如何驅(qū)動(dòng)壓電蜂鳴器及驅(qū)動(dòng)電路原理

上一回我們介紹了壓電蜂鳴器的原理與制程，并說明了電聲組件對(duì)空氣的「阻抗轉(zhuǎn)換」觀念。這回我們要探討如何驅(qū)動(dòng)壓電蜂鳴器以及驅(qū)動(dòng)電路上該注意的事。

驅(qū)動(dòng)一個(gè)電容器

我們上次說過，壓電蜂鳴器從結(jié)構(gòu)上來看，它就是一個(gè)電容器：兩片電極中間夾著不導(dǎo)電的陶瓷。如果不考慮線性度，而只需要夠大的電流來驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的電磁揚(yáng)聲器，我們通?？梢赃@樣做：

電磁揚(yáng)聲器是一個(gè)直流電阻很小的電感性組件，因此我們可以輕易地用一顆晶體管控制電流流過它，來驅(qū)動(dòng)它發(fā)聲，但如果我們直接把上面那個(gè)電路中的電磁揚(yáng)聲器換成壓電蜂鳴器：

這個(gè)電路是行不通的。

最主要的原因是，壓電蜂鳴器是一個(gè)電容性的負(fù)載，上面這個(gè)電路只能對(duì)這個(gè)電容器充電，卻不能幫它放電，因此電荷會(huì)一直累積在壓電蜂鳴器的電容上，導(dǎo)致壓電材料上面的電場(chǎng)一直都維持在同一個(gè)大小，沒有變化，它就不會(huì)震動(dòng)了。

如果我們直接用三用電表的電阻檔去量壓電蜂鳴器，可以發(fā)現(xiàn)它的電阻是無限大：

除了當(dāng)探棒剛接觸上去的那一瞬間時(shí)電阻檔會(huì)有一點(diǎn)讀值之外，接下來量出來的電阻都是無限大，也就是說它對(duì) DC 來說是不導(dǎo)通的，而探棒剛接觸上去時(shí)，之所以會(huì)有讀值，是因?yàn)樗碾娙萜骼锩孢€沒有電荷時(shí)，電表的電阻檔測(cè)量用的微小電流對(duì)它充電所造成的，但是當(dāng)壓電蜂鳴器的電容充飽后，就沒有電流可以流過去了，因此它的 DC 電阻也就變成無限大。

雙向驅(qū)動(dòng)電路

要驅(qū)動(dòng)壓電蜂鳴器，驅(qū)動(dòng)電路就要能對(duì)它充電、放電，因此如果要用晶體管來做，這個(gè)電路就會(huì)像這樣：

這種驅(qū)動(dòng)電路有個(gè)名字，叫做 totem pole driver，因?yàn)樗舷聦?duì)稱的形狀看起來像是長翅膀的圖騰柱。

當(dāng)來自前面的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)為 high 時(shí)，NPN 晶體管 Q1 導(dǎo)通，對(duì)壓電蜂鳴器充電，建立它上面的電場(chǎng)，而當(dāng)來自前面的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)為 low 時(shí)，PNP 晶體管 Q2 導(dǎo)通，壓電蜂鳴器上的電荷透過 Q2 被放掉，壓電材料上的電場(chǎng)消失；因?yàn)檫@個(gè)電路可以 source（流出）電流，也可以 sink（流入）電流，因此我們說它是一個(gè)雙向（bi-directional）的驅(qū)動(dòng)電路。

其實(shí)類似的驅(qū)動(dòng)電路常常被用在驅(qū)動(dòng)電容性的負(fù)載，像是很大顆的 power MOSFET，因?yàn)樗拈l極電容很大，如果邏輯電路的輸出沒有足夠的電流能力直接驅(qū)動(dòng)它，就會(huì)搭配這樣的驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)。

規(guī)格解讀

我們來看一個(gè)實(shí)際的壓電蜂鳴器規(guī)格書。

這是被動(dòng)組件廠商 Murata 的壓電蜂鳴器產(chǎn)品線之一的型號(hào)列表，可以看到這一系列有許多型號(hào)，這么多型號(hào)的主要差別是尺寸，以及有沒有焊接好導(dǎo)線。表中 7BB 開頭的都使用黃銅做為金屬片，只有最后一個(gè) 7NB 開頭的型號(hào)是使用鎳合金做為金屬片，這兩者從外觀上也可以很容易區(qū)別：黃銅是金色的，而鎳合金是銀色的。

