Buzzer-Grundlagen – Technologien, Töne und Treiberschaltkreise

16. Oktober 2018 verfasst von Bruce Rose

Buzzer-Grundlagen – Technologien, Töne und Treiberschaltkreise

Es gibt viele Möglichkeiten, Informationen zwischen einem Produkt und dem Benutzer zu kommunizieren. Eine der häufigsten Optionen für die Audiokommunikation ist ein Buzzer. Das Verständnis einiger der Technologien und Konfigurationen von Buzzern ist während des Designprozesses hilfreich. In diesem Blogbeitrag beschreiben wir daher typische Konfigurationen, stellen Beispiel-Buzzertöne vor und zeigen allgemeine Treiberschaltkreisoptionen.

Magnet- und Piezobuzzer

Die zwei gebräuchlichsten Technologien, die in Buzzer-Designs verwendet werden, sind magnetisch und piezoelektrisch. Viele Anwendungen verwenden entweder einen Magnet- oder Piezobuzzer, doch die Entscheidung, welche der beiden Technologien zu verwenden ist, basiert auf vielen verschiedenen Einschränkungen. Magnetbuzzer arbeiten bei niedrigeren Spannungen und höheren Strömen (1,5 ~ 12 V, > 20 mA) im Vergleich zu Piezobuzzern (12 ~ 220 V, < 20 mA), während Piezobuzzer oft über einen größeren Schalldruckpegel (SPL) verfügen als Magnetbuzzer. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der größere SPL, der von Piezobuzzern verfügbar ist, größere Footprints erfordert.

In einem magnetischen Buzzer wird ein Strom durch eine Drahtspule getrieben, die ein magnetisches Feld erzeugt. Eine flexible ferromagnetische Scheibe wird von der Spule angezogen, wenn Strom vorhanden ist, und kehrt in eine „Ruhe“-Position zurück, wenn kein Strom durch die Spule fließt. Der Ton eines Magnetbuzzers wird durch die Bewegung der ferromagnetischen Scheibe in ähnlicher Weise erzeugt, wie der Konus in einem Lautsprecher Schall erzeugt. Ein Magnetbuzzer ist eine strombetriebene Vorrichtung, doch die Stromquelle ist gewöhnlich eine Spannung. Der durch die Spule fließende Strom wird durch die angelegte Spannung und die Impedanz der Spule bestimmt.

Zeichnung des inneren Aufbaus eines typischen Magnetbuzzers
Konstruktion eines typischen Magnetbuzzers

Piezobuzzer werden in ähnlichen Anwendungen wie Magnetbuzzer verwendet. Bei der Konstruktion von Piezobuzzern werden elektrische Kontakte auf den zwei Seiten einer Scheibe aus piezoelektrischem Material angeordnet. Dann wird die Scheibe an den Kanten in einem Gehäuse gehalten. Sobald eine Spannung an die zwei Elektroden angelegt wird, kommt es beim piezoelektrischen Material aufgrund der angelegten Spannung zu einer mechanischen Verformung. Diese Bewegung der Piezoscheibe im Buzzer erzeugt Schall auf ähnliche Weise, wie die Bewegung der ferromagnetischen Scheibe in einem Magnetsummer oder in dem oben erwähnten Lautsprecherkonus.

Zeichnung des inneren Aufbaus eines typischen Piezobuzzers
Konstruktion eines typischen Piezobuzzers

Ein Piezobuzzer unterscheidet sich von einem Magnetbuzzer dadurch, dass er durch eine Spannung und nicht durch Strom angetrieben wird. Ein Piezobuzzer ist wie ein Kondensator gestaltet, während ein Magnetbuzzer als eine Spule in Reihe mit einem Widerstand gestaltet ist. Die Frequenz des von Magnet- und Piezobuzzern erzeugten Schalls kann über einen weiten Bereich durch die Frequenz des Signals, das den Buzzer antreibt, gesteuert werden. Ein Piezobuzzer weist eine einigermaßen lineare Beziehung zwischen der Eingangs-Treibersignalstärke und der Ausgangs-Audio-Leistung auf, während der Audio-Ausgang eines Magnetbuzzers mit einem abnehmenden Eingangs-Treibersignal schnell abnimmt.

