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蜂鳴器常見錯誤電路分析

2016-09-08
來源:ZLG致遠電子

  蜂鳴器是電路設計中常用的器件,廣泛用于工業(yè)控制、機房監(jiān)控、門禁控制、計算機等電子產(chǎn)品,作為預警發(fā)聲器件。然而很多人在設計時往往隨意設計,導致實際電路中蜂鳴器不發(fā)聲、輕微發(fā)聲和亂發(fā)聲的情況發(fā)生。

  蜂鳴器(Buzzer)是一類常見的電聲器件,具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點,發(fā)聲范圍一般有數(shù)百Hz到十幾kHz,廣泛應用于各種電子設備當中(空調(diào)、洗衣機、電腦等內(nèi)部都有蜂鳴器)。蜂鳴器在電路中電路圖形符號用字母“H”或“HA”(舊標準用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。

  下面我們介紹最常用的兩類蜂鳴器:有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。

  從驅(qū)動方式分類,有源驅(qū)動和無源驅(qū)動,有源蜂鳴器又稱為直流蜂鳴器,其內(nèi)部已經(jīng)包含了一個多諧振蕩器,只要在兩端施加額定直流電壓即可發(fā)聲,具有驅(qū)動、控制簡單的特點,但價格略高。無源蜂鳴器又稱為交流蜂鳴器,內(nèi)部沒有振蕩器,需要在其兩端施加特定頻率的方波電壓(注意并不是交流,即沒有負極性電壓)才能發(fā)聲,具有可靠、成本低、發(fā)聲頻率可調(diào)整等特點。

  有源蜂鳴器與無源蜂鳴器有什么區(qū)別:這里的“源”不是指電源,而是指震蕩源。也就是說,有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源,所以只要一通電就會叫。而無源內(nèi)部不帶震蕩源,所以如果用直流信號無法令其鳴叫,必須用2K~5K的方波去驅(qū)動它。有源蜂鳴器往往比無源的貴,就是因為里面多了個震蕩電路。

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  圖7.22蜂鳴器

  下面我們從EasyARM-i.MX283開發(fā)套件入手,就3.3V NPN三極管驅(qū)動有源蜂鳴器設計,從實際產(chǎn)品中分析電路設計存在的問題,提出電路的改進方案,使讀者能從小小的蜂鳴器電路中學會分析和改進電路的方法,從而設計出更優(yōu)秀的產(chǎn)品,達到拋磚引玉的效果。

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  圖7.24錯誤接法1

  圖7.24為典型的錯誤接法,當BUZZER端輸入高電平時蜂鳴器不響或響聲太小。當I/O口為高電平時,基極電壓為3.3/4.7*3.3V≈2.3V,由于三極管的壓降0.6~0.7V,則三極管射極電壓為2.3-0.7=1.6V,驅(qū)動電壓太低導致蜂鳴器無法驅(qū)動或者響聲很小。

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  圖7.25錯誤接法2

  圖7.25為第二種典型的錯誤接法,由于上拉電阻R2,BUZZER端在輸出低電平時,由于電阻R1和R2的分壓作用,三極管不能可靠關斷。

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  圖7.26錯誤接法3

  圖7.26為第三種錯誤接法,三極管的高電平門檻電壓就只有0.7V,即在BUZZER端輸入電壓只要超過0.7V就有可能使三極管導通,顯然0.7V的門檻電壓對于數(shù)字電路來說太低了,在電磁干擾的環(huán)境下,很容易造成蜂鳴器鳴叫。

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  圖7.27錯誤接法4

  圖7.27為第四種錯誤接法,當CPU的GPIO管腳存在內(nèi)部下拉時,由于I/O口存在輸入阻抗,也可能導致三極管不能可靠關斷,而且和圖7.26一樣 BUZZER端輸入電壓只要超過0.7V就有可能使三極管導通。

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  圖7.28  NPN三極管控制有源蜂鳴器常規(guī)設計

  圖7.28為通用有源蜂鳴器的NPN三極管控制有源蜂鳴器常規(guī)設計驅(qū)動電路。電阻R1為限流電阻,防止流過基極電流過大損壞三極管。電阻R2有著重要的作用,第一個作用,R2相當于基極的下拉電阻,如果輸入端懸空則由于R2的存在能夠使三極管保持在可靠的關斷狀態(tài),如果刪除R2則當BUZZER輸入端懸空時則易受到干擾而可能導致三極管狀態(tài)發(fā)生意外翻轉(zhuǎn)或進入不期望的放大狀態(tài),造成蜂鳴器意外發(fā)聲。第二個作用,R2可提升高電平的門檻電壓。如果刪除R2,則三極管的高電平門檻電壓就只有0.7V,即A端輸入電壓只要超過0.7V就有可能導通,添加R2的情況就不同了,當從A端輸入電壓達到約2.2V時三極管才會飽和導通,具體計算過程如下:

  假定β=120為晶體管參數(shù)的最小值,蜂鳴器導通電流是15mA,那么集電極電流IC=15mA,則三極管剛剛達到飽和導通時的基極電流是:

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  流經(jīng)R2的電流是:

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  流經(jīng)R1的電流:

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  最后算出BUZZER端的門檻電壓是:

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  圖7.28中的C2為電源濾波電容,濾除電源高頻雜波。C1可以在有強干擾環(huán)境下,有效的濾除干擾信號,避免蜂鳴器變音和意外發(fā)聲。在RFID射頻通訊、Mifare卡的應用中,這里初步選用0.1uF的電容,具體可以根據(jù)實際情況選擇。

  在NPN 3.3V控制有源蜂鳴器時,在電路的BUZZER輸入高電平,讓蜂鳴器鳴叫,檢測蜂鳴器輸入管腳(NPN三極管的C極)處信號,發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在發(fā)聲時,向外發(fā)生1.87KHZ,-2.91V的脈沖信號,如圖7.29所示。

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  圖7.29蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

  在電路的BUZZER輸入20Hz的脈沖信號,讓蜂鳴器鳴叫,檢測蜂鳴器輸入管腳處信號,發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在發(fā)聲時,在控制電平上疊加了1.87KHz,-2.92V的脈沖信號,并且在蜂鳴器關斷時出現(xiàn)正向尖峰脈沖(≥10V),如圖7.30所示。

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  圖7.30蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

  圖7.30中1.87KHz,-2.92V的脈沖信號應該是有源蜂鳴器內(nèi)部震蕩源釋放出來的信號常用有源蜂鳴器主要分為壓電式、電磁震蕩式兩種,i.MX283開發(fā)板上用的是壓電式蜂鳴器,壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成,而多諧震蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成,我們所用的蜂鳴器內(nèi)部含有晶體管震蕩電路(有興趣的朋友可以自己拆開看看)。

  有源蜂鳴器產(chǎn)生脈沖信號能量不是很強,可以考慮增加濾波電容將脈沖信號濾除。消除蜂鳴器EMI輻射后改進電路圖如圖7.31所示,在有源蜂鳴器的兩端添加一個104的濾波電容后,脈沖信號削減到-110mV,如圖7.32所示,但頂部信號由于電容充電過慢,有點延時。

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  圖7.31  NPN有源蜂鳴器控制電路改善后電路圖

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  圖7.32減少蜂鳴器自身發(fā)放脈沖


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