Схема генератора звука для пьезоизлучателя

Простая схема увеличения акустического выхода пьезоэлектрического преобразователя

Knowles SPW2430HR5H-B

Для увеличения акустической мощности пьезодинамика или ультразвукового преобразователя было предложено много разных идей. Большинство из них основано на довольно сложных схемах, увеличивающих общую стоимость решения; например, повышение низкого напряжения питания логики до более высокого напряжения или использование H-моста.

Напротив, в этой статье показано, как можно увеличить акустическую мощность пьезоэлектрического преобразователя, минимизировав количество деталей и стоимость. Прежде чем мы приступим к обсуждению нового подхода, давайте рассмотрим некоторые из наиболее часто используемых пьезоакустических схем и их недостатки.

Простейшая схема драйвера пьезоэлемента состоит из преобразователя и ключевого транзистора (Рисунок 1). Напряжение на преобразователе не может быть больше напряжения источника питания, которое и определяет верхний предел акустической мощности. Резистор R2 служит для разряда емкости преобразователя. Постоянная времени RC должна быть короткой относительно периода резонансной частоты преобразователя. Низкие сопротивления резисторов снижают электрический КПД при гашении механического (акустического) резонанса преобразователя, что, конечно, снижает акустическую эффективность.

Самым распространенным способом усовершенствования является замена R2 дросселем, как показано на Рисунке 2.

Величину индуктивности часто выбирают такой, чтобы получить электрический резонанс с емкостью преобразователя (излучателя) при акустическом резонансе преобразователя. Этот подход может обеспечить более высокую акустическую мощность, чем параллельный резистор, однако он оставляет еще множество возможностей для улучшения. В лучшем случае пиковое напряжение на преобразователе может достигать 40 В, тогда как более типичное значение при напряжении питания 5 В составляет 20 В.

Это связано с тем, что переход коллектор-база транзистора смещен в прямом направлении во время отрицательной полуволны напряжения на параллельном резонансном контуре, образованном индуктивностью и емкостью преобразователя, что ограничивает размах напряжения, уменьшая акустический выход.

Добавление диода изолирует переход коллектор эмиттер (или, если используется MOSFET, переход паразитного диода) от этой отрицательной полуволны, обеспечивая намного больший размах напряжения на преобразователе и увеличивая акустическую мощность (Рисунок 3). Хотя прямое напряжение диода снижает приложенное напряжение питания, повышенное напряжение при резонансе более чем компенсирует эту небольшую потерю.

Чтобы добиться каких-либо дальнейших улучшений, мы должны учесть, что на самом деле в этой небольшой системе существуют два резонанса:

1. Акустический резонанс преобразователя, механический и объемный резонансы.
2. Электрический резонанс индуктивности и емкости преобразователя.

Частота электрического резонанса не обязательно должна совпадать с частотой акустического резонанса. На самом деле, если она примерно в 2 раза больше, чем частота акустического резонанса, пиковое напряжение на преобразователе может быть значительно увеличено.

Это иллюстрируется Рисунком 4, где осциллограммы получены при следующих параметрах схемы:

1. Напряжение источника питания: 5 В DC;
2. Индуктивность: L1 – 3.2 мГн;
3. Емкость пьезопреобразователя: 2 нФ;
4. Частота источника сигнала (40 кГц) равна резонансной частоте излучателя;
5. Коэффициент заполнения импульсов источника сигнала подобран так, чтобы исключить большие выбросы тока при включении.

Обратите внимание, что пункт 5 обозначает потенциальную проблему, скрывающуюся в этом новом решении, которую необходимо устранить. Если источник сигнала может включать транзистор после того, как напряжение преобразователя становится положительным, будет происходить мощный короткий выброс тока, который способен снизить электрический КПД и потенциально со временем разрушить транзистор. Увеличение коэффициента заполнения, чтобы транзистор включался, когда резонансное напряжение слегка отрицательное, позволяет устранить этот выброс.

После того, как мы все обсудили, давайте посмотрим, как наша схема ведет себя в реальной жизни, используя для этого удобный четырехканальный интеллектуальный осциллограф:

• Желтый – управляющее напряжение с пиковым значением 5 В, частотой 40 кГц и коэффициентом заполнения примерно 48%;
• Фиолетовый – напряжение на преобразователе при электрическом резонансе: 92 В пик-пик, 80 кГц;
• Зеленый – эмиттерный ток транзистора с пиковым уровнем примерно 80 мА и частотой 40 кГц;
• Синий – акустическая мощность преобразователя, измеренная МЭМС микрофоном.

Высокое пиковое напряжение на преобразователе достигается за счет использования дросселя с индуктивностью меньшей, чем требуется для резонанса на частоте 40 кГц, что позволяет току возрастать примерно в два раза быстрее. В рассматриваемом примере это обеспечивает удвоенный ток для «зарядки» магнитного поля дросселя.

В данной системе это приводит к большему смещению поверхности преобразователя, и, соответственно, увеличивает акустическую мощность.

Эту статью не следует рассматривать как исчерпывающий трактат по резонансным схемам. Она просто демонстрирует процедуру, позволяющую с помощью очень простой и недорогой схемы увеличить акустическую мощность любого резонансного пьезоэлектрического преобразователя или излучателя.

Кратко эту процедуру можно изложить следующим образом:

1. Определяем частоту акустического резонанса преобразователя;
2. Формируем последовательность управляющих импульсов такой же частоты, начиная с коэффициента заполнения 50%;
3. При необходимости регулируем коэффициент заполнения, чтобы убрать выбросы тока при включении;
4. Определяем значение емкости преобразователя;
5. Выбираем такое значение индуктивности, с которым частота электрического резонанса будет примерно вдвое выше частоты акустического резонанса.

