Hallo zusammen,
ich suche nach einer Möglichkeit mit einem Piezo Lautsprecher (SMD /
bedrahtet) auf einer Batteriebetriebenen Anwendung (2x AA / 2.0 - 3,5V)
auf möglichst kompakte, kostengünstige Art möglichst viel Lärm zu
machen. Im Normalzustand soll der Stromverbrauch sehr niedirg sein
(abschaltbar?). Ich verwende einen ATTINY, könnte also eine PWM
modulieren. Die typischen Piezos ohne Treiberstufe halten um 30Vpp aus.
Klar ist mir folgendes:
1. Die Wiedergabefrequenz sollte irgendwo um 4 kHz liegen, da das Ohr
dort die größte Empfindlichkeit hat.
2. Mehr Spannung -> höhere Lautstärke. Piezo in eine Art H-Brücke setzen
(mindestens zwei Low-Side Schalter plus Pullup). Ein Stepup Wandler
(aber möglichst ohne Induktivität) zum erhöhen der Betriebsspannung.
Frage:
1. Gibt es eine einfache Möglichkeit einen Resonanzkreis aufzubauen um
die Spannung an dem Piezo zu erhöhen? Werde dann aber nicht um eine
Induktivität herumkommen :(.
2. Kann man mit einer speziellen Ansteuerfolge eine zyklische
Spannungsüberhöhung provozieren? Bspw. mit einer höheren Frequenz
moduliert schalten und damit eine Subharmonische anregen?
Hat jemand dazu eine Idee?
Also mit Lothars tipp Würde ich eine Induktivität (von Vcc) mit dem
Piezo (nach GND) in Reihe schalten. Den Mittelabgriff über einen
Transistor nach Masse legen.
Transistor an -> Strom in Induktivität aufbauen
Transistor aus -> Strom kommutiert in Piezo
Im Prinzip muss ich dann auf zwei Dinge achten:
1. Die Spannungsspitze am Piezo / Transistor begrenzen -> Varisator oder
Zener-Diode
2. Den Strom in den Transistor begrenzen. Der Piezo hat eine nicht
unwesentliche Kapazität, kurzschließen des geladenen Kondensator lässt
große Spitzenströme fließen.
Bei der Resonanz des Piezos wird die Spannungsüberhöhung eher noch
größer ausfallen. Andererseits heißt Resonanz nur, dass der Piezo eine
elektrische und damit auch eine mechanische Resonanz besitzt
(Masse-Feder-Dämpfer). Typischerweise ist da der akustische
Strahlungswiderstand noch zu gering (laufen als hochabgestimmte Treiber)
und die abgestrahlte Leistung ist zu niedrig.
Danke an alle.
> Der Piezo hat eine nicht unwesentliche Kapazität, kurzschließen des> geladenen Kondensator lässt große Spitzenströme fließen.
Aber genau dieses "Kurzschliessen" bewegt Ladungsträger und gibt
letzendlich den Ton. Damit holst du effektiv nur die Ladung wieder aus
dem Piezo heraus, die du vorher über die Spule eingelagert hast.
EDIT:
Du solltest aber darauf achten, dass deine Spule nicht in die Sättigung
kommt. Das bedeutet bei Audiofrequenzen eine recht hohe Induktivität.
Wenn man die Spule passend dimensioniert, dann ergibt sich zusätzlich
ein Schwingkreis:
In der Einschaltphase baut sich in der Spule in Magnetfeld auf. Beim
Abschalten fließt die in der Spule gespeicherte Energie in den Piezo
(Kondensator). Da dies ein LC Kreis ist, ist die Spannung sinusförmig.
Wenn die gesamte Energie im Kondensator steckt, ist die Spannung
maximal. Nun läd der Kondensator die nicht benötigte Energie in die
Spule und die Betriebsspannung zurück, die Spannung fällt wieder und
würde in den negativen Bereich gehen, was man aber durch eine Diode
parallel zum Transistor verhindern muss. Wenn man in dem Zeitpunkt
wieder den Transistor einschaltet, dann entstehen keinerlei
Schaltverluste, denn die Spannung liegt ja schon nahe 0V.
Für einen einfachen Piezopiepser ist das ganze sicherlich übertrieben,
aber mit dem Prinzip kann man auch größere Piezos, z.B. aus
Ultraschallreinigern mit ein paar 100kHz oder MHz bei etlichen 10 bis
100W ansteuern.
