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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bitte um Hilfe bei Piezo Alarm Treiber


Autor: dreimalsoviel (Gast)
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Hi,

ich möchte mittels eines Piezo ordentlich Krach machen. Es soll auch 
draußen bei Strassenlärm etc. sehr deutlich zu hören sein, weil es für 
eine Alarmanlage ist. Die Anforderungen sind folgende (absteigend 
sortiert nach Priorität):
-Lautstärke: soviel wie möglich und gesetzlich zulässig. Ich denke 
mindestens 120dB sollten es schon sein.
-Maximaler Durchmesser des Klangerzeugers: 24mm
-Versorgungsspannung: 3V
-Stromaufnahme muss von zwei AA-Zellen bewerkstelligt werden können
-Klang: Minimalanforderung ist piepsen z.B. bei 4kHz. Schön, aber nicht 
notwendig wäre es wenn verschiedene Frequenzen/Lautstärken 
Softwareseitig erzeugt werden könnten.
-Komplexität: so einfach und billig wie möglich -- bin Schwabe.

-Außerdem bin ich Informatiker und habe von analoger Schaltungstechnik 
wenig Ahnung, daher ist es mir am liebsten so viel als möglich in 
Software zu realisieren.

Erster Lösungsansatz:
Ziemlich gut und passend fand ich folgenden Forumsbeitrag:
Beitrag "Piezo Treiberschaltung - Low Cost und mit Wums?"
und habe eine Schaltung wie im beiliegenden Bild realisiert. Dabei kam 
ein Piezo von Digikey zum Einsatz:
http://search.digikey.com/scripts/DkSearch/dksus.d...
Das Piezo ist mit nur 92dB bei 10V spezifiziert, aber ich stecke ja ca. 
dreimalsoviel Volt rein.

Die Schaltung wird mit einem Rechtecksignal von 4kHz vom ATmega 
versorgt.

Doch leider macht diese Schaltung nicht genug Krach und ich weiß nicht 
wie ich das verbessern kann:(

Ich habe am Piezo die Spannung gemessen und es liegen tatsächlich bis zu 
30V an.

Habt Ihr Ideen, wie ich es lauter bekommen kann?
Mehr Volt? Anderes Piezo? Andre Schaltung? Anderes Signal? Geht nicht...

Danke und viele Grüße!

Autor: Egon (Gast)
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Piezo- Elemente haben eine Resonanz- Frequenz, bei der sie am lautesten 
sind.
Das sind wahrscheinlich nicht die 4kHz, die Du verwendest.

Autor: Michael Roek (mexman) Benutzerseite
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Wie wird der Piezo akustisch ausgekoppelt?
Das ist oft wichtiger als die eigentliche Betriebsspannung.

Gruss

Michael

Autor: dreimalsoviel (Gast)
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@Egon, laut dem Datenblatt scheint die Resonanzfrequenz bei 4kHz zu 
liegen. Müsste also passen.

@Michael, was bedeutet "akustisch auskoppeln"?

Autor: Daniel S (Gast)
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Ein Piezo Mitteltronhorn und eine Spannung von 12V sollten genügen.

Autor: ... (Gast)
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dreimalsoviel schrieb:
> Es soll auch
> draußen bei Strassenlärm etc. sehr deutlich zu hören sein, weil es für
> eine Alarmanlage ist.

Dann solltest du dir hier von einen Signalgeber aussuchen:
http://de.rs-online.com/web/search/searchBrowseAct...

Autor: John (Gast)
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dreimalsoviel schrieb:
> Das Piezo ist mit nur 92dB bei 10V spezifiziert, aber ich stecke ja ca.
> dreimalsoviel Volt rein.
> Doch leider macht diese Schaltung nicht genug Krach und ich weiß nicht
> wie ich das verbessern kann:(

Liegt am Piezo eine saubere Rechteckspannung an, oder sind es nur kurze 
Impulse?

Dir ist sicher bekannt, dass 'dB' logarithmische Verhältnisse sind: +3dB 
entsprechen dabei (ca.) einer Verdoppelung der Leistung.
Um also von 92 dB auf 120 dB zu kommen benötigst Du die 631-fache 
Leistung (theoretisch). Und die bekommst Du bei der 25-fachen Spannung 
(oder 631 Piezos parallel schalten). -> Der Wandler ist einfach zu klein 
für höhere Schallpegel.