Смоделировать представленную здесь акустическую/ электрическую схему в симуляторе может быть непросто, поскольку преобразователь содержит два или более потенциально резонансных элемента. К ним относятся механически резонанс преобразовательного элемента, акустический резонанс корпуса преобразователя (называемый резонансом Гельмгольца) и, конечно же, электрический резонанс емкости преобразователя с внешней индуктивностью.

Акустическая нагрузка излучением из порта преобразователя или его диафрагмы добавляет еще одну сложность к моделированию. Простое электрическое моделирование этой схемы дает на преобразователе 240 В пик-пик, что больше удвоенного напряжения, полученного в реальной схеме. Причиной большей части потерь, снижающих пиковое напряжение преобразователя в этой системе по сравнению с моделируемыми результатами, может быть акустическая нагрузка.

С помощью этой простой процедуры можно с минимальными затратами времени и сил легко добиться максимальной акустической мощности преобразователя.

Источник

Самодельный пьезокерамический излучатель со встроенным генератором

.
В последнее время достаточно часто в конструкциях радиолюбителей встречаются пьезокерамические излучатели со встроенным генератором. С одной стороны это удобно – подал на такой прибор напряжение и получил звуковой сигнал. Но что делать, если такого излучателя нет под рукой? Собирать генератор? Проще всего это сделать на микросхеме КМОП или ТТЛ, но этот вариант сильно ограничивает диапазон питающих напряжений (он лежит в допустимых и очень узких для конкретного типа микросхем пределах), а значит и область применения такого сигнализатора. Кроме того размеры микросхемы и так достаточно велики, а ведь нужен еще и частотозадающий конденсатор. Выход – собрать аналог пьезокерамического излучателя со встроенным генератором на транзисторах разной проводимости.

Схема достаточно проста, не займет много места, и будет работать при подаче на нее любого напряжения из диапазона от 1 до 10 В. При этом ток потребления будет изменяться от 0.4 до 5 мА. В роли частотозадающего конденсатора выступает сам излучатель, что тоже уменьшает размеры конструкции. На месте VT1 и VT2 могут работать любые маломощные кремниевые транзисторы соответствующей проводимости, BQ1 – практически любой пьезокерамический излучатель. Налаживание устройства сводится к настройке генератора на резонансную частоту излучателя. Делают это подбором номинала резистора R1 на слух, добиваясь резкого увеличения громкости излучателя.

Источник

Как увеличить громкость пьезо пищалки

В электронике часто используют звуковые пьезоэлектрические динамики или буззеры пьезоэлектрические (piezo buzzer). В народе — пищалки или пьезо пищалки. Они могут быть разных размеров, но идея у них одинаковая: использование обратного пьезоэффекта для генерирования звука. Такие пьезо пищалки могут быть со встроенным генератором. Достаточно подать на них напряжение и они будут монотонно пищать. Но большинство из них — без генератора. О них и пойдет речь. Основная проблема при использовании таких пищалок — это повышение их громкости. Вы должны понимать, что речь идет о генерации звука дискретным выходом в цифровых схемах, а не о повышении мощности аналогового звукового сигнала.

Если подключить такую ​​пьезопищалку к микроконтроллеру, как показано на схеме, — громкость будет слабой.

На самом деле, чтобы добиться нормальной громкости пьезопищалки надо обеспечить три основных условия:

• оптимальное напряжение, подаваемое на пьезопищалку (около 20 В);
• частота должна быть близкой к резонансной. Для многих — в диапазоне 2500..3500 Гц;
• правильно подобранный резонансный объем.

Кстати, об этом почти никто не говорит, хотя правильный подбор геометрии объема эффективно влияет на повышение громкости. Вы наверное обратили внимание, что «фирменные» пищалки продаются в корпусе. Этот корпус и создает оптимальный резонансный объем и имеет оптимальное отверстие для выхода звука.

Схема повышения напряжения

Эта схема выдает монополярные импульсы, но она достаточно проста и компактна. Самая большая деталь по размеру — это дроссель. Работает схема следующим образом: когда открывается транзистор, через дроссель начинает течь ток. Ток на дросселе не может вырасти скачком, на индуктивностях ток нарастает постепенно. Когда транзистор закрывается, ток уменьшается, а на выводе дросселя скачком увеличивается напряжение. Уровень этого напряжения зависит от номинала дросселя, входного напряжения питания, и других параметров схемы. В этой схеме задействованы следующие элементы:

• пьезопищалка — диаметром 27 мм;
• дроссель — RCH855NP-332K 3.3 мГн;
• транзистор — полевой IRLML2402. Можно использовать и другие транзисторы, выдерживающие напряжение 20 В и ток 100 мА;
• диод — любой;
• конденсатор — любой, желательно танталовый или электролитический, включен в параллель с керамическим, общей емкостью от 100 мФ.

Надо позаботиться о том, чтобы транзистор не открывался сам по себе. Поэтому не включайте эту схему, когда затвор транзистора «висит в воздухе».

Частота

Резонансный объем

Диаметр кольца — примерно 28мм Высота кольца — 2.6мм Диаметр выходного отверстия — 5мм.

Обратите внимание, какой стороной вклеена пищалка. Для того, чтобы вывести провода в кольце сделан специальный паз. Проще было бы вклеивать пищалку так, чтобы оба провода выходили сверху. Так раньше и делал. Но оказалось, что при таком положении звук значительно громче.

P.S. Размеры внутренних объемов различных пищалок:

Источник