-
Ein piezoelektrischer Summer ist ein Lautsprecher, der den piezoelektrischen Effekt verwendet, um einen Ton zu erzeugen. Seine leichte, einfache Konstruktion und der niedrige Preis machen ihn in vielen Anwendungen, wie Haushaltsgeräte, Mietfahrräder und Alarmgeräte, nutzbar. Ein typischer piezoelektrischer Summer besteht aus piezoelektrischer Keramik, die auf einer Metallplatte aufgeklebt wird. Die Platte wird normalerweise in ein Kunststoffgehäuse gelegt, um den Schalldruck zu verbessern.
-
Piezoelektrische Keramik ist ein Material, das den piezoelektrischen Effekt nutzt. Durch das Anwenden eines oszillierenden elektrischen Feldes dehnt sich das Keramikmaterial aus oder schrumpft. Die Verformung des Keramikmaterials bewirkt, dass sich eine Metallplatte, auf der die piezoelektrische Keramik aufgeklebt ist, in zwei Richtungen biegt und Schallwellen in der Luft erzeugt.
-
Ein piezoelektrischer Summer hat den höchsten Schalldruck, wenn er mit einer Frequenz betrieben wird, die seiner Resonanzfrequenz entspricht. Daher wird er normalerweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen Lautstärke und hohe Tonhöhenanforderungen wichtiger sind als eine Klangqualität. Bei einem Mietfahrrad wird im Smart Lock ein piezoelektrischer Summer verwendet, um z.B. den Sperrzustand trotz Bedingungen wie einer lauten Straße deutlich anzuzeigen. In gleicher Weise kann ein solcher Summer als Alarmgerät oder in einem Haushaltsgerät zum Kenntlichmachen z.B. eines Zeitablaufs oder einer offenstehenden Tür Anwendung finden.
-
In einem piezoelektrischen Summer hängt der Schalldruck hauptsächlich von der Spannungsamplitude ab, wenn er bei einer Resonanzfrequenz betrieben wird. Je höher die Betriebsspannung, desto höher der Schalldruck. Hierbei sind Spannungen bis zu 100V erforderlich, um bei derzeit üblichen Anwendungen den höchsten Schalldruck zu erzeugen. Aber die Spannung einer Batterie in einem Smart Lock eines Mietfahrrads oder eines Alarmgeräts ist normalerweise die Spannung von wenigen in Serie geschalteten Ein-Zellen-Lithium-Ionen-Akkus oder von Alkalibatterien. Die Batteriespannung ist dabei meist nicht höher als 4,2 V, in einem Kraftfahrzeug kann sie bei 12 bis 14 V liegen, viel niedriger als der tatsächliche Spannungsbedarf.
-
Daher ist eine Aufwärtswandlerschaltung erforderlich, um die Spannung umzuwandeln. Darüber hinaus sollte die Aufwärtswandlerschaltung einen kleinen Abschaltstrom haben, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Ein piezoelektrischer Summer ist die meiste Zeit ausgeschaltet und schaltet sich nur bei Bedarf ein oder wird nur bei Bedarf eingeschaltet.
-
In dem Artikel https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/posts/drive-a-piezoelectric-buzzer-with-a-s imple-boost-converter wird eine Treiberschaltung für einen piezoelektrischen Summer mit einem Aufwärtswandler zur Erzeugung der hohen Spannung für die piezoelektrische Keramik beschrieben, wobei ein integrierter Baustein zu Regelung des Aufwärtswandler benutzt wird. Dies führt jedoch zu einer höheren Komplexität und damit zu höheren Kosten.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Kosten und die Komplexität einer Treiberschaltung für einen piezoelektrischen Summer zu reduzieren, wobei die Betriebsspannung mit einer Folge von Rechteckpulsen gebildet sein soll.
-
Die Aufgabe wird durch eine Treiberschaltung für einen piezoelektrischen Summer gelöst, die mit einem Aufwärts-Spannungswandler mit einem ersten Schaltelement gebildet ist, wobei der Aufwärts-Spannungswandler keine Rückkopplungsschleife aufweist, zur Erzeugung einer ausreichend hohen Spannung für den piezoelektrischen Summer und mit einem Antriebskreis mit einem zweiten Schaltelement zur Versorgung des piezoelektrischen Summers gebildet ist, wobei der Antriebskreis parallel zu einem ersten Kondensator des Aufwärts-Spannungswandlers geschaltet ist. Durch diese einfache Schaltung, bei der auf eine aufwändige Regelung des Spannungswandlers verzichtet wird, kann ein integrierter Ansteuerschaltkreis eingespart werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Steuereingänge des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements parallelgeschaltet, so dass die beiden Schaltelemente synchron ein- und ausgeschaltet werden können. Dies ermöglicht eine vereinfachte Ansteuerung der Treiberschaltung.
-
In einer Ausbildung der Treiberschaltung ist der Aufwärts-Spannungswandler mit einer Serienschaltung aus einer Spule, einem ersten Widerstand und dem ersten Schaltelement gebildet, wobei dem ersten Schaltelement eine Serienschaltung aus einer in Sperrrichtung gepolten ersten Diode und einem ersten Kondensator parallelgeschaltet ist.