Diagramm, das die Beziehung zwischen Antriebssignal und Audioausgang in Piezo- und Magnetbuzzern zeigt
Diagramm, das die Beziehung zwischen Antriebssignal und Audioausgang in Piezo- und Magnetbuzzern zeigt

Wandler und Melder

Es folgen einige Beispiele für die Töne, die Buzzer erzeugen können. Der Dauerton und die Langsam-/Schnellimpulstöne können entweder durch einen Melder oder Wandler erzeugt werden.

Die Hoch-/Tiefton-, Sirenen- und Gongtöne können aufgrund der vielen Frequenzen des Signals nur durch einen Wandler und die zugehörige Unterstützungsschaltung erzeugt werden.

Anwendungsschaltung für Magnet- oder Piezomelder

Zeichnung einer Anwendungsschaltung für Magnet- oder Piezomelder

Ein Melder benötigt nur eine Gleichspannung zum Betrieb und ein Ton wird erzeugt, sobald die Spannung anliegt.

Anwendungsschaltung für den magnetischen Wandler

Zeichnung einer Anwendungsschaltung für den magnetischen Wandler

Ein magnetischer Wandler erfordert eine Erregungswellenform, um den Buzzer zu betreiben. Für die Erregungswellenform können beliebige Wellenformen und eine große Bandbreite von Frequenzen verwendet werden. Der Schalter in dem Schaltplan wird verwendet, um die Erregungswellenform zu verstärken, und ist typischerweise entweder ein BJT oder ein FET. Die Diode wird benötigt, um die Rücklaufspannung zu klemmen, die erzeugt wird, wenn der Schalter (Transistor) schnell abgeschaltet wird.

Anwendungsschaltung für Piezowandler

Zeichnung einer Anwendungsschaltung für Piezowandler

Ein Piezowandler kann mit einer Schaltung ähnlich einem Magnetwandler betrieben werden. Die Diode über dem Piezowandler ist nicht erforderlich, da die Induktivität eines Piezowandlers klein ist. Doch ein Widerstand ist erforderlich, um die Spannung zurückzusetzen, wenn der Schalter offen ist. Diese Schaltung wird normalerweise nicht zum Ansteuern eines Piezowandlers verwendet, da der Widerstand für einen Leistungsverlust sorgt. Andere Schaltungen können verwendet werden, um den Schallpegel eines Piezowandlers zu erhöhen, indem die an den Wandler angelegte Spitze-zu-Spitze-Spannung erhöht wird.

Vollbrückenschaltung für Piezowandler

Zeichnung einer Vollbrückenschaltung für Piezowandler

Eine Vollbrückenschaltung wird oft zum Ansteuern von Piezowandlern verwendet. Der Vorteil der Verwendung der aus vier Schaltern bestehenden Vollbrücke ist, dass die über den Wandler angelegte Spitze-zu-Spitze-Spannung doppelt so groß wie die verfügbare Versorgungsspannung ist. Die Verwendung eines Vollbrückentreibers führt aufgrund der Verdoppelung der an den Wandler angelegten Spannung zu einer Erhöhung der Lautstärke um etwa 6 dB.

Fazit

Buzzer sind ein einfaches und kostengünstiges Mittel zur Kommunikation zwischen elektronischen Produkten und dem Benutzer. Piezo- und Magnetbuzzer werden in ähnlichen Anwendungen verwendet, mit dem Hauptunterschied, dass Magnetbuzzer mit niedrigeren Spannungen und höheren Strömen als ihre Piezobuzzer-Gegenstücke arbeiten, während Piezobuzzer dem Benutzer höhere SPLs mit generell größeren Footprints bieten. Buzzer, die als Melder konfiguriert sind, benötigen zum Betrieb nur eine Gleichspannung, sind jedoch auf eine einzige Audiofrequenz des Betriebs beschränkt, während Wandler eine externe Schaltung erfordern, aber einen breiteren Bereich von Audiofrequenzen bereitstellen.

Hilfreiche Ressourcen

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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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