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Tecniche di progettazione per aumentare l'uscita audio del cicalino a trasduttore piezoelettrico

Di Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

I cicalini a trasduttore piezoelettrico, utilizzati in una vasta gamma di applicazioni e settori come mezzo di identificazione acustica o allarme, sono in grado di creare toni e suoni diversi a seconda delle specifiche esigenze di un'applicazione. L'ampiezza del suono prodotto da un cicalino a trasduttore piezoelettrico dipende sia dallo specifico cicalino selezionato sia dal segnale utilizzato per pilotarlo. Poiché questi dispositivi richiedono un circuito di pilotaggio esterno per produrre un tono o un suono, esistono vari metodi per influenzarne l'uscita audio in base al progetto del circuito di pilotaggio esterno. Nonostante la semplicità della sua realizzazione, questo articolo si prefigge di fornire le indicazioni di base sui principi di funzionamento di un trasduttore piezoelettrico e di illustrare i vantaggi e i limiti delle comuni tecniche di progettazione per aumentare l'uscita audio di un trasduttore.

Principi di funzionamento di un trasduttore piezoelettrico

Il documento tecnico di CUI Devices sui principi base di un cicalino offre una panoramica approfondita sui trasduttori piezoelettrici. Qui viene proposto solo un rapido ripasso di questa tecnologia. Un dispositivo piezoelettrico è costruito con un materiale che si deforma fisicamente quando viene applicata tensione attraverso di esso. L'entità della deformazione e il conseguente volume di rumore sono correlati alla tensione applicata attraverso il materiale piezoelettrico. Come accennato in precedenza, per funzionare un cicalino a trasduttore ha bisogno di un segnale di eccitazione esterno. I cicalini di segnalazione, invece, avendo un oscillatore interno richiedono solo una tensione di alimentazione. Quindi, potrebbero essere più facili da progettare ma, rispetto a un trasduttore, hanno una limitazione di tipi di toni e suoni prodotti.

Circuito di pilotaggio semplice

Nello schema riportato sotto (Figura 1) si evidenzia uno dei circuiti di pilotaggio più semplici per un cicalino a trasduttore piezoelettrico, composto da un interruttore elettronico, come un FET o un BJT, e da un resistore di reset. Dato che questo circuito richiede solo pochi ed economici componenti, può essere una scelta comune per i progetti più basilari. Ma, al di là della sua semplicità, questo progetto ha degli svantaggi in quanto il resistore di reset dissipa la potenza e la tensione applicata al cicalino è limitata alla tensione di alimentazione (+V). Tenere presente che il cicalino e il circuito funzioneranno ugualmente, indipendentemente dal fatto che il terminale del cicalino sia collegato all'alimentazione +V (come mostrato nella Figura 1) o a terra.

Schema del circuito di pilotaggio composto da un interruttore elettronico e da un resistore di resetFigura 1: Circuito di pilotaggio composto da un interruttore elettronico e da un resistore di reset. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Circuito di pilotaggio con buffer

La perdita di potenza del resistore di reset del circuito di pilotaggio può essere ridotta aggiungendo due transistor buffer (Figura 2). Questi due transistor buffer consentono di utilizzare un resistore di reset a impedenza superiore, ma con un abbassamento della tensione applicata al cicalino corrispondente a due diodi, o circa 1,2 V. Come per il circuito della Figura 1, questo cicalino e il circuito con i buffer aggiunti funzioneranno ugualmente, indipendentemente dal fatto che il suo terminale sia collegato all'alimentazione +V o a terra.

Schema del circuito di pilotaggio con l'aggiunta di due bufferFigura 2: Circuito di pilotaggio con l'aggiunta di due buffer. (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Per risolvere il problema della riduzione di tensione, si può semplicemente invertire le posizioni dei buffer BJT utilizzati sopra. Per i buffer, questo circuito può anche essere costruito con FET invece di BJT. Entrambe le configurazioni dei buffer sono descritte nella Figura 3.

Schema della posizione dei buffer BJT invertiti (a sinistra) e dei buffer FET al posto dei BJT (a destra)Figura 3: Posizione dei buffer BJT invertiti (a sinistra) e dei buffer FET al posto dei BJT (a destra). (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Driver a semiponte e a ponte intero

Le modifiche opzionali alle configurazioni dei buffer ricordate sopra (Figura 3) complicano però i circuiti di pilotaggio per i buffer, il che potrebbe non essere auspicabile quando si progetta con componenti discreti. Questo tipo di driver con buffer push-pull è comunemente detto driver "a semiponte". Un cicalino può essere collegato tra le uscite di due driver a semiponte e quando questi due driver vengono portati fuori fase sono detti driver "a ponte intero". Sia i driver a semiponte che quelli a ponte intero sono spesso utilizzati per pilotare motori elettrici e sono disponibili come circuiti integrati economici. I driver a ponte intero offrono anche il vantaggio di fornire al cicalino una tensione doppia rispetto a quella di un driver di base o a semiponte, per cui si ottiene un suono più forte utilizzando la stessa tensione di alimentazione delle altre soluzioni.

Schema del circuito di un driver a ponte interoFigura 4: Circuito di un driver a ponte intero (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Circuito di pilotaggio risonante

A causa della capacità parassita presente nei cicalini a trasduttori, gli ingegneri dispongono di un'opzione aggiuntiva per pilotare un trasduttore piezoelettrico: un induttore discreto per formare un circuito risonante. I circuiti risonanti immagazzinano e trasferiscono l'energia alternatamente tra due elementi che in questa applicazione sono il condensatore parassita e l'induttore. La Figura 5 mostra una di queste implementazioni di un circuito di pilotaggio risonante per il cicalino a trasduttore piezoelettrico.

I circuiti di pilotaggio risonanti offrono diversi vantaggi, tra cui la semplicità di costruzione e il potenziale per un elevato rendimento elettrico. La tensione sviluppata attraverso il cicalino piezoelettrico può anche essere molto più grande della tensione di alimentazione. Tuttavia, il circuito di pilotaggio risonante può essere ostacolato dal fatto che dipende dalla capacità parassita di un trasduttore piezoelettrico, che durante il processo di fabbricazione non è sempre ben caratterizzato o controllato. Inoltre, i circuiti di pilotaggio dei trasduttori piezoelettrici risonanti hanno buone prestazioni solo a una frequenza specifica, pertanto sono meno idonei per applicazioni che richiedono toni a frequenze multiple. Occorre poi ricordare che la frequenza operativa selezionata ha un impatto sull'induttore, che può essere fisicamente grande e pesante rispetto ad altri componenti del circuito. Anche modellare il funzionamento del circuito risonante può essere difficile. Di conseguenza potrebbe essere necessario finalizzare il circuito in laboratorio, non al computer.

Schema del circuito di pilotaggio risonanteFigura 5: Esempio di un circuito di pilotaggio risonante (Immagine per gentile concessione di CUI Devices)

Conclusione

Sono disponibili diverse opzioni per progettare un circuito di pilotaggio per un cicalino a trasduttore piezoelettrico. Tanto usando componenti discreti semplici che progettando circuiti più complessi, ogni driver comporta una serie di compromessi per produrre l'uscita del suono desiderata di un'applicazione. Una volta stabiliti i parametri prestazionali chiave, CUI Devices facilita il processo di selezione con una gamma di cicalini piezoelettrici e magnetici idonei per rispondere ai requisiti dei vari progetti.

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Informazioni su questo autore

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.