Techniki projektowania zwiększające głośność wyjściową brzęczyków piezoelektrycznych

Brzęczyki z przetwornikami piezoelektrycznymi są używane w wielu zastosowaniach i branżach do sygnalizacji dźwiękowej lub w systemach alarmowych i są w stanie wytwarzać różne tony oraz dźwięki w zależności od potrzeb. Amplituda dźwięku wytwarzanego przez brzęczyk z przetwornikiem piezoelektrycznym zależy zarówno od wybranego konkretnego brzęczyka, jak i od sygnału używanego do sterowania brzęczykiem. Ponieważ brzęczyki przetwornikowe wymagają zewnętrznego obwodu sterującego do generowania tonu lub dźwięku, istnieje kilka metod wpływania na dźwięk emitowany przez brzęczyk piezoelektryczny w oparciu o konstrukcję zewnętrznego obwodu sterownika. Choć temat jest prosty w praktyce, ten artykuł ma na celu przedstawienie podstaw zasad działania przetwornika piezoelektrycznego, a także zalet i ograniczeń typowych technik projektowania do zwiększania mocy wyjściowej przetwornika.

Zasada działania przetwornika piezoelektrycznego

Firma Same Sky udostępnia dokumentację techniczną na temat podstaw działania brzęczyków, która zawiera dogłębny przegląd przetworników piezoelektrycznych, ale w niniejszym artykule podano skrócone informacje dotyczące tej technologii. Urządzenie piezoelektryczne jest zbudowane z materiału, który odkształca się mechanicznie, gdy do urządzenia zostanie dostarczone napięcie, przy czym wielkość odkształcenia i wynikowa głośność dźwięku spowodowana odkształceniem jest związana z napięciem dostarczonym do materiału piezoelektrycznego. Jak wspomniano wcześniej, aby brzęczyk przetwornikowy działał, potrzebuje zewnętrznego sygnału. Z drugiej strony brzęczyki sygnalizacyjne wymagają do działania jedynie napięcia zasilającego, gdyż posiadają wewnętrzny oscylator. Może to ułatwić projektowanie sygnalizatorów, ale także ogranicza rodzaje generowanych tonów i dźwięków w porównaniu do przetwornika.

Prosty obwód sterownika

Na poniższym schemacie (ilustracja 1) ukazano jeden z prostszych obwodów sterownika dla brzęczyka za przetwornikiem piezoelektrycznym, który składa się z przełącznika elektronicznego, takiego jak tranzystory FET lub BJT, oraz rezystora resetującego. Ponieważ ten obwód wymaga tylko kilku niedrogich części, może być popularnym wyborem w przypadku podstawowych projektów. Pomimo swej prostoty, konstrukcja ta ma swoje wady polegające na tym, że rezystor resetujący rozprasza moc, a napięcie dostarczane do brzęczyka jest ograniczone do napięcia zasilania (+V). Należy pamiętać, że brzęczyk i obwód będą działać tak samo, niezależnie od tego, czy jeden zacisk brzęczyka jest podłączony do zasilania +V (jak pokazano na ilustracji 1), czy do masy.

Ilustracja 1: obwód sterujący złożony z przełącznika elektronicznego i rezystora resetującego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Obwód sterownika z buforami

Inżynier może zmniejszyć straty mocy na rezystorze resetującym z poprzedniego obwodu sterownika, dodając dwa tranzystory buforowe (ilustracja 2). Pozwalają one na zastosowanie rezystora resetującego wyższej impedancji kosztem napięcia dostarczonego do brzęczyka obniżonego o około 1,2V. Podobnie jak w przypadku obwodu z ilustracji 1, również ten brzęczyk i obwód z dodanym buforem będą działały tak samo niezależnie od tego, czy jeden zacisk brzęczyka jest podłączony do zasilania +V czy do masy.

Ilustracja 2: obwód sterujący z dwoma dodanymi buforami. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Aby rozwiązać problem obniżonego napięcia, inżynier może po prostu zamienić miejscami bufory BJT wykorzystane wcześniej. Obwód ten można również zbudować stosując tranzystory FET zamiast BJT w charakterze komponentów buforowych. Obie konfiguracje buforów przedstawiono na ilustracji 3.

