用簡(jiǎn)單的電路增壓電換能器聲輸出

已經(jīng)提出了許多不同的想法來(lái)增加壓電蜂鳴器或超聲波換能器的聲輸出。它們中的大多數(shù)都涉及相當(dāng)復(fù)雜的電路，從而增加了解決方案的總成本;例如將低壓邏輯電源升壓至更高電壓或使用 H 橋拓?fù)洹?/p>

相比之下，此設(shè)計(jì)理念展示了如何在最大程度地減少零件數(shù)量和成本的同時(shí)增加壓電換能器的聲輸出。在了解新方法之前，讓我們先了解一些最常用的壓電聲學(xué)設(shè)計(jì)及其缺點(diǎn)。

最簡(jiǎn)單的壓電驅(qū)動(dòng)電路由換能器和開(kāi)關(guān)晶體管組成(圖 1)。換能器兩端的電壓不能大于電源電壓，這對(duì)聲輸出設(shè)置了上限。電阻器 R2 用于對(duì)換能器的電容進(jìn)行放電。相對(duì)于換能器諧振頻率的周期，RC 時(shí)間常數(shù)應(yīng)該較短。低電阻值會(huì)降低電效率，同時(shí)抑制換能器的機(jī)械(聲學(xué))共振，這當(dāng)然會(huì)降低聲學(xué)效率。

壓電驅(qū)動(dòng)電路

圖 1雖然這種壓電驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，但效率非常低。

如圖 2所示，此電路的常見(jiàn)增強(qiáng)功能是用電感器代替 R2 。

改進(jìn)的壓電驅(qū)動(dòng)電路

圖 2用電感器代替 R2 提高了壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出和效率。

通常選擇電感值以在換能器的聲共振處與換能器(蜂鳴器)的電容電共振。這種方法可以提供比并聯(lián)電阻方法更多的聲音輸出，但仍有很大的改進(jìn)空間。最好的情況是，換能器兩端的峰峰值電壓可能達(dá)到 40Vppk，而 20Vppk 在 5V 電源下更為典型。

這是因?yàn)?a target="_blank">晶體管集電極-基極結(jié)在電感器和換能器電容形成的并聯(lián)諧振電路的負(fù)擺幅上正向偏置，從而鉗位電壓擺幅，限制聲學(xué)輸出。

添加一個(gè)二極管可將 CE 結(jié)(或者如果使用 FET，體二極管結(jié))與該負(fù)擺幅去耦，從而在換能器上提供更大的電壓擺幅，從而增加聲學(xué)輸出(圖 3)。雖然二極管的正向電壓確實(shí)降低了施加的電源電壓，但增加的諧振電壓足以彌補(bǔ)這一小損失。

壓電驅(qū)動(dòng)電路二極管

圖 3使用二極管可以消除電路的負(fù)擺幅。

為了實(shí)現(xiàn)任何進(jìn)一步的改進(jìn)，我們需要考慮在這個(gè)小系統(tǒng)中實(shí)際上有兩個(gè)共振在起作用：

換能器的聲共振、機(jī)械和空腔共振適用

電感和換能器電容的電諧振

電諧振頻率不必與聲諧振頻率相同。事實(shí)上，如果它大約是聲共振的 2 倍，換能器上的峰值電壓會(huì)大大增加。

這在圖 4中進(jìn)行了演示，其中使用以下電路參數(shù)導(dǎo)出波形：

電源 = 5VDC

L1 = 3.2mHy

C(壓電)= 2nF

信號(hào)源頻率=PZ1，諧振頻率=40KHz

調(diào)整信號(hào)源占空比以消除開(kāi)啟時(shí)的大電流尖峰

請(qǐng)注意，第 5 項(xiàng)標(biāo)識(shí)了一個(gè)必須解決的潛伏在這個(gè)新解決方案中的潛在問(wèn)題。如果信號(hào)源可以在換能器電壓變?yōu)檎蟠蜷_(kāi)晶體管，則會(huì)出現(xiàn)較大的窄電流尖峰，這會(huì)降低電效率并可能隨著時(shí)間的推移而降低晶體管的性能。增加占空比以導(dǎo)致晶體管導(dǎo)通，同時(shí)諧振電壓略微為負(fù)，從而消除了該尖峰。

整理好所有內(nèi)容后，讓我們使用方便的四跡線智能示波器看看我們的電路在現(xiàn)實(shí)生活中的表現(xiàn)：

黃色 = 驅(qū)動(dòng)電壓，~48% 占空比，5Vppk。在 40KHz

紫色 = 換能器兩端的電氣諧振電壓，92Vppk。在80KHz

綠色 = 晶體管發(fā)射極電流，在 40KHz 時(shí)峰值約為 80mA

藍(lán)色 = 換能器的聲輸出，用 MEMS 麥克風(fēng)測(cè)量

壓電驅(qū)動(dòng)電路波形

圖 4這是電路在現(xiàn)實(shí)生活中的表現(xiàn)。

換能器上的高峰值電壓是通過(guò)使用比在 40KHz 諧振的電感器更小的電感器實(shí)現(xiàn)的，允許電流上升大約兩倍的速度，在這個(gè)例子中，提供兩倍的電流來(lái)“充電”??電感器的磁場(chǎng)。

峰值電壓類似于推動(dòng)秋千，可用的峰值電壓越高，提供的推動(dòng)力就越強(qiáng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，這轉(zhuǎn)化為換能器表面的更大位移，從而產(chǎn)生更大的聲輸出。

本設(shè)計(jì)理念并非詳盡無(wú)遺的諧振電路專著。相反，它演示了一個(gè)程序，通過(guò)該程序可以使用非常簡(jiǎn)單、低成本的電路將任何諧振壓電換能器或蜂鳴器驅(qū)動(dòng)到高聲輸出。

該過(guò)程可以總結(jié)如下：

確定換能器的聲共振頻率

創(chuàng)建相同頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖序列，從 50% 的占空比開(kāi)始

根據(jù)需要調(diào)整占空比以消除開(kāi)啟時(shí)的電流尖峰

確定換能器的電容值

選擇一個(gè)電感值，該電感值將以大約兩倍的聲共振產(chǎn)生電共振。

可能很難在仿真中復(fù)制此處呈現(xiàn)的聲學(xué)/電路，因?yàn)閾Q能器由兩個(gè)或多個(gè)潛在的諧振元件組成。這些包括換能器元件的機(jī)械共振、換能器外殼的聲學(xué)共振(參考亥姆霍茲共振)，當(dāng)然還有換能器電容與外部電感的電共振。

來(lái)自換能器端口或隔膜的輻射聲學(xué)負(fù)載增加了模擬的另一個(gè)困難。該電路的簡(jiǎn)單電氣仿真在換能器上產(chǎn)生了 240Vppk，是實(shí)際電路中產(chǎn)生的兩倍多。與模擬結(jié)果相比，聲學(xué)負(fù)載可能代表降低該系統(tǒng)中峰值換能器電壓的大部分損失。

通過(guò)使用這一簡(jiǎn)單的程序，可以輕松地以最少的時(shí)間和精力最大化傳感器輸出。

審核編輯：湯梓紅