Nel corso della progettazione di un dispositivo come ad esempio, un elettrodomestico, un pannello di sicurezza, un impianto citofonico o una periferica per computer, potrebbe essere prevista la presenza di un buzzer (cicalino o avvisatore sonoro) come solo mezzo di interazione con gli utenti o come parte di una interfaccia utente più sofisticata. In entrambi i casi, il buzzer può rappresentare un mezzo semplice ed economico per riconoscere un comando, indicare lo stato di un’apparecchiatura o di un processo, sollecitare l’interazione o far scattare un allarme.
Fondamentalmente un buzzer può essere di tipo magnetico o piezoelettrico. La scelta può dipendere dalle caratteristiche del segnale di pilotaggio, oppure dalla potenza audio in uscita richiesta o ancora dallo spazio fisico disponibile. E’ anche possibile scegliere la configurazione – indicatore o trasduttore – in funzione del suono che si desidera ottenere e delle capacità del progettista.
Qui di seguito verranno esaminati i principi alla base dei differenti meccanismi e i criteri da adottare nella scelta sia della tipologia – magnetico o piezoelettrico – sia della configurazione – indicatore o azionamento – del buzzer più adatto per la particolare applicazione considerata.
Buzzer magnetici
I buzzer magnetici sono essenzialmente dispositivi pilotati in corrente che richiedono per il loro funzionamento una corrente di valore superiore a 20 mA. La tensione applicata può essere compresa tra 1,5 e 12 V. Come riportato in figura 1, il meccanismo prevede una bobina e un disco ferromagnetico flessibile. Quando la corrente viene fatta passare attraverso la bobina, il disco è attratto verso la bobina e ritorna nella sua posizione normale quando cessa il flusso di corrente. Questa deflessione del disco provoca lo spostamento dell’aria nelle vicinanze, che viene interpretato come un suono dall’orecchio umano. L’intensità della corrente che passa attraverso la bobina è determinata dalla tensione applicata e dall’impedenza della bobina.
Fig. 1 – Realizzazione di un buzzer magnetico e principio di funzionamento
Buzzer piezoelettrici
Nella figura 2 sono riportati gli elementi che costituiscono un buzzer piezoelettrico. Un disco di materiale piezoelettrico è appoggiato sui bordi all’interno di una custodia e sui due lati del disco sono realizzati i contatti elettrici. Una tensione applicata ai capi di questi elettrodi provoca la deformazione del materiale piezoelettrico, che dà luogo a un movimento dell’aria che può essere percepito sotto forma di suono. Al contrario dei buzzer magnetici, quelli piezoelettrici sono dispositivi pilotati in tensione. La tensione operativa è solitamente superiore e può variare in un intervallo compreso tra 12 e 220 V, mentre la corrente è inferiore a 20 mA. Mentre i buzzer piezoelettrici sono modellati come condensatori, quelli magnetici sono modellati come una bobina in serie con un resistore.
Fig. 2 – Schema di realizzazione di un buzzer piezoelettrico
Per entrambe le tipologie di buzzer, la frequenza del tono udibile è determinato dalla frequenza del segnale di pilotaggio e può essere controllata in un intervallo molto ampio. D’altro canto, mentre i buzzer di tipo piezoelettrico sono caratterizzati da una relazione abbastanza lineare tra l’intensità del segnale di ingresso e la potenza sonora di uscita, la potenza sonora dei buzzer magnetici cala bruscamente al diminuire dell’intensità del segnale.
Le caratteristiche del segnale di pilotaggio disponibile possono influenzare il tipo di buzzer da utilizzare per la particolare applicazione considerata. In ogni caso, se il volume (loudness) è un requisito chiave, è utile tener presente che i buzzer di tipo piezoelettrico sono solitamente in grado di produrre un livello di pressione sonora (SPL – Sound Pression Level) maggiore rispetto ai buzzer magnetici, anche se tendenzialmente hanno ingombri superiori.
Indicatore o trasduttore
La scelta tra l’utilizzo di una configurazione come indicatore o come trasduttore è determinata dall’intervallo di suoni richiesti e dal progetto del circuito necessario per pilotare e controllare il buzzer.
In un indicatore il circuito di pilotaggio è integrato nel dispositivo. Come visibile in figura 3, il progetto del circuito è più semplice in quanto è possibile utilizzare un approccio di tipo “plug & play”, anche se a scapito di una minore flessibilità. La sola operazione da compiere è l’applicazione di una tensione continua (dc), anche se è possibile ottenere solamente un segnale audio continuo o impulsivo poiché la frequenza è fissata internamente. Con i buzzer configurati come indicatori non è possibile ottenere suoni multi-frequenza come appunto sirene o rintocchi.
Un trasduttore, per contro, non dispone di un circuito di pilotaggio e permette di ottenere una varietà di suoni utilizzando diverse frequenze o forme d’onda arbitrarie. Oltre ai suoni base, continuo o impulsato, è possibile generare suoni come allarmi multi-tono, sirene o rintocchi. Il circuito applicativo relativo a un trasduttore magnetico è riportato in figura 4. Il commutatore è solitamente un transistor bipolare o FET e viene usato per amplificare la forma d’onda d’eccitazione. A causa dell’induttanza della bobina, il diodo riportato nello schema di figura 4 è necessario per agganciare la tensione di flyback quando il transistor viene disattivato rapidamente.
Fig. 3 – Un buzzer configurato come indicatore produce un suono quando viene applicata una tensione continua (dc)
Fig. 4 – Un trasduttore magnetico richiede un segnale di eccitazione, un transistor amplificatore e un diodo per gestire la tensione di flyback indotta
E’ possibile utilizzare un circuito di eccitazione del tutto simile con un trasduttore piezoelettrico. Poiché un trasduttore piezoelettrico è caratterizzato da una bassa induttanza, non è richiesta la presenza di un diodo. In ogni caso nel circuito bisogna prevedere un mezzo per resettare la tensione quando il commutatore è aperto: per questo motivo è possibile aggiungere un resistore al posto del diodo, anche se una soluzione di questo tipo comporta inevitabilmente un aumento della dissipazione di potenza.
Aumentando il valore della tensione picco-picco ai capi del trasduttore è possibile incrementare il livello sonoro. Nel caso si ricorra a un circuito a ponte intero (full bridge), come riportato in figura 5, la tensione applicata è due volte superiore rispetto al valore della tensione di alimentazione disponibile, il che comporta un aumento di circa 6 dB della potenza sonora in uscita.
Fig. 5 – L’utilizzo di un circuito a ponte permette di raddoppiare la tensione applicata al trasduttore piezoelettrico, rendendo disponibile una potenza sonora maggiore in misura pari a circa 6 dB
Considerazioni conclusive
I buzzer sono dispositivi semplici ed economici, disponibili in quattro categorie base: magnetici o piezoelettrici, indicatori o trasduttori. I buzzer magnetici possono operare a partire da tensioni inferiori ma richiedono correnti di pilotaggio più elevate rispetto ai buzzer piezoelettrici. I buzzer piezoelettrici possono produrre un SPL più elevato ma tendono ad avere ingombri maggiori. Per far funzionare un buzzer di tipo indicatore è sufficiente una tensione continua, mentre un trasduttore è in grado di produrre suoni più sofisticati a patto di aggiungere il circuito esterno necessario. CUI Devices è in grado di offrire un’ampia gamma di buzzer magnetici e piezoelettrici di tipo indicatore o trasduttore in modo da semplificare la scelta del dispositivo più adatto per le esigenze di u