Bei Reichelt gibt es diese Piezo-Summer: 105 dB mit 45mm Durchmesser:
http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=14557;PROVID=2402

120 dB (105 mm x 105 mm)
http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=4364;PROVID=2402

Gruß
John

Autor: dreimalsoviel (Gast)
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Vielen Dank Euch für die Antworten!

Ob am Piezo eine sauberes Rechteck-Signal anliegt muss ich noch prüfen 
(Dazu brauche ich ein Osziloskop, richtig?) In der Simulation mit Spice 
sieht es schon relativ rechteckig aus:
Beitrag "Piezo Treiberschaltung - Low Cost und mit Wums?"

Ich glaube mein eigentliches Problem sind die kleinen Dimensionen welche 
ich zur Verfügung habe. Langsam beschleicht mich das ungute Gefühl, dass 
es sehr schwierig bis unmöglich sein könnte, mit Durchmesser≤24mm und 
Höhe<40mm ordentlich Krach zu machen. Seht Ihr da noch eine Chance? 
Diese Dimensionen sind leider so vorgegeben.

Einen guten Rutsch!

Autor: 10er im Lotto (Gast)
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Spannung erhöhen, Reihenschaltung der Piezos und Symmetrieren.
Oder: es gibt dafür auch die Brückenschaltung zum Ansteuern.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Michael Roek-ramirez schrieb:
> Wie wird der Piezo akustisch ausgekoppelt?

Genau das ist der springende Punkt.

Man kann an der Spannung für das Piezoding rumschrauben, bis es abraucht 
- nur lauter wird es davon nicht.

Ein Zaunkönig bringt in 1 m Entfernung 90 db Schalldruck, wenn er singt. 
Der Piepmatz wiegt zwischen 7,5 und 11 Gramm und davon macht 
Stimmapparat nur einen winzigen Teil aus.

Wie der das schafft? Das Geheimnis liegt in der Anatomie seines Rachens 
und des Schnabels: die bilden ein Horn, das die Syrinx, die funktionell 
unserem Kehlkopf entspricht aber viel tiefer liegt, optimal an die 
umgebende Luft ankoppelt.

So schafft er es, mit minimalem Energieaufwand einen Mordskrach zu 
veranstalten.

http://de.wikipedia.org/wiki/Zaunk%C3%B6nig
http://de.wikipedia.org/wiki/Stimmkopf

Autor: dreimalsoviel (Gast)
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So, jetzt ist etwas Zeit vergangen, aber dafür hatte ich Gelegenheit ein 
Oszilloskop zu verwenden.

Mein Piezo-Treiber-Signal ist in beiliegendem Bild dargestellt. Für mich 
sieht das relativ rechteckig aus. Ich habe es mit dem am Thread-Anfang 
dargestellten Aufwärtswandler generiert. Die Lautstärke ist schon ganz 
gut, aber von einem Alarm wünsche ich mir mehr.

Jetzt würde ich gerne so ein Signal generieren, wie es die Tür- und 
Fensteralarme machen (siehe Bild). Diese Alarme sind nämlich noch lauter 
als meiner.

Was für eine Schaltung verwendet man dafür?

Ich könnte mir eine Kombination aus Aufwärtswandler und Inverswandler 
vorstellen, weiß aber nicht wie die konkret aussehen soll.

Wenn ich es richtig verstanden habe, ist das Tür- und Fensteralarm 
Signal besser für das Piezo, weil es vermutlich keinen DC-Anteil hat.

Die Peak-to-Peak Spannung halte ich für etwas hoch. Mein Piezo 
verkraftet laut Datenblatt 30 Vpp. Weiß nicht ob es den SPL deutlich 
verringern würde wenn die 30Vpp eingehalten würden. Andererseits ist die 
Belastung durch die ca 100Vpp auch nicht so hoch wie bei einem 
Rechtecksignal.

Also wenn mir jemand einen Denkanstoss für eine einfache 
Treiberschaltung geben kann, welche dieses Signal erzeugt, wäre ich sehr 
dankbar!

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Uhu Uhuhu schrieb:
> Michael Roek-ramirez schrieb:
>> Wie wird der Piezo akustisch ausgekoppelt?
>

Piezo fertig mit Trichter kaufen.


> Genau das ist der springende Punkt.
>
> Man kann an der Spannung für das Piezoding rumschrauben, bis es abraucht
> - nur lauter wird es davon nicht.

