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如何增加压电变送器蜂鸣器音频输出?

【导读】作为一种声音识别或报警手段,压电变送器蜂鸣器广泛应用于各种应用和行业,它能够根据应用的具体需要产生不同的音调和声音。压电变送器蜂鸣器产生的声音幅度取决于所选的特定蜂鸣器和用于驱动蜂鸣器的信号。由于压电变送器蜂鸣器需要外部驱动电路来产生音调或声音,因此根据外部驱动电路的设计,有几种方法可以影响压电蜂鸣器的音频输出。


作为一种声音识别或报警手段,压电变送器蜂鸣器广泛应用于各种应用和行业,它能够根据应用的具体需要产生不同的音调和声音。压电变送器蜂鸣器产生的声音幅度取决于所选的特定蜂鸣器和用于驱动蜂鸣器的信号。由于压电变送器蜂鸣器需要外部驱动电路来产生音调或声音,因此根据外部驱动电路的设计,有几种方法可以影响压电蜂鸣器的音频输出。虽然在实际应用中很简单,但本文旨在简单介绍压电变送器的工作原理,以及常用的设计技术对于增加变送器音频输出的优点和限制。

压电变送器的工作原理

CUI Devices 关于蜂鸣器基本知识的技术论文深入介绍了压电变送器,这里只对该技术进行简单回顾。压电器件由施加电压时会发生物理变形的材料构成,其中变形量和由变形引起的组合噪音音量与压电材料上所施加的电压有关。如前所述,变送器式蜂鸣器需要外部激励信号才能工作。另一方面,由于使用了内部振荡器,指示器式蜂鸣器则只需要供电电压即可工作。与变送器相比,这虽然使得指示器设计导入更为简单,但也会使所产生的音调和声音的类型受限。

简单的驱动电路

下面所示的电路图(图 1)是一种较为简单的压电变送器蜂鸣器驱动电路,它由电子开关(如 FET 或 BJT)和复位电阻组成。由于该电路只需要几个便宜的零件,因此常用于更基本的设计。但是,虽然这种设计很简单,但缺点是复位电阻会耗散功率,且施加到蜂鸣器的电压会限制为供电电压 (+V)。请注意,无论这一个蜂鸣器端子是连接到 +V 电源(如图 1 所示)还是接地,蜂鸣器和电路的工作方式是相同的。

如何增加压电变送器蜂鸣器音频输出?
图 1:由电子开关和复位电阻组成的驱动电路。(图片来源:CUI Devices)

带缓冲器的驱动电路

工程师可以通过增加两个缓冲晶体管,来减少前面驱动电路中复位电阻的功率损耗(图 2)。这两个缓冲晶体管允许使用更高阻抗的复位电阻,代价是在蜂鸣器上施加的电压降低约两个二极管压降,即约 1.2 V。同样,与图 1 的电路类似,无论这一个蜂鸣器端子是连接到 +V 电源还是接地,该蜂鸣器和附加缓冲器的电路都会以相同的方式工作。

如何增加压电变送器蜂鸣器音频输出?

图 2:带两个附加缓冲器的驱动电路。(图片来源:CUI Devices)

要解决电压降低的问题,工程师只需反转上面使用的 BJT 缓冲器的位置。此外,该电路也可以用 FET 代替 BJT 用作缓冲器组件来构建。图 3 展示了这两种缓冲器的配置。

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反转的 BJT 缓冲器位置(左)或替代 BJT 的 FET 缓冲器(右)示意图

图 3:反转的 BJT 缓冲器位置(左)或替代 BJT 的 FET 缓冲器(右)。(图片来源:CUI Devices)

半桥和全桥驱动器

虽然可以选择更改上述缓冲器配置(图 3),但这会使缓冲器的驱动电路更加复杂,而使用分立元器件进行设计时,可能并不需要如此。这种采用推挽式缓冲器的驱动器形式通常称为“半桥”驱动器。蜂鸣器可以连接在两个半桥驱动器的输出之间,当这两个半桥驱动器以异相驱动时,它们就称为“全桥”驱动器。半桥驱动器和全桥驱动器通常都可用于驱动电动机,并且可以作为廉价的集成电路使用。相比基本驱动器或半桥驱动器,全桥驱动器还具有为蜂鸣器提供两倍电压的优势,因而在使用与其他解决方案相同的供电电压时,可产生更大的声音输出。

如何增加压电变送器蜂鸣器音频输出?

图 4:全桥驱动电路(图片来源:CUI Devices)

谐振驱动电路

由于变送器蜂鸣器中存在寄生电容,工程师有了一个额外的选择,即利用分立电感器形成谐振电路,来驱动压电变送器。谐振电路在两个元件之间交替存储和传递能量;在此应用中,这两个元件是寄生电容器和电感器。图 5 展示了一种这样的压电变送器蜂鸣器谐振驱动电路实现方式。

谐振驱动电路具有几个优点,包括结构简单和高能效潜力。此外,压电蜂鸣器两端产生的电压也可能比供电电压大得多。但是,谐振驱动电路可能会因依赖于压电变送器的寄生电容而受到阻碍,因为寄生电容在制造过程中并不总是可以很好地表征或控制。而且,谐振压电变送器驱动电路只在一个特定频率下表现良好,因而不太适合需要多种频率音调的应用。此外,所选的工作频率会影响电感器,与其他电路组件相比,电感器既体积庞大又笨重。对谐振电路的操作进行建模也可能会很困难,这意味着电路最终可能需要在实验室完成,而不是在设计计算机上。

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图 5:谐振驱动电路示例(图片来源:CUI Devices)

总结

在为压电变送器蜂鸣器设计驱动电路时,工程师有很多选择。从使用简单的分立元器件到更复杂的电路设计,每种驱动器都有自己的一套折衷方案,以达到应用所需的声音输出。在确定关键性能参数后,即可从 CUI Device 提供的一系列现成压电和电磁蜂鸣器中轻松进行选择,以满足设计要求。


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