EUR | USD

Suunnittelutekniikoita pietsomuunninsummerin äänentuoton voimistamiseksi

Kirjoittaja Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

Pietsomuunninsummereita käytetään tunnisteäänien ja hälytysten tuottamiseen monissa eri sovelluksissa ja eri teollisuuden aloilla. Niillä voidaan tuottaa vaihtelevia äänen korkeuksia ja äänimerkkejä käyttötarkoituksesta riippuen. Pietsomuunninsummerin tuottaman äänen amplitudi riippuu sekä valitusta summerityypistä että summerin ohjaamiseen käytetystä signaalista. Koska muunninsummeri vaatii äänen tuottamiseen ulkoisen ohjauspiirin, pietsosummerin tuottamaan ääneen voidaan vaikuttaa useilla erilaisilla tavoilla, jotka liittyvät ohjauspiirin suunnitteluun. Tämä artikkeli pyrkii tarjoamaan perustietoa pietsomuuntimen sinällään yksinkertaisista toimintaperiaatteista sekä muuntimen äänentuoton lisäämiseen käytettyjen suunnittelutekniikoiden hyödyistä ja rajoituksista.

Pietsomuuntimen toimintaperiaatteet

CUI Devicesin tekninen esitys summerien perusteista tarjoaa syvällisen katsauksen pietsosähköisiin muuntimiin, mutta seuraavassa on pikainen kertaus teknologiasta. Pietsosähköinen laite on rakennettu materiaalista, joka muuttaa fyysisesti muotoaan kun sen ylitse vaikuttaa jännite. Muodonmuutoksen määrä ja siitä aiheutuvan äänen voimakkuus ovat suhteessa pietsosähköisen materiaalin yli vaikuttavaan jännitteeseen. Kuten aiemmin mainittiin, muunninsummeri vaatii ulkoisen herätesignaalin. Toisaalta merkkiäänisummereissa on sisäinen oskillaattori, jonka ansiosta ne tarvitsevat vain syöttöjännitteen. Tästä syystä merkkiäänisummerin suunnittelu on helpompaa, mutta niiden äänivalikoima on myös rajoitetumpi muuntimiin verrattuna.

Yksinkertainen ohjainpiiri

Alla olevassa piirikaaviossa (kuva 1) on yksinkertainen pietsomuunninsummerin ohjauspiiri, joka koostuu FET- tai BJT-tyyppisestä sähköisestä kytkimestä sekä nollausvastuksesta. Koska piiriin tarvitaan vain muutama edullinen osa, se on suosittu valinta yksinkertaisiin laitteisiin. Yksinkertaisuuden vastapainona on kuitenkin se, että nollausvastus aiheuttaa tehohäviötä ja summerille syötettävä jännite rajoittuu syöttöjännitteeseen (+V). Huomaa, että summeri ja piiri toimivat samoin riippumatta siitä, onko toinen summerin napa kytketty +V-jännitteeseen (kuten kuvassa 1) vai maahan.

Kaavio sähköisestä kytkimestä ja nollausvastuksesta koostuvasta ohjauspiiristäKuva 1: Sähköisestä kytkimestä ja nollausvastuksesta koostuva ohjauspiiri. (Kuvan lähde: CUI Devices)

Puskureilla varustettu ohjainpiiri

Suunnittelija voi vähentää aiemman ohjainpiirin nollausvastuksen aiheuttamaa tehohäviötä lisäämällä kaksi puskuritransistoria (kuva 2). Näiden kahden puskuritransistorin ansiosta on mahdollista käyttää impedanssiltaan korkeampaa nollausvastusta, jolloin summerille kulkeva jännite alenee noin kahden diodin verran eli noin 1,2 V. Kuvan 1 kytkennän tapaan tämä summeri ja piiri siihen lisättyine puskureineen toimii samoin riippumatta siitä, onko toinen summerin napa yhdistetty +V-jännitteeseen vai maadoitukseen.

Kaavio ohjauspiiristä, jossa on kaksi lisättyä puskuriaKuva 2: Ohjauspiiri, jossa on kaksi lisättyä puskuria. (Kuvan lähde: CUI Devices)

Jännitteen alentumisen voi korjata kääntämällä yllä käytettyjen BJT-puskureiden asennot päinvastaisiksi. Piiri voidaan rakentaa BJT-puskurikomponenttien sijaan myös FET-puskurien avulla. Molemmat puskurikonfiguraatiot on kuvattu kuvassa 3.