Keine Sättigung ist klar - wird leider nicht so klein werden. Wirewound
oder kleiner scheidet vermutlich aus.
Die "steigende Spannungsflanke", wenn die Spule in den Piezo
abmagnetisiert, ist im Prinzip wie eine Stromquelle die einen
Kondensator auflädt. Der Ladestrom hängt von der Magnetisierung ab.
Die "fallende Flanke", da hast Du natürlich recht, wird besser wenn ich
noch aktiv die Ladung aus dem Kondensator ziehe. Allerdings muss ich
dann eine LC-Zeitkonstante wählen die noch größer ist als die
Anregungsfrequenz. Das bedeutet eine noch größere Induktivität.
Insgesamt werde ich wohl mit einem Rechtecksignal um 4kHz mit 50%
Tastgrad arbeiten. Die Induktivität in fester Reihenschaltung mit dem
Piezo wird sowohl für ein Aufladen des Kondensators wie auch direkt
wieder für seine Endladung sorgen. Besser wäre es vermutlich, wenn der
Piezo für die High Zeite seine Ladung behält, damit steigende und
fallende Flanken gleich schnell erfolgen.
Schaltungstechnisch etwas aufwendiger, aber vermutlich effektiver kann
ich mir folgenden Ansatz vorstellen:
- Deutlich kleinere Induktivität wählen. -> schnelle Aufmagnetisierung
- Strom in Piezo kommutieren
- Bei maximaler Ladung des Piezos die Induktivität abklemmen
- Piezo nach 50% der Tastzeit mittels Transistor entladen
Es gibt Piezos, die sind polarisiert, und duerfen keine negativen
spannungen sehen. Das waer dann ein Fall wo man nicht mit Resonanz
arbeiten darf, resp nicht so einfach. Da muesst man dann eine DC
Vorspannung haben
@Benedikt
Die Resonanz ausnutzen kann ich natürlich auch.
Dafür benötige ich eine echte Halbbrücke die zyklisch zwischen Masse und
Betriebsspannung hin- und herschaltet und ein LC Seriengleid treibt.
Die negative Spannung von der Du berichtest wird über den einzelnen
Komponenenten Induktivität oder Kapazität, nicht jedoch am Schalter
auftreten.
Wie gesagt muss die Resonzfrequenz der Anregungsfrequenz entsprechen und
damit hätte ich wieder ein großes L.
Ipiezo ~ 20 .. 40mA
Cpiezo ~ 25nF
f = 4kHz
L = 1/((2 pi f)² * Cpiezo) = 63mH
Michael schrieb:
> Die negative Spannung von der Du berichtest wird über den einzelnen> Komponenenten Induktivität oder Kapazität, nicht jedoch am Schalter> auftreten.
Doch, beim Rückladen der in der Spule gespeicherten Energie in die
Betriebsspannung. Das ist dann der Fall, wenn die Halbwelle unter 0V
fällt, was bei idealer Leistungsanpassung nicht der Fall ist (dann ist
zu diesem Zeitpunkt die gesamte Energie verbraucht).
> Wie gesagt muss die Resonzfrequenz der Anregungsfrequenz entsprechen und> damit hätte ich wieder ein großes L.
Ja, das ist natürlich das andere Problem. Andererseits kann man die
Spule auch etwas kleiner wählen, dann wird die Spannung höher. Wie der
Piezo darauf reagiert kann ich nicht auswendig sagen, immerhin ist
dessen Ersatzschaltung etwas komplexer als nur ein Kondensator.
Irgendwas in der Richtung dürfte aber eine gute Lösung sein.
Eventuell den Transistor durch einen Mosfet ersetzen, dann entfallen
noch der Basiswiderstand und die Diode.
Hallo zusammen,
habe mich nun für folgende Lösung entschieden:
. Batterie mit 2.4V nominal
. 3uH Spule (Als offener Kern ausgeführt)
. MOSFET (die in der Simulation verwendete ist nicht die, die später
eingestzt wird)
. Diode zum Laden des C (Piezo-Kapazität), verhindert den schnellen
Rückfluss der Ladung
. Verlustwiderstand des C sorgt für Selbstentladung
. Ansteuerung mit 2.4V
Die Schaltung macht ganz mächtig Radau mit dem Piezo :)
Danke euch allen!
