用简单的电路增加压电换能器声输出

接线图 2024年01月28日 08:50 162 admin

    已经提出了许多不同的想法来增加压电蜂鸣器或超声波换能器的声输出。它们中的大多数都涉及相当复杂的电路，从而增加了解决方案的总成本；例如将低压逻辑电源升压至更高电压或使用 H 桥拓扑。
    相比之下，此设计理念展示了如何在最大程度地减少零件数量和成本的同时增加压电换能器的声输出。在了解新方法之前，让我们先了解一些最常用的压电声学设计及其缺点。
    最简单的压电驱动电路由换能器和开关晶体管组成（图 1）。换能器两端的电压不能大于电源电压，这对声输出设置了上限。电阻器 R2 用于对换能器的电容进行放电。相对于换能器谐振频率的周期，RC 时间常数应该较短。低电阻值会降低电效率，同时抑制换能器的机械（声学）共振，这当然会降低声学效率。
    压电驱动电路

用简单的电路增加压电换能器声输出第1张

    图 1虽然这种压电驱动电路很简单，但效率非常低。
    如图 2所示，此电路的常见增强功能是用电感器代替 R2 。
    改进的压电驱动电路

用简单的电路增加压电换能器声输出第2张

    图 2用电感器代替 R2 提高了压电驱动器的输出和效率。
    通常选择电感值以在换能器的声共振处与换能器（蜂鸣器）的电容电共振。这种方法可以提供比并联电阻方法更多的声音输出，但仍有很大的改进空间。最好的情况是，换能器两端的峰峰值电压可能达到 40Vppk，而 20Vppk 在 5V 电源下更为典型。
    这是因为晶体管集电极-基极结在电感器和换能器电容形成的并联谐振电路的负摆幅上正向偏置，从而钳位电压摆幅，限制声学输出。
    添加一个二极管可将 CE 结（或者如果使用 FET，体二极管结）与该负摆幅去耦，从而在换能器上提供更大的电压摆幅，从而增加声学输出（图 3）。虽然二极管的正向电压确实降低了施加的电源电压，但增加的谐振电压足以弥补这一小损失。
    压电驱动电路二极管

用简单的电路增加压电换能器声输出第3张

    图 3使用二极管可以消除电路的负摆幅。
    为了实现任何进一步的改进，我们需要考虑在这个小系统中实际上有两个共振在起作用：
    换能器的声共振、机械和空腔共振适用
    电感和换能器电容的电谐振
    电谐振频率不必与声谐振频率相同。事实上，如果它大约是声共振的 2 倍，换能器上的峰值电压会大大增加。

用简单的电路增加压电换能器声输出第4张

    这在图 4中进行了演示，其中使用以下电路参数导出波形：
    电源 = 5VDC
    L1 = 3.2mHy
    C（压电）= 2nF
    信号源频率=PZ1，谐振频率=40KHz
    调整信号源占空比以消除开启时的大电流尖峰
    请注意，第 5 项标识了一个必须解决的潜伏在这个新解决方案中的潜在问题。如果信号源可以在换能器电压变为正后打开晶体管，则会出现较大的窄电流尖峰，这会降低电效率并可能随着时间的推移而降低晶体管的性能。增加占空比以导致晶体管导通，同时谐振电压略微为负，从而消除了该尖峰。
    整理好所有内容后，让我们使用方便的四迹线智能示波器看看我们的电路在现实生活中的表现：
    黄色 = 驱动电压，~48% 占空比，5Vppk。在 40KHz
    紫色 = 换能器两端的电气谐振电压，92Vppk。在80KHz
    绿色 = 晶体管发射极电流，在 40KHz 时峰值约为 80mA
    蓝色 = 换能器的声输出，用 MEMS 麦克风测量
    压电驱动电路波形
    图 4这是电路在现实生活中的表现。
    换能器上的高峰值电压是通过使用比在 40KHz 谐振的电感器更小的电感器实现的，允许电流上升大约两倍的速度，在这个例子中，提供两倍的电流来“充电”??电感器的磁场。
    峰值电压类似于推动秋千，可用的峰值电压越高，提供的推动力就越强。在这个系统中，这转化为换能器表面的更大位移，从而产生更大的声输出。
    本设计理念并非详尽无遗的谐振电路专着。相反，它演示了一个程序，通过该程序可以使用非常简单、低成本的电路将任何谐振压电换能器或蜂鸣器驱动到高声输出。
    该过程可以总结如下：
    确定换能器的声共振频率
    创建相同频率的驱动脉冲序列，从 50% 的占空比开始
    根据需要调整占空比以消除开启时的电流尖峰
    确定换能器的电容值
    选择一个电感值，该电感值将以大约两倍的声共振产生电共振。
    可能很难在仿真中复制此处呈现的声学/电路，因为换能器由两个或多个潜在的谐振元件组成。这些包括换能器元件的机械共振、换能器外壳的声学共振（参考亥姆霍兹共振），当然还有换能器电容与外部电感的电共振。
    来自换能器端口或隔膜的辐射声学负载增加了模拟的另一个困难。该电路的简单电气仿真在换能器上产生了 240Vppk，是实际电路中产生的两倍多。与模拟结果相比，声学负载可能代表降低该系统中峰值换能器电压的大部分损失。
    通过使用这一简单的程序，可以轻松地以最少的时间和精力最大化传感器输出。