【Maker 電子學】壓電蜂鳴器的原理與應用—應用篇

作者:Bird

上一回【Maker 電子學】壓電蜂鳴器的原理與應用—原理篇,我們介紹了壓電蜂鳴器的原理與製程,並說明了電聲元件對空氣的「阻抗轉換」觀念。這回我們要探討如何驅動壓電蜂鳴器以及驅動電路上該注意的事。

(圖片來源:Bird 提供)

驅動一個電容器

我們上次說過,壓電蜂鳴器從結構上來看,它就是一個電容器:兩片電極中間夾著不導電的陶瓷。如果不考慮線性度,而只需要夠大的電流來驅動傳統的電磁揚聲器,我們通常可以這樣做:

(圖片來源:Bird 提供)

電磁揚聲器是一個直流電阻很小的電感性元件,因此我們可以輕易地用一顆電晶體控制電流流過它,來驅動它發聲,但如果我們直接把上面那個電路中的電磁揚聲器換成壓電蜂鳴器:

(圖片來源:Bird 提供)

這個電路是行不通的。

最主要的原因是,壓電蜂鳴器是一個電容性的負載,上面這個電路只能對這個電容器充電,卻不能幫它放電,因此電荷會一直累積在壓電蜂鳴器的電容上,導致壓電材料上面的電場一直都維持在同一個大小,沒有變化,它就不會震動了。

如果我們直接用三用電錶的電阻檔去量壓電蜂鳴器,可以發現它的電阻是無限大:

(圖片來源:Bird 提供)

除了當探棒剛接觸上去的那一瞬間時電阻檔會有一點讀值之外,接下來量出來的電阻都是無限大,也就是說它對 DC 來說是不導通的,而探棒剛接觸上去時,之所以會有讀值,是因爲它的電容器裡面還沒有電荷時,電錶的電阻檔測量用的微小電流對它充電所造成的,但是當壓電蜂鳴器的電容充飽後,就沒有電流可以流過去了,因此它的 DC 電阻也就變成無限大。

雙向驅動電路

要驅動壓電蜂鳴器,驅動電路就要能對它充電、放電,因此如果要用電晶體來做,這個電路就會像這樣:

(圖片來源:Bird 提供)

這種驅動電路有個名字,叫做 totem pole driver,因爲它上下對稱的形狀看起來像是長翅膀的圖騰柱。

當來自前面的驅動訊號爲 high 時,NPN 電晶體 Q1 導通,對壓電蜂鳴器充電,建立它上面的電場,而當來自前面的驅動訊號爲 low 時,PNP 電晶體 Q2 導通,壓電蜂鳴器上的電荷透過 Q2 被放掉,壓電材料上的電場消失;因爲這個電路可以 source(流出)電流,也可以 sink(流入)電流,因此我們說它是一個雙向(bi-directional)的驅動電路。

其實類似的驅動電路常常被用在驅動電容性的負載,像是很大顆的 power MOSFET,因爲它的閘極電容很大,如果邏輯電路的輸出沒有足夠的電流能力直接驅動它,就會搭配這樣的驅動電路來驅動。

規格解讀

我們來看一個實際的壓電蜂鳴器規格書。

(圖片來源:Bird 提供)

這是日本被動元件大廠 Murata 的壓電蜂鳴器產品線之一的型號列表,可以看到這一系列有許多型號,這麼多型號的主要差別是尺寸,以及有沒有焊接好導線。表中 7BB 開頭的都使用黃銅做爲金屬片,只有最後一個 7NB 開頭的型號是使用鎳合金做爲金屬片,這兩者從外觀上也可以很容易區別:黃銅是金色的,而鎳合金是銀色的。

表中的第一個數字是這個壓電蜂鳴器的共振頻率,如果用這個頻率驅動它的話,效率會最好、發出的聲音最大。人耳雖然可以聽到 20 Hz-20 KHz 的頻率,但最敏感的範圍落在 2 KHz-4 KHz,因此大部分的壓電蜂鳴器也都設計在這個頻率下工作。

表中第二個參數是它在共振頻率時的阻抗,單位是歐姆。由這個數字我們可以算出,在共振頻率要驅動它時,會需要多少電流。舉個例子來說,以表中第三顆 7BB-20-3 來說,它的共振頻率是 3.6 KHz,在共振頻率之下的阻抗是 500 ohm,如果我們用 3.6 KHz、RMS 3V 的正弦波去驅動它,流過它的 RMS 電流就會是 3V / 500 ohm = 6 mA,這時我們就要確定驅動電路可以提供最少 6 mA 的電流,才能把這個壓電蜂鳴器驅動到最大的功率。

我們上次說過,爲了增加壓電蜂鳴器驅動空氣的效率,可以在它外面加個塑膠殼把空氣限制在壓電陶瓷面的附近、提升能量的傳遞效率,於是大部分的壓電蜂鳴器廠商也都有出這種帶有塑膠殼的壓電蜂鳴器:

(圖片來源:Bird 提供)

這種壓電蜂鳴器有個名字叫「cavity type」,那個塑膠殼是一個「caivity」(空腔),它的體積、形狀會影響壓電蜂鳴器的共振頻率與頻率響應,因此 cavity type 的壓電蜂鳴器規格書上通常可以給出像這樣的頻率響應圖:

(圖片來源:Bird 提供)

這個圖的橫軸是頻率,縱軸是在 1.5 V 的方波驅動下所產生出來的聲壓,也就是音量,這是在距離蜂鳴器 10 公分的距離所測量到的音量,單位是分貝;可以看到,壓電蜂鳴器在不同頻率下發出的音量大小有很大的變化,而且在 500 Hz 以下的低頻音量非常小。

低頻的音量之所以會比較小,除了受限於蜂鳴器本身震動面積的大小外,驅動的效率低落也是一個主要的原因。對於電容性的負載,低頻的容抗相對會比較大,因此同樣的電壓驅動下,低頻時流過的電流會比較小,傳遞到壓電蜂鳴器的能量就比較小,音量自然比較小。

由於不同頻率的音量也有蠻大的落差,壓電蜂鳴器其實並不適合拿來播放音樂,因爲不同音高的聲音大小差距很大,聽起來會有音量忽大忽小的問題,但如果只用它們來發出單一頻率的聲音,如提醒或是警示聲,效果則還不錯,尤其是在很小的體積裡達到相當大的音量,這是電磁揚聲器很難做到的。以上面那顆 PKM22EPPH4007 來說,它在 4 KHz 時用 1.5 V
驅動就可以達到 95 分貝的音量(95 分貝是一個你很難忽略掉的音量,當然這是距離 10 公分處所量到的音量,實際的聲壓會隨著距離而遞減)。

正壓電效應

將電場轉換爲機械能的現象叫做「逆壓電效應」,而這正是壓電蜂鳴器運作的原理,而另一個方向、將機械能轉換爲電荷的 「正壓電效應」也同時存在於壓電蜂鳴器上;也就是說,如果你對壓電蜂鳴器施加力量,它會產生電荷,而在上面產生讓你可以測量到的電壓。

咦?那這樣的話,壓電蜂鳴器不就可以拿來當麥克風了嗎?Yes and no。理論上它確實可以將震動轉換爲電訊號,但還有許多其它因素,讓它不是一個好的麥克風元件,卻可以用來偵測其它類型的機械訊號。

下一回,我們再來繼續討論壓電蜂鳴器在正壓電效應下,有些什麼特殊的用途,以及設計上有什麼該注意的事。

(責任編輯:賴佩萱)

Liang Bird
Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

Share This Post On

Submit a Comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。