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使用简单电路增加压电换能器声音输出
接线图
2024年10月22日 18:27 64
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简单的压电驱动电路由一个传感器和一个开关晶体管组成（图 1）。传感器两端的电压不能大于电源电压，这限制了声输出的上限。电阻 R2 用于放电传感器的电容。RC 时间常数应小于传感器谐振频率的周期。较低的电阻值会降低电气效率，同时抑制传感器的机械（声学）谐振，这当然会降低声学效率。
这是因为晶体管集电极-基极结在由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，从而钳制了电压摆幅，限制了声音输出。
添加二极管可将 CE 结（或如果使用 FET，则为体二极管结）与该负摆幅分离，从而在换能器上提供更大的电压摆幅，从而增加声输出（图 3）。虽然二极管的正向电压确实会降低施加的电源电压，但增加的谐振电压足以弥补这一小损失。
为了实现进一步的改进，我们需要考虑这个小系统中实际上有两个共振在起作用：
换能器的声学共振、机械共振和腔体共振适用
电感和换能器电容的电谐振
电共振频率不必与声共振频率相同。事实上，如果它大约是声共振的 2 倍，则换能器两端的峰值电压可以大大增加。
电源 = 5VDC
L1 = 3.2 米海里
C（压电）= 2nF
信号源频率=PZ1，谐振频率=40KHz
调整信号源占空比，消除开启时的大电流尖峰
请注意，第 5 项指出了此新解决方案中隐藏的一个必须解决的潜在问题。如果信号源可以在传感器电压变为正值后打开晶体管，则会出现一个大的窄电流尖峰，这会降低电气效率并可能随着时间的推移使晶体管性能下降。增加占空比以在谐振电压略微为负时使晶体管导通可以消除此尖峰。
理清所有这些之后，让我们使用方便的四迹智能示波器来看一下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，40KHz
紫色 = 传感器两端的电共振电压，92Vppk，80KHz
绿色 = 晶体管发射极电流，40KHz 时峰值约为 80mA
蓝色 = 换能器的声学输出，用 MEMS 麦克风测量
通过使用比在 40KHz 下产生共振的电感器更小的电感器，实现了换能器两端的高峰值电压，从而使电流上升速度快约两倍，在此示例中，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，峰值电压越高，推动力就越大。在这个系统中，这意味着换能器表面的位移更大，从而产生更大的声学输出。
本设计理念并非是一篇关于谐振电路的详尽论文。相反，它演示了一种程序，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至高声输出。
该过程可以概括如下：
确定换能器的声共振频率
以相同频率创建驱动脉冲序列，起始占空比为 50%
根据需要调整占空比以消除开启时的电流尖峰
确定传感器的电容值
选择一个电感值，使电共振频率大约为声共振频率的两倍。
由于换能器由两个或多个潜在谐振元件组成，因此很难在模拟中复制此处介绍的声/电电路。这些包括换能器元件的机械谐振、换能器外壳的声谐振（参考亥姆霍兹谐振），当然还有换能器电容与外部电感的电谐振。
换能器端口或振膜辐射产生的声学负载为模拟增加了另一个困难。对该电路进行简单的电气模拟，在换能器上产生了 240Vppk，这是实际电路中产生的电压的两倍多。与模拟结果相比，声学负载可能是导致该系统中峰值换能器电压降低的大部分损失。
通过使用这个简单的程序，人们可以用最少的时间和精力轻松地最大化传感器的输出。
图 2用电感器代替 R2 可提高压电驱动器的输出和效率。
通常，电感值的选择应使其在换能器声学谐振时与换能器（蜂鸣器）的电容产生电谐振。这种方法可以提供比并联电阻方法更多的声学输出，但仍有很大的改进空间。在最好的情况下，换能器两端的峰峰值电压可能达到 40Vppk，而 5V 电源的典型值为 20Vppk。这是因为晶体管集电极-基极结在由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，从而钳制了电压摆幅，限制了声音输出。
添加二极管可将 CE 结（或如果使用 FET，则为体二极管结）与该负摆幅分离，从而在换能器上提供更大的电压摆幅，从而增加声输出（图 3）。虽然二极管的正向电压确实会降低施加的电源电压，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
为了实现进一步的改进，我们需要考虑这个小系统中实际上有两个共振在起作用：
换能器的声学共振、机械共振和腔体共振适用
电感和换能器电容的电谐振
电共振频率不必与声共振频率相同。事实上，如果它大约是声共振的 2 倍，则换能器两端的峰值电压可以大大增加。
电源 = 5VDC
L1 = 3.2 米海里
C（压电）= 2nF
信号源频率=PZ1，谐振频率=40KHz
调整信号源占空比，消除开启时的大电流尖峰
请注意，第 5 项指出了此新解决方案中隐藏的一个必须解决的潜在问题。如果信号源可以在传感器电压变为正值后打开晶体管，则会出现一个大的窄电流尖峰，这会降低电气效率并可能随着时间的推移使晶体管性能下降。增加占空比以在谐振电压略微为负时使晶体管导通可以消除此尖峰。
理清所有这些之后，让我们使用方便的四迹智能示波器来看一下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，40KHz
紫色 = 传感器两端的电共振电压，92Vppk，80KHz
绿色 = 晶体管发射极电流，40KHz 时峰值约为 80mA
蓝色 = 换能器的声学输出，用 MEMS 麦克风测量
压电驱动电路波形
通过使用比在 40KHz 下产生共振的电感器更小的电感器，实现了换能器两端的高峰值电压，从而使电流上升速度快约两倍，在此示例中，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，峰值电压越高，推动力就越大。在这个系统中，这意味着换能器表面的位移更大，从而产生更大的声学输出。
本设计理念并非是一篇关于谐振电路的详尽论文。相反，它演示了一种程序，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至高声输出。
该过程可以概括如下：
确定换能器的声共振频率
以相同频率创建驱动脉冲序列，起始占空比为 50%
根据需要调整占空比以消除开启时的电流尖峰
确定传感器的电容值
选择一个电感值，使电共振频率大约为声共振频率的两倍。
由于换能器由两个或多个潜在谐振元件组成，因此很难在模拟中复制此处介绍的声/电电路。这些包括换能器元件的机械谐振、换能器外壳的声谐振（参考亥姆霍兹谐振），当然还有换能器电容与外部电感的电谐振。
换能器端口或振膜辐射产生的声学负载为模拟增加了另一个困难。对该电路进行简单的电气模拟，在换能器上产生了 240Vppk，这是实际电路中产生的电压的两倍多。与模拟结果相比，声学负载可能是导致该系统中峰值换能器电压降低的大部分损失。
通过使用这个简单的程序，人们可以用最少的时间和精力轻松地最大化传感器的输出。
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