EUR | USD

Designtechniken zur Erhöhung der Audioausgabe eines Piezo-Wandler-Summers

Von Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

Piezo-Wandler-Summer werden in einer Reihe von Anwendungen und Branchen als Mittel zur akustischen Identifizierung oder Alarmierung eingesetzt und können je nach den spezifischen Anforderungen einer Anwendung variable Töne und Geräusche erzeugen. Die Amplitude des von einem Piezowandler-Summer erzeugten Tons hängt sowohl von dem gewählten Summer als auch von dem Signal ab, das zur Ansteuerung des Summers verwendet wird. Da Wandlersummer eine externe Treiberschaltung benötigen, um einen Ton oder ein Geräusch zu erzeugen, gibt es mehrere Methoden, um die Audioausgabe eines Piezo-Summers zu beeinflussen, die auf dem Design der externen Treiberschaltung basieren. Dieser Artikel ist zwar in der Praxis einfach, soll aber eine Einführung in die Arbeitsprinzipien eines Piezowandlers sowie in die Vorteile und Grenzen gängiger Designtechniken zur Erhöhung der Audioausgabe eines Wandlers geben.

Funktionsprinzipien von Piezowandlern

Das technische Papier von CUI Devices über die Grundlagen von Summer bietet einen detaillierten Überblick über piezoelektrische Wandler, aber hier ist eine kurze Auffrischung der Technologie. Ein piezoelektrisches Bauelement besteht aus einem Material, das sich physikalisch verformt, wenn eine Spannung an das Bauelement angelegt wird, wobei der Betrag der Verformung und die resultierende Rauschlautstärke, die durch die Verformung verursacht wird, mit der an das Piezomaterial angelegten Spannung in Beziehung stehen. Wie bereits erwähnt, benötigt ein Wandlersummer zum Betrieb ein externes Anregungssignal. Blinker-Summer hingegen benötigen aufgrund eines internen Oszillators nur eine Versorgungsspannung zum Betrieb. Dies kann das Design von Indikatoren erleichtern, aber auch die Arten von Tönen und Geräuschen begrenzen, die im Vergleich zu einem Wandler erzeugt werden.

Einfache Treiberschaltung

Im untenstehenden Schaltplan (Abbildung 1) ist eine der einfacheren Treiberschaltungen für einen Piezo-Wandler-Summer dargestellt, der aus einem elektronischen Schalter, wie z.B. einem FET oder BJT, und einem Rückstellwiderstand besteht. Da diese Schaltung nur wenige, preiswerte Teile benötigt, kann sie eine beliebte Wahl für einfachere Designs sein. Aber obwohl dieses Design einfach ist, hat es doch Nachteile, da der Reset-Widerstand Leistung verliert und die an den Summer angelegte Spannung auf die Versorgungsspannung (+V) begrenzt ist. Bitte beachten Sie, dass der Summer und die Schaltung gleich funktionieren, unabhängig davon, ob die eine Summer-Klemme an die +V-Versorgung (wie in Abbildung 1 dargestellt) oder an Masse angeschlossen ist.

Schema einer Treiberschaltung bestehend aus einem elektronischen Schalter und einem RückstellwiderstandAbbildung 1: Treiberschaltung, bestehend aus einem elektronischen Schalter und einem Rückstellwiderstand. (Bildquelle: CUI Devices)

Treiberschaltung mit Puffern

Ein Ingenieur kann den Leistungsverlust des Reset-Widerstandes aus der vorherigen Treiberschaltung durch Hinzufügen von zwei Puffertransistoren reduzieren (Abbildung 2). Diese beiden Puffertransistoren ermöglichen die Verwendung eines höherohmigen Rückstellwiderstands auf Kosten einer reduzierten Spannung, die an den Summer angelegt wird, die etwa zwei Diodenabfälle oder etwa 1,2 V beträgt. Auch hier gilt, dass dieser Summer und die Schaltung mit den hinzugefügten Puffern ähnlich wie in Abbildung 1, die gleiche Funktion haben, unabhängig davon, ob der eine Summeranschluss an die +V-Versorgung oder an Masse angeschlossen ist.

Schema der Treiberschaltung mit zwei zusätzlichen PuffernAbbildung 2: Treiberschaltung mit zwei zusätzlichen Puffern. (Bildquelle: CUI Devices)

Um das Problem der reduzierten Spannung zu lösen, kann ein Ingenieur einfach die Positionen der oben verwendeten BJT-Puffer umkehren. Diese Schaltung kann auch mit FETs anstelle von BJTs als Pufferkomponenten aufgebaut werden. Beide Pufferkonfigurationen sind in Abbildung 3 dargestellt.

