Konstruktionstekniker som förbättrar utgående ljud för en piezoelektrisk summer (transduktor)

En piezoelektrisk summer (transduktor) kan användas inom flera olika tillämpningar och branscher, för ljudidentifiering eller varningar med variabla toner och ljud som kan anpassas efter tillämpningens specifika behov. Amplituden för det ljud som genereras av en piezoelektrisk summer (transduktor) varierar beroende på den specifika summer som väljs och den signal som används för att driva summern. Eftersom sumrar (transduktorer) kräver en extern drivkrets för att generera en ton eller ett ljud finns det flera olika metoder att kunna påverka utgående ljud för en piezoelektrisk summer baserat på designen för den externa drivkretsen. I den här artikeln ska vi inte gå på djupet i ämnet, men vi vill ändå försöka beskriva funktionssättet för en piezoelektrisk transduktor samt fördelarna och begränsningarna för vanliga konstruktionstekniker som används för att utöka transduktorns utgående ljud.

Funktionssätt för en piezoelektrisk transduktor

Same Sky tekniska rapport om grunderna för sumrar ger en omfattande översikt över piezoelektriska transduktorer, men här ska vi nöja oss med en snabbgenomgång av tekniken. En piezoelektrisk anordning konstrueras av ett material som deformeras fysiskt när spänning appliceras över anordningen. Deformationsgraden och resulterande ljudvolym från deformationen står i relation till den spänning som appliceras över det piezoelektriska materialet. Som vi nämnde tidigare kräver en summer (transduktor) en extern excitationssignal för att fungera. Indikatorsumrar behöver å andra sidan matningsspänning för att fungera på grund av en intern oscillator. Detta kan underlätta konstruktion av indikatorer, men också begränsa de olika toner och ljud som genereras jämfört med för en transduktor.

Enkel drivkrets

I kretsschemat nedan (figur 1) visas den enkla drivkretsen för en piezoelektrisk summer (transduktor), vilken består av en elektronisk switch (exempelvis en fälteffekttransistor eller BJT) och ett pullup-motstånd. Eftersom det för denna krets endast behövs ett fåtal billiga delar kan den bli ett populärt val för många allmänna konstruktioner. Dess konstruktion har emellertid nackdelen att pullup-motstånd avleder effekt och att den applicerade spänningen på summern begränsas till matningsspänningen (+V). Observera att summern och kretsen fungerar på samma sätt oavsett om den ena summeranslutningen är ansluten till +V-matning (se figur 1) eller jord.

Figur 1: Drivkrets bestående av elektronisk switch och pullup-motstånd. (Bildkälla: Same Sky)

Drivkrets med buffertar

Ingenjörer kan reducera pullup-motståndets effektförlust i den föregående drivkretsen genom att lägga till två bufferttransistorer (figur 2). Tack vare dessa två bufferttransistorer kan ett pullup-motstånd med högre impedans användas, vilket ger nackdelen att den spänning som appliceras på summern reduceras med cirka två diodspänningsfall (dvs. cirka 1,2 V). Precis som kretsen i figur 1 fungerar denna summer och krets med extra buffertar på samma sätt oavsett om den ena summeranslutningen är ansluten till +V-matning eller jord.

Figur 2: Drivkrets med två tillagda buffertar. (Bildkälla: Same Sky)

För att hantera problemet med reducerad spänning kan ingenjörer helt enkelt reversera positionerna för de BJT-buffertar som används ovan. Kretsen kan också konstrueras med fälteffekttransistorer istället för BJT som buffertkomponenter. Båda buffertkonfigurationerna visas i figur 3.

Figur 3: Position för reverserade BJT-buffertar (vänster) eller fälteffekttransistorbuffertar istället för BJT (höger). (Bildkälla: Same Sky)

Drivkretsar med halvbrygga och helbrygga

De ändringar av buffertkonfigurationerna som nämns ovan (figur 3) är ett tillval, men de gör drivkretsarna för buffertarna mer komplexa – vilket kanske inte är önskvärt vid design av diskreta komponenter. Denna form av drivsteg med push-pull-buffertar kallas vanligtvis drivkrets med halvbrygga. En summer kan anslutas mellan utgångarna för två av drivkretsarna med halvbrygga. När dessa två drivkretsar fasförskjuts kallas de drivkrets med helbrygga. Både drivkretsar med halvbrygga och helbrygga används ofta för att driva elmotorer och finns som billiga integrerade kretsar. Drivkretsar med helbrygga har också den fördelen att de levererar dubbelt så mycket spänning till summern som en vanlig drivkrets eller drivkrets med halvbrygga. Detta resulterar i högre utgående ljud vid samma matningsspänning än för andra lösningar.

Figur 4: Drivkrets med helbrygga (Bildkälla: Same Sky)

Resonant drivkrets

På grund av den parasitiska kapacitans som finns i transduktorsumrar har utvecklarna möjlighet att driva en piezoelektrisk transduktor med en diskret induktor för att bygga en resonant krets. Resonanta kretsar lagrar och överför energi alternerande mellan två element (de två elementen i denna applikation är den parasitiska kondensatorn och induktorn). I figur 5 visas en sådan implementering av en resonant drivkrets för en piezoelektrisk summer (transduktor).

Resonanta drivkretsar ger många fördelar, bland annat enkel konstruktion och potential för hög elektrisk verkningsgrad. Den spänning som utvecklas över en piezoelektrisk summer kan också vara mycket högre än matningsspänningen. En resonant drivkrets kan emellertid påverkas negativt av att den är beroende av en piezoelektrisk transduktors parasitiska kapacitans, vilken under tillverkningsprocessen inte alltid är välkarakteriserad eller kontrollerad. Resonanta drivkretsar med piezoelektrisk transduktor fungerar bra endast vid en specifik frekvens, vilket gör dem mindre lämpliga i applikationer där det krävs flera frekvenstoner. Dessutom påverkar den valda driftfrekvensen induktorn, vilken kan vara fysiskt större och tyngre än andra kretskomponenter. Att modellera funktionen hos en resonant krets kan också vara svårt, vilket betyder att kretsen kan behöva slutföras i labbet snarare än med datorn som används för konstruktion.

Figur 5: Exempel på resonant drivkrets (Bildkälla: Same Sky)

Slutsats

Ingenjörer har många alternativ när det gäller design av en drivkrets för en summer med piezoelektrisk transduktor. Varje drivkrets har sina egna kompromisser för att uppnå applikationens önskade utgående ljud, från användning av enkla diskreta komponenter till mer komplexa kretsutformningar. När viktiga prestandaparametrar har fastställts underlättar Same Sky urvalsprocessen tack vare deras flera piezoelektriska sumrar och magnetsumrar för olika konstruktionskrav.