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Techniques de conception pour augmenter la sortie audio d'un buzzer à transducteur piézoélectrique

Par Ryan Smoot, Technical Support Engineer, CUI Devices

Utilisés dans de nombreuses applications et industries comme méthode d'alerte ou d'identification sonore, les buzzers à transducteurs piézoélectriques peuvent générer des tonalités et des sons différents en fonction des besoins spécifiques d'une application. L'amplitude du son produit par un buzzer à transducteur piézoélectrique dépend à la fois du buzzer spécifique sélectionné et du signal utilisé pour commander le buzzer. Les buzzers à transducteurs nécessitent un circuit d'attaque externe pour produire une tonalité ou un son, c'est pourquoi il existe plusieurs méthodes permettant de modifier la sortie audio d'un buzzer piézoélectrique en fonction de la conception du circuit d'attaque externe. Même si les transducteurs piézoélectriques sont en pratique simples, cet article vise à expliquer leurs principes de fonctionnement ainsi que les avantages et les limites des techniques de conception courantes permettant d'augmenter la sortie audio d'un transducteur.

Principes de fonctionnement d'un transducteur piézoélectrique

La présentation technique de CUI Devices qui porte sur les notions de base relatives aux buzzers donne un aperçu approfondi des transducteurs piézoélectriques, mais voici un petit rappel de la technologie. Un dispositif piézoélectrique se compose d'un matériau qui se déforme physiquement lorsqu'une tension est appliquée au dispositif. Le degré de déformation et le volume de bruit causé par la déformation dépendent de la tension appliquée au niveau du matériau piézoélectrique. Comme mentionné précédemment, un buzzer à transducteur nécessite un signal d'excitation externe pour fonctionner. À l'inverse, les buzzers à indicateurs ne nécessitent qu'une tension d'alimentation pour fonctionner, car ils possèdent un oscillateur interne. Cela peut faciliter la conception des indicateurs, mais également limiter les types de tonalités et de sons produits par rapport à un transducteur.

Circuit d'attaque simple

Le schéma de circuit ci-dessous (Figure 1) montre l'un des circuits d'attaque les plus simples pour un buzzer à transducteur piézoélectrique. Il est composé d'un commutateur électronique (comme un transistor FET ou BJT) et d'une résistance de réinitialisation. Ce circuit peut constituer un choix judicieux pour les conceptions plus basiques, car il ne requiert que quelques composants peu coûteux. Mais malgré sa simplicité, cette conception présente des inconvénients : la résistance de réinitialisation dissipe la puissance, et la tension appliquée au buzzer est limitée à la tension d'alimentation (+V). Notez que le buzzer et le circuit fonctionnent de la même manière, que la borne du buzzer soit connectée à l'alimentation +V (comme sur la Figure 1) ou à la terre.

Schéma d'un circuit d'attaque composé d'un commutateur électronique et d'une résistance de réinitialisationFigure 1 : Circuit d'attaque composé d'un commutateur électronique et d'une résistance de réinitialisation. (Source de l'image : CUI Devices)

Circuit d'attaque avec tampons

Un ingénieur peut réduire la perte de puissance de la résistance de réinitialisation du circuit d'attaque précédent en ajoutant deux transistors tampons (Figure 2). Ces deux transistors tampons permettent l'utilisation d'une résistance de réinitialisation à impédance plus élevée, mais avec une tension réduite appliquée au buzzer (environ deux chutes de tension de diode, soit environ 1,2 V). Comme dans la Figure 1, ce buzzer et ce circuit avec les tampons ajoutés fonctionnent de la même manière, que la borne du buzzer soit connectée à l'alimentation +V ou à la terre.

Schéma d'un circuit d'attaque avec deux tampons ajoutésFigure 2 : Circuit d'attaque avec deux tampons ajoutés. (Source de l'image : CUI Devices)

Pour répondre au problème de tension réduite, un ingénieur peut tout simplement inverser les positions des tampons BJT utilisés ci-dessus. Ce circuit peut également être construit avec des FET au lieu des BJT comme composants tampons. Les deux configurations de tampons sont présentées à la Figure 3.

