Простая схема увеличения акустического выхода пьезоэлектрического преобразователя

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2019

Dave Conrad

EDN

Для увеличения акустической мощности пьезодинамика или ультразвукового преобразователя было предложено много разных идей. Большинство из них основано на довольно сложных схемах, увеличивающих общую стоимость решения; например, повышение низкого напряжения питания логики до более высокого напряжения или использование H-моста.

Напротив, в этой статье показано, как можно увеличить акустическую мощность пьезоэлектрического преобразователя, минимизировав количество деталей и стоимость. Прежде чем мы приступим к обсуждению нового подхода, давайте рассмотрим некоторые из наиболее часто используемых пьезоакустических схем и их недостатки.

Простейшая схема драйвера пьезоэлемента состоит из преобразователя и ключевого транзистора (Рисунок 1). Напряжение на преобразователе не может быть больше напряжения источника питания, которое и определяет верхний предел акустической мощности. Резистор R2 служит для разряда емкости преобразователя. Постоянная времени RC должна быть короткой относительно периода резонансной частоты преобразователя. Низкие сопротивления резисторов снижают электрический КПД при гашении механического (акустического) резонанса преобразователя, что, конечно, снижает акустическую эффективность.

Рисунок 1.	Хотя такая схема управления пьезоизлучателем проста, она очень неэффективна.

Самым распространенным способом усовершенствования является замена R2 дросселем, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Замена резистора R2 дросселем увеличивает акустическую мощность и КПД.

Величину индуктивности часто выбирают такой, чтобы получить электрический резонанс с емкостью преобразователя (излучателя) при акустическом резонансе преобразователя. Этот подход может обеспечить более высокую акустическую мощность, чем параллельный резистор, однако он оставляет еще множество возможностей для улучшения. В лучшем случае пиковое напряжение на преобразователе может достигать 40 В, тогда как более типичное значение при напряжении питания 5 В составляет 20 В.

Это связано с тем, что переход коллектор-база транзистора смещен в прямом направлении во время отрицательной полуволны напряжения на параллельном резонансном контуре, образованном индуктивностью и емкостью преобразователя, что ограничивает размах напряжения, уменьшая акустический выход.

Рисунок 3.	Использование диода может устранить ​отрицательные выбросы.

Добавление диода изолирует переход коллектор эмиттер (или, если используется MOSFET, переход паразитного диода) от этой отрицательной полуволны, обеспечивая намного больший размах напряжения на преобразователе и увеличивая акустическую мощность (Рисунок 3). Хотя прямое напряжение диода снижает приложенное напряжение питания, повышенное напряжение при резонансе более чем компенсирует эту небольшую потерю.

Чтобы добиться каких-либо дальнейших улучшений, мы должны учесть, что на самом деле в этой небольшой системе существуют два резонанса:

1. Акустический резонанс преобразователя, механический и объемный резонансы.
2. Электрический резонанс индуктивности и емкости преобразователя.

Частота электрического резонанса не обязательно должна совпадать с частотой акустического резонанса. На самом деле, если она примерно в 2 раза больше, чем частота акустического резонанса, пиковое напряжение на преобразователе может быть значительно увеличено.

Рисунок 4.	Иллюстрация поведения схемы в реальных условиях.

Это иллюстрируется Рисунком 4, где осциллограммы получены при следующих параметрах схемы:

1. Напряжение источника питания: 5 В DC;
2. Индуктивность: L1 – 3.2 мГн;
3. Емкость пьезопреобразователя: 2 нФ;
4. Частота источника сигнала (40 кГц) равна резонансной частоте излучателя;
5. Коэффициент заполнения импульсов источника сигнала подобран так, чтобы исключить большие выбросы тока при включении.

Обратите внимание, что пункт 5 обозначает потенциальную проблему, скрывающуюся в этом новом решении, которую необходимо устранить. Если источник сигнала может включать транзистор после того, как напряжение преобразователя становится положительным, будет происходить мощный короткий выброс тока, который способен снизить электрический КПД и потенциально со временем разрушить транзистор. Увеличение коэффициента заполнения, чтобы транзистор включался, когда резонансное напряжение слегка отрицательное, позволяет устранить этот выброс.

После того, как мы все обсудили, давайте посмотрим, как наша схема ведет себя в реальной жизни, используя для этого удобный четырехканальный интеллектуальный осциллограф:

• Желтый – управляющее напряжение с пиковым значением 5 В, частотой 40 кГц и коэффициентом заполнения примерно 48%;
• Фиолетовый – напряжение на преобразователе при электрическом резонансе: 92 В пик-пик, 80 кГц;
• Зеленый – эмиттерный ток транзистора с пиковым уровнем примерно 80 мА и частотой 40 кГц;
• Синий – акустическая мощность преобразователя, измеренная МЭМС микрофоном.

Высокое пиковое напряжение на преобразователе достигается за счет использования дросселя с индуктивностью меньшей, чем требуется для резонанса на частоте 40 кГц, что позволяет току возрастать примерно в два раза быстрее. В рассматриваемом примере это обеспечивает удвоенный ток для «зарядки» магнитного поля дросселя.

В данной системе это приводит к большему смещению поверхности преобразователя, и, соответственно, увеличивает акустическую мощность.

Эту статью не следует рассматривать как исчерпывающий трактат по резонансным схемам. Она просто демонстрирует процедуру, позволяющую с помощью очень простой и недорогой схемы увеличить акустическую мощность любого резонансного пьезоэлектрического преобразователя или излучателя.

Кратко эту процедуру можно изложить следующим образом:

1. Определяем частоту акустического резонанса преобразователя;
2. Формируем последовательность управляющих импульсов такой же частоты, начиная с коэффициента заполнения 50%;
3. При необходимости регулируем коэффициент заполнения, чтобы убрать выбросы тока при включении;
4. Определяем значение емкости преобразователя;
5. Выбираем такое значение индуктивности, с которым частота электрического резонанса будет примерно вдвое выше частоты акустического резонанса.

Смоделировать представленную здесь акустическую/ электрическую схему в симуляторе может быть непросто, поскольку преобразователь содержит два или более потенциально резонансных элемента. К ним относятся механически резонанс преобразовательного элемента, акустический резонанс корпуса преобразователя (называемый резонансом Гельмгольца) и, конечно же, электрический резонанс емкости преобразователя с внешней индуктивностью.

Акустическая нагрузка излучением из порта преобразователя или его диафрагмы добавляет еще одну сложность к моделированию. Простое электрическое моделирование этой схемы дает на преобразователе 240 В пик-пик, что больше удвоенного напряжения, полученного в реальной схеме. Причиной большей части потерь, снижающих пиковое напряжение преобразователя в этой системе по сравнению с моделируемыми результатами, может быть акустическая нагрузка.

С помощью этой простой процедуры можно с минимальными затратами времени и сил легко добиться максимальной акустической мощности преобразователя.

Ссылки

Материалы по теме