通过简单的电路增加压电换能器的声输出

为了增加压电蜂鸣器或超声波换能器的声输出，已经提出了许多不同的想法。其中大多数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到更高的电压或使用H桥拓扑。

相比之下，该设计理念展示了如何增加压电换能器的声输出，同时最大限度地减少零件数量和成本。在研究新方法之前，让我们先看看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传感器和开关晶体管组成(图 1)。传感器两端的电压不能大于电源电压，这对声输出设置了上限。电阻器 R2 用于对传感器的电容进行放电。相对于换能器的谐振频率周期，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)谐振，这当然会降低声学效率。

图 1虽然此压电驱动电路很简单，但效率非常低。

该电路的一个常见增强功能是用电感器代替 R2，如图 2所示。

图 2用电感器替代 R2 可提高压电驱动器的输出和效率。

通常，电感值被选择为在换能器的声谐振处与换能器(蜂鸣器)的电容产生电谐振。这种方法比并联电阻方法可以提供更多的声音输出，但仍有很大的改进空间。在最好的情况下，传感器上的峰峰值电压可能达到 40Vppk，而对于 5V 电源来说，20Vppk 更为典型。

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，从而钳位电压摆幅，限制声音输出。

添加二极管可将 CE 结(或者如果使用 FET，则为体二极管结)与该负摆幅去耦，从而在传感器上提供更大的电压摆幅，从而增加声输出(图 3)。尽管二极管的正向电压确实降低了所施加的电源电压，但增加的谐振电压足以弥补这一小损失。

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，我们需要考虑到在这个小系统中实际上有两种共振在起作用：

1. 换能器的声学共振、机械共振和空腔共振适用

2. 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，如果大约是声谐振的 2 倍，换能器上的峰值电压就会大大增加。

图 4对此进行了演示，其中波形是使用以下电路参数得出的：

1. 电源=5VDC

2. L1=3.2mHy

3. C(压电) = 2nF

4. 信号源频率=PZ1，谐振频率=40KHz

5. 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 项指出了这个新解决方案中潜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，则会出现一个大而窄的电流尖峰，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。增加占空比以使晶体管导通，同时谐振电压略为负，从而消除了该尖峰。

整理完所有内容后，让我们使用方便的四迹线智能示波器来看看我们的电路在现实生活中的表现如何：

· 黄色 = 驱动电压，~48% 占空比，5Vppk。 40KHz 时

· 紫色 = 传感器两端的电谐振电压，92Vppk。 80KHz时

· 绿色 = 晶体管发射极电流，40KHz 时峰值约为 80mA

· 蓝色 = 换能器的声输出，使用 MEMS 麦克风测量

图 4以下是该电路在现实生活中的表现。

传感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来实现的，从而允许电流以大约两倍的速度上升，在本例中，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，其中可用的峰值电压越高，提供的推动力就越强。在该系统中，这转化为换能器表面的更大位移，从而产生更大的声输出。

本设计理念并不是关于谐振电路的详尽论述。相反，它演示了一种程序，通过该程序，任何谐振压电换能器或蜂鸣器都可以通过非常简单、低成本的电路驱动到高声输出。

该过程可以总结如下：

1. 确定换能器的声谐振频率

2. 以相同频率创建驱动脉冲串，从 50% 占空比开始

3. 根据需要调整占空比以消除开启时的电流尖峰

4. 确定传感器的电容值

5. 选择一个电感值，其电谐振频率约为声谐振的两倍。

由于换能器由两个或多个潜在谐振元件组成，因此在模拟中复制此处呈现的声学/电路可能很困难。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。

来自换能器端口或隔膜的辐射产生的声学负载给模拟增加了另一个困难。该电路的简单电气模拟在传感器上产生了 240Vppk，这是实际电路中产生的两倍多。与模拟结果相比，声学负载可能代表了该系统中降低峰值换能器电压的大部分损耗。

通过使用这一简单的过程，人们可以轻松地以最少的时间和精力最大化传感器输出。