ピエゾ・トランスデューサー・ブザーの音声出力を増加する方法

Bruce Rose/著

ピエゾ・トランスデューサー・ブザーの音声出力を増加する方法

ピエゾ・トランスデューサー・ブザーのサウンドを最大限に活用するには?

ほとんどのアプリケーションでは、ピエゾ・トランスデューサー・ブザーを使用する理由は、大きな音を作るためです。ここではブザーによって生成されるサウンドの振幅は、選択された特定のブザーとブザーを駆動するために使用される信号の両方に依存しています。ドライバー回路の設計に基づき、ピエゾブザーの音声出力に影響を与える方法はいくつかあります。このブログは、ピエゾ・トランスデューサーの動作原則、オーディオ出力を増加させるための共通設計手法、それぞれのメリットと制限事項について概説します。

ピエゾ・トランスデューサー・ブザーの基本

ピエゾ・トランスデューサー・ブザーの基本は、CUI Devicesのブザーの基本に関するブログ記事に詳細が説明されています。ただし、簡単に説明すると、ピエゾデバイスは電圧がデバイスに印加されると物理的に変形する材料で構成されています。この変形の度合いや変形によって引き起こされるノイズ量は、ピエゾ材に印加される電圧に関連しています。トランスデューサー・ブザーが外部励起シグナルを必要とし、一方、内部に共振器を含むインジケーターブザーのみが動作に供給電圧が必要だということに留意することも重要です。

基本のピエゾ・トランスデューサー駆動回路

最も基本的なピエゾ・トランスデューサー駆動回路の1つは、FETやBJT、そして下記の回路に示すようなリセット抵抗などの電子スイッチから構成されます。この回路の主なメリットは、少数の安価な部品のみ必要だということです。ただし、これは、ブザーに印加される電圧は供給電圧(+V)に制限されており、リセット抵抗が電力を消失するという事実によって妨げられることがあります。このブザーと回路の動作は、1つのブザー端子が+V供給(図に示した通り)に接続されているかどうか、または接地するかに関係なく、同じであるということは留意しなければなりません。

基本のピエゾ・トランスデューサー駆動回路の図
基本のピエゾ・トランスデューサー駆動回路

基本のピエゾ・トランスデューサー駆動回路へバッファーを追加する

下記の回路で示されているように、2つのバッファートランジスタを追加することで、より高いインピーダンスのリセット抵抗を使用することにより、前述の基本的なドライバー回路に存在する電力損失を削減することができます。この回路の欠点は、2つのバッファートランジスタの追加により、このブザーに適用される電圧がおよそ2つのダイオードドロップ分、またはおよそ1.2ボルト減少することです。基本的なドライバー回路のように、このブザーと回路は、1つのブザー端子が+V供給や接地に接続されているかどうかに関係なく同じです。

2つのバッファートランジスタ付き基本ドライバー回路の図
2つのバッファートランジスタ付き基本ドライバー回路

このブザーに印加される電圧が減少することの問題は、初期のバッファードライバーのBJTバッファーの位置を反転させることで対処できます。この回路は、バッファーコンポーネントとしてBJTの代わりにFETSで構成することもできます。両方のバッファー構成を以下に概説します。

1つの図は反転したBJTバッファーの位置を示し、もう一つの図ではFETをバッファーとして使用しています。
BJTバッファーの位置を反転する、またはFETをバッファーとして使用する

ハーフブリッジ型およびフルブリッジ型駆動回路

前のセクションで説明されたバッファー構成への変更を行うには、バッファーの駆動回路をより複雑にする必要があります。これは、ディスクリートコンポーネントを備えたソリューションを実装する場合には適切でない場合があります。プッシュ・プル・バッファーを備えたドライバーのこの形式は、「ハーフブリッジ」ドライバーと呼ばれます。位相外で駆動する2つのハーフブリッジドライバーは、「フルブリッジ」ドライバーとして知られており、2つのハーフブリッジドライバーの出力間に接続されたブザーと共に使用できます。フルブリッジドライバを使用するメリットは、ブザーに印加される電圧が基本的なドライバーまたはハーフブリッジドライバーと比較して2倍になることです。この駆動電圧の増加は、同じ供給電圧を使用しながら、ブザーからのルーダー出力サウンドにつながります。ハーフブリッジドライバーとフルブリッジドライバー両方の多くのバージョンは、安価な統合型回路として利用可能で、電気モーターを駆動するために使用されます。

ピエゾ・ブザー負荷を備えたフルブリッジドライバーの図
ピエゾ・ブザー負荷を備えたフルブリッジドライバー

共振ピエゾ・トランスデューサー駆動回路

依然としてピエゾ・トランスデューサーを駆動するためのもう一つのオプションは、トランスデューサーブザーに存在する寄生静電容量とディスクリートインダクターを利用して、共振回路を形成する回路を作成することです。共振回路の特性の1つは、エネルギーが保存され、2つの要素間に交互に転写されることです。このアプリケーションでは、エネルギーを保存および転送する2つの要素とは、インダクターと寄生コンデンサーです。以下の図は、共振ピエゾ・トランスデューサー駆動回路の1つの可能な実装例です。共振駆動回路のメリットには、組み立てが簡単であること、高い電気効率が得られること、ピエゾブザー全体にわたって発生した電圧は、供給電圧の何倍も大きくなることなどが挙げられます。ただし、回路の操作はピエゾ・トランスデューサーの寄生静電容量に依存し、これは製造プロセス中に十分にキャラクタリゼーションまたは制御されない場合があります。希望の動作周波数に応じて、インダクターは、その他の回路コンポーネントと比べて物理的に大きく、より重くなる可能性があります。また、共振回路の動作をモデル化することは困難であり、そのため、この回路は設計コンピューターではなく、実験室で完了させる必要があることがあります。またさらなる制限として、共振ピエゾ・トランスデューサー駆動回路は、一つの特定の周波数のみで良好に実行されることが挙げられます。これにより複数の周波数トーンが必要なアプリケーションにはあまり適していません。

共振駆動回路のより詳細なディスカッションと分析については、EDNによるこの記事をご覧ください。参照されている記事内の回路は、40 kHzで動作していることに留意してください。従って、コンポーネント値は、4kHzの音声周波数での操作に合わせてスケールする必要があります。

共振ピエゾ・トランスデューサー駆動回路の図
共振ピエゾ・トランスデューサー駆動回路

概要

ピエゾ・トランスデューサー・ブザーのドライバーの選択と設計において、設計者はいくつかの選択肢と妥協しなければならない点があります。妥協点の多くは、駆動回路の設計および製造のコストにまつわるものです。ただし、いったん電源の電圧が決定したら、トランスデューサードライバーの出力音量を上げる可能性が限定される場合があります。出力音量が課題となる場合、適切な音調は最適な電圧定格、サイズ、およびマウントスタイルを持つブザーと組み合わせた適切な駆動回路を導入することで達成できます。CUI Devicesの多様なブザーは、貴社のアプリケーション独自の要件に一致するよう広範な構成を提供しており、この選択プロセスを簡易化します。

その他のリソース


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Bruce Rose

Bruce Rose

技術コントリビューター

Bruce Rose は、エレクトロニクス業界で長年にわたり、設計、販売、マーケティングを担当し、アナログ回路と電力供給に重点を置いてきました。国際的なワークショップを開催し議長を務め、40以上の技術会議で論文の出版や発表をするなどの職務経験に加え、7件の特許を取得しています。Bruce は自分の仕事はもちろん、家族でハイキング、サイクリング、カヌーを楽しみ、また本格的な模型飛行機にも情熱を注いでいます。

 
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