Eventuell kommst du über die Curie-Temperatur. Danach ist der kaputt, 
wegen Depolarisierung.


>
> Ein Zaunkönig bringt in 1 m Entfernung 90 db Schalldruck, wenn er singt.
> Der Piepmatz wiegt zwischen 7,5 und 11 Gramm und davon macht
> Stimmapparat nur einen winzigen Teil aus.
>

Und das von einer Eule zu hören.


> So schafft er es, mit minimalem Energieaufwand einen Mordskrach zu
> veranstalten.
>

he he.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Das wird einen Softwerker ohne Vorkenntnisse sicherlich überfordern. 
Gibt doch das Design irgendwem hier der Analogfritzen.

Als Denkanstoß würde ich eine Spule in Reihe vorschlagen. Probiers aus. 
Du wirst sehen. Es wird besser! Nimm mal 10uH bis 10mH in Reihe und dann 
ans Scope.

Sowas zu optimieren, artet einfach in einen ellenlagen Thread aus.

Auf jeden Fall sollte die Spannung am Piezo bei den üblichen 
Minischeibchen nicht 30V überschreiten! Wenn das nicht reicht, brauchst 
du was größeres bzw. mußt die optimale Frequenz austesten.

Autor: Harry Up (harryup)
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hi,
na so weit weg vom Taschenalarm istr dein Signal ja nicht, die negativen 
Schwingungen werden halt durch die Diode im MosFet gekillt. Wenn du hier 
'nen Transistor ohne Diode verwendest, der diese Spannungen auch abkann, 
dann haste ein recht ähnliches Signal.
Bei deiner Frequenz reicht ja fast noch ein Relais zum Schalten (gut, 
nicht ganz), einen MosFet braucht's da nicht.

Dann muss ich hier mal noch was loswerden, was vllt. nicht zur Sache 
gehört, aber der Anlass ist ja gegeben:
Zitat: Das wird ... sicherlich überfordern.
Du liebe Güte, sind denn hier Überflieger unter uns, die zwar keine 
praktischen Ratschläge geben, aber dafür umso besser beurteilen können, 
dass die Aufgabe den Fragenden überfordert?
Oder Bedenken, dass der Thread zu lang werden könnte, meine Güte, 
niemand ist gezwungen, das alles zu lesen.
Diese Art ist eine absolute Dreistigkeit, niemand wird geboren und hat 
schon die Weisheit mit den Löffeln gefressen, jedes Quentchen, was einer 
weiss, hat er sich erarbeitet, durch Versuche, Überlegung oder eben 
sonst wie.
Fragen und Weitermachen gehört auch dazu, das ist Bestandteil des 
Lernens.
Ich ziehe den Hut vor all denen, die sich nicht bremsen lassen vor 
diesen Halbgöttern, die allenfalls mitleidige Bekundungen loswerden.
Jungs, macht immer schön weiter, auch die Überflieger haben mal in die 
Windeln gemacht und waren oder sind noch immer keinen Deut besser als 
ihr.
Grüssens, harry

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Die Weisheit mit Löffeln gefressen? Nee, da war harte Arbeit! Ich bin 
nicht der Schlaueste!

Das war keine Beleidigung, sondern einfach praktisches Vorgehen. Wenn 
jemand sich mehr mit Software beschäftigen will, warum nicht??

Genausowenig interessiert mich das doppelte Dereferenzieren eines 
Handles, wenn ich es nicht mehr wieder brauchen werde, weil ich eh 
lieber mit CMOS-Gattern spiele.

Zu Ultraschall gab es mehr als genug Threads! Auch mehr als genug von 
mir dort geschriebenes!


Mach mir doch einfach mal einen Vorschlag, wie du es ausdrücken würdest! 
Ich bin damit überfordert.


Was Elektronik angeht, bin ich sicherlich ein 'Überflieger'. Wenn man 
sich 30+ Jahre damit beschäftigt hat, teils rund um die Uhr, dann bleibt 
natürlich was hängen. Ob das eine gute Lebenseinstellung ist, naja, ich 
glaube eher nicht. Aber so wars eben.
Und wenn ich ein totales asoziales Schwein wäre, würde ich hier nicht 
sehr oft Tipps geben. Wenn man älter wird, sollte man seinen 
Erfahrungssschatz an die Nachrückenden weiterreichen. Man kann es 
nämlich nicht mitnehmen! Das ist der einzige Weg seit Menschgedenken, 
etwas zu hinterlassen. Naja, andere haben es mit Trümmerlandschaften 
versucht. Geht natürlich auch.
Das so nebenbei.