-
In einer weiteren Ausbildung der Treiberschaltung ist der Antriebskreis mit einer Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand, einem dritten Widerstand sowie dem zweiten Schaltelement gebildet, wobei der Verbindungspunkt des zweiten Widerstands mit dem dritten Widerstand einen ersten Anschlusspunkt für den piezoelektrischen Summer und der Verbindungspunkt des zweiten Schaltelements mit dem ersten Kondensator einen zweiten Anschlusspunkt für den piezoelektrischen Summer bilden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Serienschaltung aus dem dritten Widerstand und dem zweiten Schaltelement eine Zenerdiode parallelgeschaltet.
-
Hierdurch kann die Spannung am piezoelektrischen Summer auf einen durch die Zenerdiode definierten Maximalwert begrenzt werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Treiberschaltung ist zwischen dem Verbindungspunkt des zweiten Widerstandsmit dem dritten Widerstand und dem ersten Anschlusspunkt für den piezoelektrischen Summer ein zweiter Kondensator angeordnet.
-
Hierdurch kann eine für den piezoelektrischen Summer schädliche Gleichspannungsanteil in der Ansteuerspannung herausgefiltert werden.
-
In einer Ausbildung der Treiberschaltung sind die Schaltelemente mit Feldeffekttransistoren gebildet.
-
In einer alternativen Ausbildung der Treiberschaltung sind die Schaltelemente mit Bipolartransistoren gebildet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- 1 eine erste Ausführung einer Treiberschaltung für einen piezoelektrischen Summer und
- 2 eine zweite Ausführung einer Treiberschaltung für einen piezoelektrischen Summer
-
Eine erste Ausführung einer Treiberschaltung für einen piezoelektrischen Summer ist in 1 dargestellt. Diese wird aus einer Niederspannungsquelle mit einer Eingangsspannung VIN für die Treiberschaltung gespeist. Die Treiberschaltung ist mit einem Aufwärts-Spannungswandler mit einem ersten Schaltelement ohne Rückkopplungsschleife zur Erzeugung einer ausreichend hohen Spannung gebildet, dem ein Antriebskreis mit einem zweiten Schaltelement zur Versorgung der piezoelektrischen Keramik nachgeschaltet ist. Dabei sind die Steuereingänge des ersten Schaltelements und des zweiten Schaltelements parallelgeschaltet, so dass die Schaltelemente synchron ein- und ausgeschaltet werden.
-
Der Aufwärts-Spannungswandler ist dabei in bekannter Weise mit einer Serienschaltung aus einer Spule L1, einem ersten Widerstand R1 und einem ersten Schaltelement T1 gebildet, das im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Feldeffekttransistor, insbesondere einem n-Kanal MOSFET, gebildet ist. Dem ersten Schaltelement T1 ist die Serienschaltung aus einer in Sperrrichtung gepolten ersten Diode D1 und einem ersten Kondensator C1 parallelgeschaltet.
-
Der Antriebskreis ist im Wesentlichen aus der Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand R2, einem dritten Widerstand R3 sowie einem zweiten Schaltelement T2 gebildet. Dabei ist dann ein piezoelektrisches Element PB der Serienschaltung aus dem dritten Widerstand R3 und dem zweiten Schaltelement T2 parallelgeschaltet.
-
In einer vorteilhaften Ausbildung, wie sie in der 1 dargestellt ist, ist dem piezoelektrisches Element PB ein zweiter Kondensator in Reihe geschaltet und dieser Serienschaltung ist eine Zenerdiode DZ1 parallelgeschaltet.
-
Der Verbindungspunkt des ersten Schaltelements T1, des zweiten Schaltelements T2 und der Zenerdiode DZ1 bilden einen Bezugspunkt und einen zweiten Anschlusspunkt für den piezoelektrischen Summer PB. Ein erster Anschlusspunkt für den piezoelektrischen Summer PB wird durch den Verbindungspunkt des zweiten Widerstands R2 mit dem dritten Widerstand R3 gebildet.
-
Die Steuereingänge des ersten und des zweiten Schaltelements T1, T2 sind miteinander und mit einer Quelle für ein gepulstes Steuersignal Fz verbunden.
-
Das heißt, dass das Steuersignal Fz für den Wandler das gleiche ist wie für den Antriebskreis, und damit für den Summer.
-
Der zweite Widerstand R2 zusammen mit der Zenerdiode DZ1 begrenzen die Spannung auf einen Maximalwert, der für das piezoelektrische Element PB zulässig ist. Der erste Widerstand R1 begrenzt den Strom durch die Spule L1, um die über die erste Diode D1 zum ersten Kondensator C1 freigesetzte Energie zu begrenzen. Der dritte Widerstand R3 begrenzt den Entladungsstrom des piezoelektrischen Elements PB durch das zweite Schaltelement T2.
-
Eines der Hauptziele der bevorzugten Ausführungsformen ist es, den Stromverbrauch so gering wie möglich zu halten.
-
Ein Gleichspannungsanteil im Signal für das piezoelektrische Element PB soll vermieden werden, so dass der zweite Kondensator C2 als Entkopplungskondensator in Reihe mit dem piezoelektrischen Element PB geschaltet wird.
-
Eine weitere Ausführungsform ist in der 2 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die beiden Schaltelemente T1 und T2 mit Bipolartransistoren gebildet, wobei den Basisanschlüssen der beiden Bipolartransistoren ein vierter Widerstand R4 bzw. ein fünfter Widerstand R5 zur Strombegrenzung vorgeschaltet ist.