Schéma de la position des tampons BJT inversés (à gauche) ou des tampons FET à la place des BJT (à droite)Figure 3 : Position des tampons BJT inversés (à gauche) ou des tampons FET à la place des BJT (à droite). (Source de l'image : CUI Devices)

Circuits d'attaque en demi-pont et en pont complet

Bien qu'il soit possible de modifier les configurations des tampons comme indiqué ci-dessus (Figure 3), cela complexifie les circuits d'attaque des tampons et cette situation doit être évitée lors de la conception avec des composants discrets. Cette forme de circuit d'attaque avec des tampons push-pull est communément appelée circuit d'attaque « en demi-pont ». Un buzzer peut être connecté entre les sorties de deux circuits d'attaque en demi-pont et lorsque ces deux circuits d'attaque en demi-pont sont déphasés, on parle de circuit d'attaque « en pont complet ». Les circuits d'attaque en demi-pont et en pont complet sont souvent utilisés pour commander les moteurs électriques et sont disponibles sous forme de circuits intégrés économiques. Les circuits d'attaque en pont complet offrent également l'avantage de fournir deux fois la tension au buzzer en tant que circuit d'attaque de base ou en demi-pont, ce qui permet d'obtenir une sortie sonore plus forte en utilisant la même tension d'alimentation que les autres solutions.

Schéma d'un circuit d'attaque en pont completFigure 4 : Circuit d'attaque en pont complet. (Source de l'image : CUI Devices)

Circuit d'attaque résonant

En raison de la capacité parasite présente dans les buzzers à transducteurs, les ingénieurs disposent d'une autre option pour commander un transducteur piézoélectrique : utiliser une inductance discrète pour former un circuit résonant. Les circuits résonants stockent et transfèrent l'énergie alternativement entre deux éléments. Les deux éléments dans cette application sont le condensateur parasite et l'inductance. La Figure 5 montre ce type d'implémentation d'un circuit d'attaque résonant pour un buzzer à transducteur piézoélectrique.

Les circuits d'attaque résonants offrent plusieurs avantages, notamment une construction simple et la possibilité d'atteindre un haut rendement électrique. La tension développée dans le buzzer piézoélectrique peut également être bien plus élevée que la tension d'alimentation. Cependant, le circuit d'attaque résonant peut être ralenti par sa dépendance à la capacité parasite du transducteur piézoélectrique, qui n'est pas toujours bien caractérisée ou contrôlée au cours du processus de fabrication. En outre, les circuits d'attaque résonants des transducteurs piézoélectriques ne fonctionnent bien qu'à une fréquence spécifique, ce qui les rend moins adaptés aux applications nécessitant des tonalités à plusieurs fréquences. De plus, la fréquence de fonctionnement sélectionnée a une influence sur l'inductance, qui peut être physiquement grande et lourde par rapport à d'autres composants du circuit. La modélisation du fonctionnement du circuit résonant peut également être difficile et impliquer la finalisation du circuit en laboratoire plutôt qu'avec un ordinateur de conception.

Schéma d'un circuit d'attaque résonantFigure 5 : Exemple d'un circuit d'attaque résonant. (Source de l'image : CUI Devices)

Conclusion

Lors de la conception d'un circuit d'attaque pour un buzzer à transducteur piézoélectrique, plusieurs options s'offrent aux ingénieurs. Des composants discrets simples aux conceptions de circuits plus complexes, chaque circuit d'attaque présente ses propres avantages et inconvénients pour obtenir la sortie sonore souhaitée pour une application. Une fois les paramètres de performances clés déterminés, CUI Devices simplifie le processus de sélection en proposant une gamme de buzzers piézoélectriques et magnétiques, disponible pour répondre aux exigences des conceptions.

Avertissement : les opinions, convictions et points de vue exprimés par les divers auteurs et/ou participants au forum sur ce site Web ne reflètent pas nécessairement ceux de Digi-Key Electronics ni les politiques officielles de la société.

À propos de l'auteur

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.