表中的第一個(gè)數(shù)字是這個(gè)壓電蜂鳴器的共振頻率，如果用這個(gè)頻率驅(qū)動(dòng)它的話，效率會(huì)最好、發(fā)出的聲音最大。人耳雖然可以聽到 20 Hz-20 KHz 的頻率，但最敏感的范圍落在 2 KHz-4 KHz，因此大部分的壓電蜂鳴器也都設(shè)計(jì)在這個(gè)頻率下工作。

表中第二個(gè)參數(shù)是它在共振頻率時(shí)的阻抗，單位是奧姆。由這個(gè)數(shù)字我們可以算出，在共振頻率要驅(qū)動(dòng)它時(shí)，會(huì)需要多少電流。舉個(gè)例子來說，以表中第三顆 7BB-20-3 來說，它的共振頻率是 3.6 KHz，在共振頻率之下的阻抗是 500 ohm，如果我們用 3.6 KHz、RMS 3V 的正弦波去驅(qū)動(dòng)它，流過它的 RMS 電流就會(huì)是 3V / 500 ohm = 6 mA，這時(shí)我們就要確定驅(qū)動(dòng)電路可以提供最少 6 mA 的電流，才能把這個(gè)壓電蜂鳴器驅(qū)動(dòng)到最大的功率。

我們上次說過，為了增加壓電蜂鳴器驅(qū)動(dòng)空氣的效率，可以在它外面加個(gè)塑料殼把空氣限制在壓電陶瓷面的附近、提升能量的傳遞效率，于是大部分的壓電蜂鳴器廠商也都有出這種帶有塑料殼的壓電蜂鳴器：

這種壓電蜂鳴器有個(gè)名字叫「cavity type」，那個(gè)塑料殼是一個(gè)「caivity」（空腔），它的體積、形狀會(huì)影響壓電蜂鳴器的共振頻率與頻率響應(yīng)，因此 cavity type 的壓電蜂鳴器規(guī)格書上通常可以給出像這樣的頻率響應(yīng)圖：

這個(gè)圖的橫軸是頻率，縱軸是在 1.5 V 的方波驅(qū)動(dòng)下所產(chǎn)生出來的聲壓，也就是音量，這是在距離蜂鳴器 10 公分的距離所測(cè)量到的音量，單位是分貝；可以看到，壓電蜂鳴器在不同頻率下發(fā)出的音量大小有很大的變化，而且在 500 Hz 以下的低頻音量非常小。

低頻的音量之所以會(huì)比較小，除了受限于蜂鳴器本身震動(dòng)面積的大小外，驅(qū)動(dòng)的效率低落也是一個(gè)主要的原因。對(duì)于電容性的負(fù)載，低頻的容抗相對(duì)會(huì)比較大，因此同樣的電壓驅(qū)動(dòng)下，低頻時(shí)流過的電流會(huì)比較小，傳遞到壓電蜂鳴器的能量就比較小，音量自然比較小。

由于不同頻率的音量也有蠻大的落差，壓電蜂鳴器其實(shí)并不適合拿來播放音樂，因?yàn)椴煌舾叩穆曇舸笮〔罹嗪艽?，聽起來?huì)有音量忽大忽小的問題，但如果只用它們來發(fā)出單一頻率的聲音，如提醒或是警示聲，效果則還不錯(cuò)，尤其是在很小的體積里達(dá)到相當(dāng)大的音量，這是電磁揚(yáng)聲器很難做到的。以上面那顆 PKM22EPPH4007 來說，它在 4 KHz 時(shí)用 1.5 V

驅(qū)動(dòng)就可以達(dá)到 95 分貝的音量（95 分貝是一個(gè)你很難忽略掉的音量，當(dāng)然這是距離 10 公分處所量到的音量，實(shí)際的聲壓會(huì)隨著距離而遞減）。

正壓電效應(yīng)

將電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象叫做「逆壓電效應(yīng)」，而這正是壓電蜂鳴器運(yùn)作的原理，而另一個(gè)方向、將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電荷的「正壓電效應(yīng)」也同時(shí)存在于壓電蜂鳴器上；也就是說，如果你對(duì)壓電蜂鳴器施加力量，它會(huì)產(chǎn)生電荷，而在上面產(chǎn)生讓你可以測(cè)量到的電壓。

咦？那這樣的話，壓電蜂鳴器不就可以拿來當(dāng)麥克風(fēng)了嗎？Yes and no。理論上它確實(shí)可以將震動(dòng)轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，但還有許多其它因素，讓它不是一個(gè)好的麥克風(fēng)組件，卻可以用來偵測(cè)其它類型的機(jī)械訊號(hào)。