Ilustracja 3: odwrócona pozycja buforów BJT (po lewej) oraz buforów FET zamiast BJT (po prawej). (Źródło ilustracji: Same Sky)

Sterowniki pełnomostkowe i półmostkowe

Chociaż zmiany konfiguracji buforów wspomniane powyżej (ilustracja 3) są dopuszczalne, komplikują one obwody sterujące dla buforów, co może nie być pożądane przy projektowaniu z użyciem komponentów dyskretnych. Ta forma sterownika z buforami zmiennokierunkowymi jest powszechnie określana jako sterownik „półmostkowy”. Brzęczyk można podłączyć między wyjściami dwóch sterowników półmostkowych. Gdy dwa półmostkowe sterowniki są sterowane z różnymi fazami, nazywa się je „pełnomostkowymi”. Zarówno półmostkowe, jak i pełnomostkowe sterowniki są często używane do sterowania silnikami elektrycznymi i są dostępne jako niedrogie układy scalone. Sterowniki pełnomostkowe zapewniają również korzyści polegające na dostarczeniu do brzęczyka podwójnego napięcia w porównaniu ze sterownikami podstawowymi lub półmostkowymi, co daje głośniejszy dźwięk przy zastosowaniu takiego samego napięcia zasilania.

Ilustracja 4: obwód sterownika pełnomostkowego (źródło ilustracji: Same Sky)

Obwód rezonansowy sterownika

Ze względu na pojemność pasożytniczą występującą w brzęczykach przetwornikowych, inżynierowie mają dodatkową opcję sterowania przetwornikiem piezoelektrycznym poprzez wykorzystanie dyskretnej cewki indukcyjnej w celu utworzenia obwodu rezonansowego. Obwody rezonansowe przechowują i przekazują energię naprzemiennie między dwoma elementami, przy czym w przypadku takiego zastosowania są to kondensator „pasożytniczy” i cewka indukcyjna. Ilustracja 5 ukazuje jedną z takich realizacji obwodu rezonansowego sterownika dla brzęczyka przetwornikowego.

Obwody rezonansowe sterownika oferują szereg korzyści, między innymi prostą konstrukcję i potencjalnie wysoką sprawność elektryczną. Napięcie wytwarzane na brzęczyku piezoelektrycznym może być również znacznie większe niż napięcie zasilania. Jednak obwód rezonansowy sterownika może być ograniczony przez fakt, że jest on zależny od pasożytniczej pojemności przetwornika piezoelektrycznego, który podczas procesu produkcyjnego nie zawsze jest dobrze scharakteryzowany lub kontrolowany. Obwody rezonansowe sterownika przetwornika piezoelektrycznego również działają dobrze tylko przy jednej określonej częstotliwości, co sprawia, że są mniej odpowiednie do zastosowań wymagających tonów o wielu częstotliwościach. Ponadto wybrana częstotliwość robocza wpływa na cewkę indukcyjną, która może być fizycznie duża i ciężka w porównaniu do innych elementów obwodu. Modelowanie działania obwodu rezonansowego może być również trudne, co oznacza, że obwód może wymagać finalizacji w laboratorium, a nie na komputerze projektowym.

Ilustracja 5: przykład obwodu rezonansowego sterownika (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Inżynier ma wiele opcji, jeśli chodzi o projektowanie obwodu sterownika dla brzęczyka z przetwornikiem piezoelektrycznym. Od stosowania prostych komponentów dyskretnych po bardziej złożone układy obwodów - każdy sterownik ma własny zestaw zalet i wad w zakresie uzyskania dźwięku pożądanego w danym zastosowaniu. Po określeniu kluczowych parametrów eksploatacyjnych firma Same Sky ułatwia proces wyboru, udostępniając szereg brzęczyków piezoelektrycznych i magnetycznych spełniających wymagania danego projektu.