USD

Técnicas de diseño para aumentar la salida de audio de un zumbador piezoeléctrico

Por Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

Al utilizar en una amplia gama de aplicaciones e industrias como medio de identificación audible o de alerta, los zumbadores transductores piezoeléctricos son capaces de crear tonos y sonidos variables dependiendo de la necesidad específica de una aplicación. La amplitud del sonido producido por un zumbador transductor piezoeléctrico depende tanto del zumbador específico seleccionado como de la señal utilizada para accionar el zumbador. Debido a que los zumbadores transductores requieren un circuito de conducción externo para producir un tono o sonido, existen varios métodos para impactar la salida de audio de un zumbador piezoeléctrico basados en el diseño del circuito de conducción externo. Aunque es sencillo en la práctica, este artículo tiene como objetivo presentar los principios de funcionamiento de un transductor piezoeléctrico, así como las ventajas y limitaciones de las técnicas de diseño comunes para aumentar la salida de audio de un transductor.

Principios de funcionamiento del transductor piezoeléctrico

El documento técnico de CUI Devices sobre los fundamentos de los zumbadores proporciona una visión general en profundidad sobre los transductores piezoeléctricos, pero aquí hay un rápido repaso de la tecnología. Un dispositivo piezoeléctrico está construido con un material que se deforma físicamente cuando se aplica un voltaje a través del dispositivo, donde la cantidad de deformación y el volumen de ruido resultante causado por la deformación están relacionados con el voltaje aplicado a través del material piezoeléctrico. Como se mencionó anteriormente, un zumbador transductor requiere una señal de excitación externa para funcionar. Los zumbadores indicadores, por otro lado, sólo requieren un voltaje de suministro para funcionar debido a un oscilador interno. Esto puede facilitar el diseño de los indicadores, pero también limita los tipos de tonos y sonidos producidos en comparación con un transductor.

Un simple circuito de conducción

En el siguiente diagrama de circuito (Figura 1), se muestra uno de los circuitos conductores más simples para un zumbador transductor piezoeléctrico, que está compuesto por un interruptor electrónico, como un FET o BJT, y una resistencia de reinicio. Como este circuito solo requiere unas pocas piezas baratas, puede ser una opción popular para diseños más básicos. Pero, aunque es simple, este diseño tiene sus inconvenientes en que la resistencia de reinicio disipa la energía y el voltaje aplicado al zumbador se limita al voltaje de suministro (+V). Tenga en cuenta que el zumbador y el circuito funcionarán de la misma manera, independientemente de si el terminal del zumbador está conectado al suministro de +V (como se muestra en la figura 1) o a tierra.

Diagrama del circuito de conducción compuesto por un interruptor electrónico y una resistencia de reajusteFigura 1: Circuito de conducción compuesto por un interruptor electrónico y una resistencia de reinicio. (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Circuito del conductor con amortiguadores

Un ingeniero puede reducir la pérdida de potencia de la resistencia de reajuste del circuito del conductor anterior con la adición de dos transistores de búfer (Figura 2). Estos dos transistores de búfer permiten el uso de una resistencia de reajuste de mayor impedancia a costa de un voltaje reducido aplicado al zumbador de aproximadamente dos caídas de diodo, o alrededor de 1,2 V. De nuevo, de forma similar al circuito de la figura 1, este zumbador y el circuito con los búferes añadidos funcionarán de la misma forma independientemente de si el único terminal del zumbador está conectado a la alimentación de +V o a tierra.

Diagrama del circuito de conducción con dos búferes añadidosFigura 2: Circuito de conducción con dos búferes añadidos. (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Para abordar el tema de la reducción de voltaje, un ingeniero puede simplemente invertir las posiciones de los búferes BJT utilizados anteriormente. Este circuito también puede ser construido con FET en lugar de BJT como componentes del búfer. Ambas configuraciones del búfer se describen en la figura 3.

Diagrama de la posición de los búferes BJT invertidos (izquierda) o búferes FET en lugar de los BJT (derecha)Figura 3: Posición de los búferes BJT invertidos (izquierda) o búferes FET en lugar de los BJT (derecha). (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Conductores de medio puente y puente completo

Aunque los cambios en las configuraciones de los buffers mencionados anteriormente (Figura 3) son una opción, harán que los circuitos conductores de los búferes sean más complejos, lo cual puede no ser deseado cuando se diseña con componentes discretos. Esta forma de conductor con búferes de empuje y tracción se conoce comúnmente como conductor de "medio puente". Se puede conectar un zumbador entre las salidas de dos conductores de medio puente y cuando estos dos conductores de medio puente se desfasan, se conocen como conductores de "puente completo". Tanto los conductores de medio puente como los de puente completo se utilizan a menudo para accionar motores eléctricos y están disponibles como circuitos integrados económicos. Los conductores de puente completo también ofrecen la ventaja de entregar dos veces el voltaje al zumbador como un conductor básico o un conductor de medio puente, lo que resulta en una salida de sonido más fuerte usando el mismo voltaje de suministro que otras soluciones.

Diagrama del circuito del conductor de puente completoFigura 4: Circuito conductor de puente completo (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Circuito de conductor resonante

Debido a la capacitancia parásita presente en los zumbadores transductores, los ingenieros tienen una opción adicional para conducir un transductor piezoeléctrico utilizando un inductor discreto para formar un circuito resonante. Los circuitos resonantes almacenan y transfieren energía alternativamente entre dos elementos; siendo los dos elementos en esta aplicación el condensador parásito y el inductor. La figura 5 muestra una de esas implementaciones de un circuito conductor resonante para un zumbador transductor piezoeléctrico.

Los circuitos de conductores resonantes ofrecen varios beneficios, incluyendo una construcción simple y el potencial de una alta eficiencia eléctrica. El voltaje desarrollado a través del zumbador piezoeléctrico también puede ser mucho mayor que el voltaje de suministro. Sin embargo, el circuito conductor resonante puede verse obstaculizado por el hecho de que depende de la capacitancia parásita de un transductor piezoeléctrico, que durante el proceso de fabricación no siempre está bien caracterizada o controlada. Los circuitos conductores de los transductores piezoeléctricos resonantes también funcionan bien únicamente en una frecuencia específica, lo que los hace menos adecuados para aplicaciones que requieren múltiples tonos de frecuencia. Además, la frecuencia de funcionamiento seleccionada impacta en el inductor, que puede ser físicamente grande y pesado en comparación con otros componentes del circuito. Modelar el funcionamiento del circuito resonante también puede ser difícil, lo que significa que puede ser necesario finalizar el circuito en el laboratorio en lugar de en la computadora de diseño.

Diagrama del circuito del conductor resonanteFigura 5: Ejemplo de un circuito conductor resonante (Fuente de la imagen: CUI Devices)

Conclusión

Un ingeniero tiene muchas opciones cuando se trata de diseñar un circuito conductor para un zumbador transductor piezoeléctrico. Desde el uso de simples componentes discretos hasta diseños de circuitos más complejos, cada conductor viene con su propio conjunto de compensaciones para alcanzar la salida de sonido deseada de una aplicación. Una vez determinados los parámetros clave de rendimiento, CUI Devices facilita el proceso de selección con una gama de zumbadores piezoeléctricos y magnéticos fácilmente disponibles para satisfacer los requisitos de un diseño.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Acerca de este autor

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.