Schema der Position von BJT-Puffern umgekehrt (links) oder FET-Puffer anstelle von BJTs (rechts)Abbildung 3: Position von BJT-Puffern umgekehrt (links) oder FET-Puffer anstelle von BJTs (rechts). (Bildquelle: CUI Devices)

Halb- und Vollbrückenfahrer

Die oben erwähnten Änderungen der Puffer-Konfigurationen (Abbildung 3) sind zwar eine Option, aber sie machen die Treiberschaltungen für die Puffer komplexer, was beim Entwurf mit diskreten Bauteilen möglicherweise nicht erwünscht ist. Diese Form des Treibers mit Push-Pull-Puffern wird allgemein als "Halbbrücken"-Treiber bezeichnet. Ein Summer kann zwischen die Ausgänge zweier Halbbrückentreiber geschaltet werden. Wenn diese beiden Halbbrückentreiber phasenverschoben sind, werden sie als "Vollbrückentreiber" bezeichnet. Sowohl Halbbrücken- als auch Vollbrückentreiber werden häufig zum Antrieb von Elektromotoren verwendet und sind als kostengünstige integrierte Schaltkreise erhältlich. Vollbrückentreiber bieten außerdem den Vorteil, dass sie als Basis- oder Halbbrückentreiber die doppelte Spannung an den Summer liefern, was bei gleicher Versorgungsspannung zu einer lauteren Tonausgabe führt als andere Lösungen.

Schema der VollbrückentreiberschaltungAbbildung 4: Vollbrückentreiberschaltung (Bildquelle: CUI-Bausteine)

Resonanz-Treiberschaltung

Aufgrund der parasitären Kapazität, die in Wandlersummern vorhanden ist, haben Ingenieure eine zusätzliche Möglichkeit, einen Piezo-Wandler durch die Verwendung einer diskreten Induktivität als Resonanzkreis anzusteuern. Schwingkreise speichern und übertragen Energie abwechselnd zwischen zwei Elementen, wobei die beiden Elemente in dieser Anwendung der parasitäre Kondensator und die Spule sind. Abbildung 5 zeigt eine solche Implementierung einer resonanten Treiberschaltung für einen Piezowandler-Summer.

Resonanz-Treiberschaltungen bieten mehrere Vorteile, darunter eine einfache Konstruktion und das Potenzial für einen hohen elektrischen Wirkungsgrad. Die über den Piezo-Summer entwickelte Spannung kann auch viel größer als die Versorgungsspannung sein. Allerdings kann der Resonanz-Treiberkreis dadurch behindert werden, dass er auf die parasitäre Kapazität eines Piezo-Wandlers angewiesen ist, die während des Herstellungsprozesses nicht immer gut charakterisiert oder kontrolliert wird. Auch die Treiberschaltungen von Piezo-Resonanzwandlern funktionieren nur bei einer bestimmten Frequenz gut, so dass sie für Anwendungen, die mehrere Frequenztöne erfordern, weniger geeignet sind. Darüber hinaus wirkt die gewählte Betriebsfrequenz auf den Induktor, der im Vergleich zu anderen Schaltungskomponenten physisch groß und schwer sein kann. Die Modellierung der Funktionsweise des Schwingkreises kann ebenfalls schwierig sein, was bedeutet, dass die Schaltung möglicherweise im Labor und nicht am Design-Computer fertig gestellt werden muss.

Diagramm des ResonanztreiberkreisesAbbildung 5: Beispiel einer resonanten Treiberschaltung (Bildquelle: CUI-Bausteine)

Fazit

Ein Ingenieur hat viele Möglichkeiten, wenn es darum geht, eine Treiberschaltung für einen piezoelektrischen Wandler-Summer zu entwerfen. Von der Verwendung einfacher diskreter Komponenten bis hin zu komplexeren Schaltungsentwürfen bietet jeder Treiber eine Reihe von Kompromissen, um die gewünschte Klangausgabe einer Anwendung zu erreichen. Sobald die wichtigsten Leistungsparameter bestimmt sind, erleichtert CUI Devices den Auswahlprozess mit einer Reihe von Piezo- und Magnetsummern, die für die Anforderungen eines Designs leicht erhältlich sind.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der Digi-Key Electronics oder offiziellen Politik der Digi-Key Electronics wider.

Über den Autor

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.