mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Piezo Treiberschaltung - Low Cost und mit Wums?


Autor: Michael (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Hat jemand dazu eine Idee?
Nimm eine Spule, lass Strom durch und schalte den dann ab. 
Hastdunichtgesehen sind da plötzlich 100V da  ;-)

Autor: Michael (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Not bad ;) aber nicht ganz Failsafe.
Schalte zu lange machte bumm.

Sonst brilliant.

Autor: Hans Mayer (hansilein)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
erstmal die resonanzfreqenz des piezo treffen, steht oft im datenblatt

Autor: Michael (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> 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.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Michael (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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

Autor: ::: (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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

Autor: Michael (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@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

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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.

Autor: Michael O. (mischu)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
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!

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.