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提高壓電傳感器蜂鳴器音訊輸出的設計技術

作者:Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

壓電傳感器蜂鳴器可在多個應用和產業中當作有聲的識別或警示手段,能根據應用的特定需求產生可變的音調和聲音。壓電傳感器蜂鳴器產生的聲音振幅取決於所選的特定蜂鳴器以及用來驅動蜂鳴器的訊號。由於傳感器蜂鳴器需要靠外部驅動電路來產生音調或聲音,因此根據外部驅動器電路的設計,有幾種方法可影響傳感器蜂鳴器的音訊輸出。雖然實踐起來很簡單,但本文旨在提供有關壓電傳感器工作原理的入門知識,並說明以常見設計技術提高傳感器音訊輸出時的優點和限制。

壓電傳感器的工作原理

CUI Devices 有針對蜂鳴器的基礎知識提供技術論文,深入概述了壓電傳感器,但本文僅會快速回顧這項技術。當元件上有施加電壓時,壓電元件的建構材料會發生變形,此變形量及變形引起的雜訊量與壓電材料上所施加的電壓有關。如前所述,傳感器蜂鳴器需要外部激磁訊號才能運作。而另一方面,指示器蜂鳴器有內部振盪器,因此只需要供應電壓就能運作。如此說來,指示器會更容易導入設計,但與傳感器相比,產生的音調和聲音類型卻會受限。

簡單的驅動器電路

下方的電路圖 (圖 1) 顯示適用於壓電傳感器蜂鳴器的簡易型驅動器電路,由電子開關 (如 FET 或 BJT) 和復位電阻構成。由於此電路只需要幾個便宜的零件,因此常用於較基本的設計。不過,此設計雖然簡單,但缺點是復位電阻會耗散功率,且施加到蜂鳴器的電壓只限制為供應電壓 (+V)。請注意,無論唯一的蜂鳴器端子是連接到 +V 電源 (如圖 1 所示) 還是接地,蜂鳴器和電路都會以同樣的方式運作。

驅動電路由電子開關和復位電阻構成示意圖圖 1:驅動電路由電子開關和復位電阻構成。(圖片來源:CUI Devices)

帶緩衝器的驅動器電路

工程師可以添加兩個緩衝器電晶體,即可減少前一個驅動器電路中復位電阻的功率損耗 (圖 2)。這兩個緩衝器電晶體允許使用阻抗值更高的復位電阻,但代價是在蜂鳴器上施加的電壓會降低大約兩個二極體壓降 (約 1.2 V)。與圖 1 電路類似,無論一個蜂鳴器端子是連接到 +V 電源還是接地,此蜂鳴器和添加的緩衝器的電路都會以同樣的方式工作。

添加兩個緩衝器的驅動器電路圖圖 2:添加兩個緩衝器的驅動器電路。(圖片來源:CUI Devices)

若想解決電壓降低的問題,工程師只需反轉上述 BJT 緩衝器的位置即可。另外,此電路也能用 FET 代替 BJT 作為緩衝器元件來構建。這兩種緩衝器配置如圖 3 所示。

BJT 緩衝器反轉位置 (左) 或以 FET 緩衝器代替 BJT (右) 的示意圖圖 3:BJT 緩衝器反轉位置 (左) 或以 FET 緩衝器代替 BJT (右)。(圖片來源:CUI Devices)

半橋和全橋驅動器

雖然可以選擇更改上述的緩衝器配置 (圖 3),但這會導致緩衝器的驅動器電路更加複雜,而在使用離散元件進行設計時,並不建議這麼做。這種具有推挽式緩衝器的驅動器形式,通常稱為「半橋」驅動器。蜂鳴器可以連接於兩個半橋驅動器的輸出之間,當這兩個半橋驅動器反相驅動時,即稱為「全橋」驅動器。半橋驅動器和全橋驅動器通常都用於驅動電動馬達,並可以價格低廉的積體電路形式提供。另外,全橋驅動器還有一項優點,可提供基本驅動器或半橋驅動器兩倍的電壓給蜂鳴器,因此即便使用與其他解決方案相同的供應電壓,也可產生更大的聲音輸出。

全橋驅動器電路圖圖 4:全橋驅動器電路 (圖片來源:CUI Devices)

諧振驅動器電路

由於傳感器蜂鳴器中具有寄生電容,工程師還可選擇利用離散電感器來建立諧振電路,藉此驅動壓電傳感器。諧振電路會在兩個元件之間交替儲存和傳遞能量;在此應用中,這兩個元件是寄生電容和電感。圖 5 顯示壓電傳感器蜂鳴器的諧振驅動器電路,正是此述實作之一。

諧振驅動器電路具有多個優點,例如結構簡單,有潛力達到較高的電氣效率等。此外,壓電蜂鳴器兩端產生的電壓也可能比供應電壓大很多。但是,諧振驅動器電路也有侷限性,需要依賴壓電傳感器的寄生電容,但在製造過程中,寄生電容並無法時常發揮特性或受到控制。而且,諧振的壓電傳感器驅動器電路只能在一個特定頻率下表現良好,因而不太適用於需要多種頻率音調的應用。此外,所選的工作頻率會影響電感,其他電路元件相比,電感相對又大又重。製作諧振電路的運作模型也是個難題,這意味著電路可能需要在實驗室,而不是在設計電腦上完成。

諧振驅動器電路圖圖 5:諧振驅動器電路範例 (圖片來源:CUI Devices)

結論

設計壓電傳感器蜂鳴器的驅動器電路時,工程師有許多選擇。從簡單的離散元件到更複雜的電路設計,每種驅動器都要經過一番取捨,才能達到應用所需的聲音輸出。在確定關鍵的效能參數後,即可在 CUI Devices 推出的一系列現成壓電和磁性蜂鳴器中輕鬆挑選,以滿足設計的要求。

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關於作者

Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

With an extensive knowledge of CUI Devices' products, Ryan Smoot provides customers with a wide range of technical and application support capabilities in the field. His management of CUI Devices' robust CAD model library further offers engineers with an invaluable resource for streamlining their product designs.