Kaavio: BJT-puskurien paikkaa käännetty (vasen) tai FET-puskurit BJT-puskurien tilalla (oikea)Kuva 3: BJT-puskurien paikkaa käännetty (vasen) tai FET-puskurit BJT-puskurien tilalla (oikea) (Kuvan lähde: CUI Devices)

Puoli- ja kokosiltaohjaimet

Vaikka yllä mainitut puskurikonfiguraation muutokset (kuva 3) ovat mahdollisia, ne tekevät puskurien ohjauspiireistä monimutkaisempia, mikä ei ehkä ole toivottavaa suunniteltaessa erilliskomponenteilla. Tämän tyyppistä push-pull-puskureilla varustettua ohjainta kutsutaan yleisesti puolisiltaohjaimeksi. Summeri voidaan yhdistää kahden puolisiltaohjaimen lähtöjen väliin, ja kun näitä kahta puolisilta-ohjainta käytetään epätahdissa, niistä syntyy kokosiltaohjain. Sekä puoli- että kokosiltaohjaimia käytetään sähkömoottorien ohjauksessa, ja niitä on saatavana edullisina integroituina piireinä. Kokosiltaohjaimien lisäetuna on, että ne tuottavat summerille kaksinkertaisen jännitteen verrattuna perusohjaimeen tai puolisiltaohjaimeen, jolloin samalla syöttöjännitteellä saadaan aikaan voimakkaampi ääni.

Kaavio kokosiltaohjainpiiristäKuva 4: Kokosiltaohjainpiiri (Kuvan lähde: CUI Devices)

Resonanssiohjainpiiri

Muunninsummereiden sisältämän loiskapasitanssin vuoksi suunnittelijat voivat ohjata pietsomuunninta myös käyttämällä erillistä induktoria, jolloin syntyy resonanssipiiri. Resonanssipiirit varastoivat ja siirtävät energiaa vuorotellen kahden elementin, tässä tapauksessa loiskondensaattorin ja induktorin välillä. Kuvassa 5 näkyy eräs mahdollinen toteutus pietsomuunninsummerin resonanssiohjauspiiristä.

Resonoivilla piireillä on monia etuja, kuten yksinkertainen rakenne ja niiden sähköinen hyötysuhde voi olla korkea. Pietsosummerin näkemä jännite voi olla myös huomattavasti suurempi kuin syöttöjännite. Resonanssiohjainpiiriä voi kuitenkin haitata se, että se riippuu pietsomuuntimen loiskapasitanssista, jota ei aina määritetä tai hallita hyvin valmistusprosessin aikana. Pietsomuunninten resonanssiohjainpiirit myös toimivat hyvin vain yhdellä tietyllä taajuudella, jolloin ne soveltuvat huonommin tarkoituksiin, joissa tarvitaan useita eri äänitaajuuksia. Lisäksi valittu toimintataajuus vaikuttaa induktoriin, joka saattaa olla piirin muihin komponentteihin verrattuna fyysiseltä kooltaan suuri ja painava. Myös resonanssipiirin toiminnan mallinnus voi olla vaikeaa, joten piirin suunnittelu voi olla tarpeen viimeistellä laboratoriossa tietokoneen sijaan.

Kaavio resonanssiohjainpiiristäKuva 5: Esimerkki resonanssiohjainpiiristä (Kuvan lähde: CUI Devices)

Yhteenveto

Suunnittelijalla on monta vaihtoehtoa luotaessa ohjainpiiriä pietsosähköiseen muuntimeen perustuvalle summerille. Siihen voidaan käyttää joko yksinkertaisia erilliskomponentteja tai monimutkaisempia piiriratkaisuja, ja jokaisella ohjaimella on omat hyvät ja huonot puolensa pyrittäessä haluttuun äänen tuottoon sovelluksessa. Kun tärkeimmät suorituskyvyn parametrit on määritetty, CUI Devices helpottaa valintaprosessia tarjoamalla valikoiman pietso- ja magneettisummereita, jotka täyttävät suunnitelman vaatimukset.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Tietoja kirjoittajasta

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.