Autor: hubert (Gast)
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Um auf das Thema "maximale Brüllung" zurückzukommen: Die größte 
Lautstärke wirst Du wahrscheinlich erreichen, wenn Du an den 
Piezowandler einen akustischen Resonator ankoppelst. Gut geeignet und in 
der Praxis auch immer wieder gern genommen ist der Helmholtz-Resonator. 
Dies ist im Prinzip ein geschlossener Luftraum mit einem definierten 
Loch oder einer definierten Röhre zum umliegenden Luftraum. Eine häufige 
Anwendung ist die Bassreflex-Lautsprecherbox.

In der Praxis nimmt man bei Piezo-Sigalgebern meist eine runde Dose im 
Durchmesser der Piezo-Scheibe und hat auf der Mitte der anderen Seite 
ein rundes Loch drin. Eine Erklärung und auch die Möglichkeit der 
Berechnung findest Du hier: 
http://www.phys.unsw.edu.au/jw/Helmholtz.html (zwar in Englisch, aber 
gut verständlich.) Am Beispiel der Gitarre wird auch erklärt, was zu 
beachten ist wenn die Austrittsöffnung keine Röhre sondern eine runde 
Öffnung in einer flachen Fläche ist. Und da zwischen Theorie und Praxis 
meist leider doch ein gewisser Unterschied ist solltest Du mit 
verschiedenen, leicht abweichenden Dimensionierungen experimentieren.

Autor: ArnoR (Gast)
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> Die größte
> Lautstärke wirst Du wahrscheinlich erreichen, wenn Du an den
> Piezowandler einen akustischen Resonator ankoppelst. Gut geeignet und in
> der Praxis auch immer wieder gern genommen ist der Helmholtz-Resonator.

Der Resonator hat doch nichts mit der abgestrahlten Leistung zu tun. Was 
er tun muss, ist, den Strahlungswiderstand des Wandlers zu erhöhen. Das 
geht sehr gut mit einem Horn. Da kann man extrem viel Pegel rausholen. 
Man muss sich nur mal Exponentialhörner anschauen. Ohne sichtbare 
Membranauslenkung fallen einem die Ohren ab.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Naja, eigentlich hat er ja aufgrund seiner Angaben zur Stromversorgung 
ein sauberes Pflichtenheft beschrieben. Da bleibts beim kleinen 
Scheibchen. Bei kleiner Bandbreite kann man das Horn zu einem Trichter 
reduzieren. So wie es die 40KHz US-Kapseln machen. Ich kann davon ein 
Bild reinstellen. Aber einfach wird das nicht. Man wird experimentieren 
müssen.
Vielleicht mit Helmholtz kombinierbar.

Einfacher ist aber sicher eine fertige 'Sirene'.

Autor: hubert (Gast)
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ArnoR schrieb:
> Der Resonator hat doch nichts mit der abgestrahlten Leistung zu tun. Was
> er tun muss, ist, den Strahlungswiderstand des Wandlers zu erhöhen.

Gestatte, daß ich da anderer Ansicht bin. Bei einer einzelnen Frequenz 
lässt sich die beste Energieübertragung von der Membran auf den Luftraum 
durch Resonanz erzielen. Bei breitbandiger Übertragung wie bei einem 
Lautsprecher natürlich nicht, das gebe ich zu, da außerhalb der 
Resonanzfrequenz kaum noch eine Wirkung stattfindet. Das ist 
vergleichbar mit einer Sendeantenne, die auch ein schwingfähiges Gebilde 
mit Frequenzmaximum auf der Sendefrequenz darstellt.

Im übrigen verwenden auch die meisten kommerziellen Piezo-Piepser dieses 
Prinzip. Beispiele sind hier: 
http://de.rs-online.com/web/search/searchBrowseAct... 
zu finden.

Autor: ArnoR (Gast)
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Resonanz vergrößert nur die Schwingungsamplitude der Membran. Bei 
unveränderten Verhältnissen wird natürlich auch mehr Leisung 
abgestrahlt. Richtige optimale Leistungsabstrahlung (Wirkungsgrad) 
braucht großen Strahlungswiderstand.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Ja eben. Der Trichter ist ein akustischer Trafo.

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