte uansett om den ene summerterminalen er koblet til + V-forsyningen eller til jord.

Skjema over driverkrets med to ekstra buffereFigur 2: Driverkrets med to ekstra buffere. (Bildekilde: CUI Devices)

For å løse problemet med redusert spenning kan en tekniker ganske enkelt reversere posisjonene til BJT-bufferne som brukes ovenfor. Denne kretsen kan også konstrueres med FET-er i stedet for BJT-er som bufferkomponenter. Begge bufferkonfigurasjonene er beskrevet i figur 3.

Skjema der posisjonen til BJT-buffere er reversert (venstre) eller FET-buffere blir brukt i stedet for BJT-er (høyre)Figur 3: Posisjonen til BJT-buffere er reversert (venstre) eller FET-buffere brukes i stedet for BJT-er (høyre). (Bildekilde: CUI Devices)

Halv- og fullbrodrivere

Selv om endringene av bufferkonfigurasjonene nevnt ovenfor (figur 3), er et alternativ, vil de gjøre driverkretsene til bufferne mer komplekse, noe som kanskje ikke er ønskelig ved utforming med diskrete komponenter. Denne typen driver med push-pull-buffere blir ofte referert til som en «halvbro»-driver. En summer kan kobles til mellom utgangene til to halvbrodrivere, og når disse to halvbrodriverne blir drevet ut av fase, kalles de en «fullbro»-driver. Både halvbro- og fullbrodrivere brukes ofte til å drive elektriske motorer, og de er tilgjengelig som rimelige integrerte kretser. Fullbrodrivere har også den fordelen at de leverer to ganger så mye spenningen til summeren som en grunnleggende driver eller halvbrodriver, noe som resulterer i en høyere lydutgang ved bruk av samme forsyningsspenning som andre løsninger.

Kretsskjema for en fullbrodriverFigur 4: Kretsen til en fullbrodriver (Bildekilde: Cui Devices)

Svingekrets

På grunn av den parasittiske kapasitansen som finnes i transduser-summere, har teknikere en ytterligere mulighet til å drive en piezoelektrisk transduser ved å bruke en diskret induksjonsspole til å danne en svingekrets. Svingekretser lagrer og overfører energi vekselvis mellom to elementer. De to elementene i denne anvendelsen er den parasittiske kondensatoren og induksjonsspolen. Figur 5 viser én slik implementering av en svingedriverkrets for en piezoelektrisk transduser-summer.

Svingekretser har flere fordeler, inkludert enkel konstruksjon og muligheten til høy elektrisk virkningsgrad. Spenningen som utvikles i den piezoelektriske summeren, kan også være mye større enn forsyningsspenningen. Svingekretsen kan imidlertid hemmes av at den er avhengig av den parasittiske kapasitansen til en piezoelektrisk transduser, som ikke alltid er godt karakterisert eller kontrollert under produksjonsprosessen. Svingekretser for piezoelektriske transdusere fungerer også bare godt ved en spesifikk frekvens, noe som gjøre dem mindre egnet for anvendelser som krever toner med flere frekvenser. I tillegg påvirker den valgte driftsfrekvensen induksjonsspolen, som kan være fysisk stor og tung sammenlignet med andre kretskomponenter. Modellering av driften til svingekretsen kan også være vanskelig. Det vil si at kretsen kanskje må bli sluttført i laboratoriet i stedet for på designdatamaskinen.

Skjema over svingekretsFigur 5: Eksempel på en svingekrets (Bildekilde: CUI Devices)

Konklusjon

En tekniker har mange alternativer når det kommer til å utforme en driverkrets for en piezoelektrisk transduser-summer. Fra å bruke enkle, diskrete komponenter til mer komplekse kretsdesigner et det unngått noen kompromisser for hver driver for å oppnå den ønskede lydutgangen for en anvendelse. Når de viktigste ytelsesparameterne har blitt fastsatt, gjør CUI Devices utvelgelsesprosessen enkel med et utvalg av piezoelektriske og magnetiske summere som er lett tilgjengelige og oppfyller kravene til en 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 skribenten

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.