通過(guò)簡(jiǎn)單的電路增加壓電換能器的聲輸出

為了增加壓電蜂鳴器或超聲波換能器的聲輸出，已經(jīng)提出了許多不同的想法。其中大多數(shù)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到更高的電壓或使用H橋拓?fù)洹?

相比之下，該設(shè)計(jì)理念展示了如何增加壓電換能器的聲輸出，同時(shí)最大限度地減少零件數(shù)量和成本。在研究新方法之前，讓我們先看看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)電路由傳感器和開(kāi)關(guān)晶體管組成(圖 1)。傳感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)傳感器的電容進(jìn)行放電。相對(duì)于換能器的諧振頻率周期，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))諧振，這當(dāng)然會(huì)降低聲學(xué)效率。

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

該電路的一個(gè)常見(jiàn)增強(qiáng)功能是用電感器代替 R2，如圖 2所示。

圖 2用電感器替代 R2 可提高壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出和效率。

通常，電感值被選擇為在換能器的聲諧振處與換能器(蜂鳴器)的電容產(chǎn)生電諧振。這種方法比并聯(lián)電阻方法可以提供更多的聲音輸出，但仍有很大的改進(jìn)空間。在最好的情況下，傳感器上的峰峰值電壓可能達(dá)到 40Vppk，而對(duì)于 5V 電源來(lái)說(shuō)，20Vppk 更為典型。

這是因?yàn)榫w管集電極-基極結(jié)在由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，限制聲音輸出。

添加二極管可將 CE 結(jié)(或者如果使用 FET，則為體二極管結(jié))與該負(fù)擺幅去耦，從而在傳感器上提供更大的電壓擺幅，從而增加聲輸出(圖 3)。盡管二極管的正向電壓確實(shí)降低了所施加的電源電壓，但增加的諧振電壓足以彌補(bǔ)這一小損失。

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)，我們需要考慮到在這個(gè)小系統(tǒng)中實(shí)際上有兩種共振在起作用：

1. 換能器的聲學(xué)共振、機(jī)械共振和空腔共振適用

2. 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，如果大約是聲諧振的 2 倍，換能器上的峰值電壓就會(huì)大大增加。

圖 4對(duì)此進(jìn)行了演示，其中波形是使用以下電路參數(shù)得出的：

1. 電源=5VDC

2. L1=3.2mHy

3. C(壓電) = 2nF

4. 信號(hào)源頻率=PZ1，諧振頻率=40KHz

5. 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)指出了這個(gè)新解決方案中潛藏的一個(gè)必須解決的潛在問(wèn)題。如果信號(hào)源可以在傳感器電壓變?yōu)檎岛蟠蜷_(kāi)晶體管，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大而窄的電流尖峰，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。增加占空比以使晶體管導(dǎo)通，同時(shí)諧振電壓略為負(fù)，從而消除了該尖峰。

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

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

· 紫色 = 傳感器兩端的電諧振電壓，92Vppk。 80KHz時(shí)

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

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

圖 4以下是該電路在現(xiàn)實(shí)生活中的表現(xiàn)。

傳感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來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而允許電流以大約兩倍的速度上升，在本例中，提供兩倍的電流來(lái)“充電”電感器的磁場(chǎng)。

峰值電壓類(lèi)似于推動(dòng)秋千，其中可用的峰值電壓越高，提供的推動(dòng)力就越強(qiáng)。在該系統(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)理念并不是關(guān)于諧振電路的詳盡論述。相反，它演示了一種程序，通過(guò)該程序，任何諧振壓電換能器或蜂鳴器都可以通過(guò)非常簡(jiǎn)單、低成本的電路驅(qū)動(dòng)到高聲輸出。

該過(guò)程可以總結(jié)如下：

1. 確定換能器的聲諧振頻率

2. 以相同頻率創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)脈沖串，從 50% 占空比開(kāi)始

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

4. 確定傳感器的電容值

5. 選擇一個(gè)電感值，其電諧振頻率約為聲諧振的兩倍。

由于換能器由兩個(gè)或多個(gè)潛在諧振元件組成，因此在模擬中復(fù)制此處呈現(xiàn)的聲學(xué)/電路可能很困難。這些包括換能器元件的機(jī)械諧振、換能器外殼的聲諧振(參考亥姆霍茲諧振)，當(dāng)然還有換能器電容與外部電感的電諧振。

來(lái)自換能器端口或隔膜的輻射產(chǎn)生的聲學(xué)負(fù)載給模擬增加了另一個(gè)困難。該電路的簡(jiǎn)單電氣模擬在傳感器上產(chǎn)生了 240Vppk，這是實(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)載可能代表了該系統(tǒng)中降低峰值換能器電壓的大部分損耗。

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