Una panoramica dei circuiti di pilotaggio per buzzer piezoelettrici di tipo trasduttore

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I buzzer piezoelettici di tipo trasduttore rappresentano un’opzione ampiamente utilizzata per l’identificazione e la segnalazione di tipo sonoro tra un prodotto e l’utilizzatore e, a differenza dei buzzer di tipo indicatore, richiedono un circuito di pilotaggio esterno per produrre il tono o il suono desiderati. Sebbene ciò conferisca ai trasduttori una maggiore flessibilità, comporta anche un lavoro di progettazione aggiuntivo relativo appunto al circuito di pilotaggio, in quanto il suono generato dal buzzer dipende sia dal buzzer selezionato sia dal segnale utilizzato per pilotarlo. Fortunatamente sono numerose le opzioni disponibili per il circuito di pilotaggio e l’obiettivo di questo articolo è esaminare vantaggi e svantaggi di alcune tra le più comuni tecniche di progettazione di questi circuiti.

Trasduttori piezoelettrici: concetti di base

Il blog “Buzzers Basic” di CUI Devices rappresenta un’ottima base di partenza per comprendere i principi di funzionamento dei buzzer e dei trasduttori piezoelettrici: in questa sede, prima di esaminare in dettaglio le tipologie di circuiti di pilotaggio, verrà fatto un breve “ripasso” sui concetti base. Realizzati a partire da un materiale piezoelettrico che si deforma fisicamente nel momento in cui viene applicata una tensione, i dispositivi piezoelettrici producono livelli di rumore più o meno elevati in base all’entità della deformazione provocata dalla tensione applicata. Come accennato in precedenza, i trasduttori per funzionare richiedono un segnale di eccitazione esterno, mentre i buzzer di tipo indicatore richiedono solamente una tensione di alimentazione. Ciò è dovuto al fatto che un indicatore contiene un oscillatore interno che semplifica l’implementazione di un progetto, a fronte comunque di una riduzione della gamma di toni e suoni che è possibile generare rispetto a un trasduttore.

Opzione 1: circuito di pilotaggio base

Un circuito di pilotaggio base per un trasduttore piezoelettrico può essere formato da un resistore di reset e da un commutatore elettronico, come ad esempio un transistor FET o BJT, come riportato in figura 1. Un circuito di questo tipo, anche se ha il vantaggio di utilizzare pochi componenti di costo estremamente contenuto, presenta alcuni svantagi tra cui la dissipazione di potenza nel resistore di reset e il fatto che la tensione applicata al buzzer è limitata al valore della tensione di alimentazione (+V). E’ importante sottolineare il fatto che questo circuito di pilotaggio base e il buzzer si comportano allo stesso modo indipendentemente dal fatto che il terminale del buzzer sia connesso all’alimentazione +V (come in figura 1) oppure a massa.

Fig. 1 – Schema di un circuito di pilotaggio base composto da un resistore di reset e un commutatore elettronico

Opzione 2: aggiunta di un buffer

Al fine di ridurre le perdite di potenza legate alla presenza del resistore di reset nel circuito di pilotaggio base appena descritto, un progettista può aggiungere due transistor bipolari (BJT) utilizzati come buffer in grado di supportare l’uso di un resistore di reset caratterizzato da un’impedenza maggiore. Il relativo schema circuitale è riportato in figura 2. A fronte di una riduzione delle perdite di potenza, una realizzazione di questo tipo ha un effetto negativo sulla tensione applicata al buzzer a causa delle cadute di tensione ai capi dei due diodi, che possono essere stimate pari a circa 1,2 V. Come nel caso del circuito di figura 1, il terminale del buzzer può essere collegato all’alimentazione +V oppure a massa senza modificare le prestazioni del buzzer e del circuito.

Fig. 2 – In questo schema al circuito di pilotaggio sono stati aggiunti due buffer

Nel caso la diminuzione della tensione provocata dall’aggiunta di due buffer rappresenti un problema, un progettista può invertire le posizioni dei buffer implementati tramite transistor BJT. Un’altra possibilità è sostituire i buffer BJT con buffer implementati tramite FET. Entrambe le opzioni sono riportate in figure 3.

Fig. 3 – Esempi di circuiti implementati mediante buffer BJT (sinistra) e buffer FET (a destra)

Opzione 3: circuiti di pilotaggio a semiponte o a ponte intero

Sebbene rappresentino un’opzione, le modifiche apportate alle configurazioni dei buffer riportate in figura 3 potrebbero non rappresentare la soluzione più adatta quando si progetta con componenti discreti a causa della maggiore complessità che viene introdotta nei circuiti di pilotaggio. I circuiti di pilotaggio con buffer di tipo push pull sono comunemente noti come circuiti di pilotaggio a semiponte (half bridge). Quando vengono pilotati in modo da dar luogo a uno sfasamento, due circuiti di pilotaggio di tipo half-bridge formano un circuito di pilotaggio a ponte intero (full bridge), che può essere utilizzato con un buzzer collegato tra le due uscite dei circuiti di pilotaggio a semiponte (fig. 4). Grazie all’uso di circuiti di pilotaggio a ponte intero, la tensione applicata al buzzer è doppia rispetto a quella disponibile con i circuiti di pilotaggio base o a semiponte, il che si traduce in un’uscita audio di maggiore intensità a parità di tensione di alimentazione. Spesso utilizzati per il pilotaggio di motori elettrici, i circuiti di pilotaggio a semiponte e a ponte intero hanno l’ulteriore vantaggio di essere disponibili sotto forma di circuiti integrati di costo molto contenuto.

Fig. 4 – Schema di un circuito di pilotaggio a ponte intero

Opzione 4: circuito di pilotaggio risonante

Un’altra opzione a disposizione del progettista è realizzare un circuito di pilotaggio risonante utilizzando un induttore discreto e la capacità parassita del buzzer di tipo trasduttore. La caratteristica del circuito risonante è l’immagazzinamento e il trasferimento di energia tra due elementi, che in questo caso sono appunto il condensatore parassita e l’induttore. Un’implementazione di un circuito di pilotaggio risonante è riportata in figura 5.

Tra i vantaggi derivati dall’uso di circuiti di pilotaggio risonanti si possono annoverare i seguenti: semplicità di realizzazione, elevata efficienza elettrica e possibilità di creare ai capi del buzzer piezoelettrico una tensione molto maggiore rispetto a quella di alimentazione.

Per contro, i circuiti risonanti funzionano meglio a una specifica frequenza e questa caratteristica ne penalizza l’uso in tutte quelle applicazioni che richiedono toni di frequenza variabile. La frequenza scelta influenza le dimensioni dell’induttore, che può così risultare fisicamente più grande e ingombrante rispetto agli altri componenti del circuito. Senza dimenticare che un circuito di pilotaggio risonante fa ricorso alla capacità parassita di un trasduttore piezoelettrico, che non sempre è controllata o caratterizzata in modo accurato durante il processo di fabbricazione. Il funzionamento di un circuito risonante, infine, risulta arduo da modellare e può quindi comportare ulteriori oneri in fase di progettazione.

Fig. 5 – Esempio di un circuito di pilotaggio risonante

Considerazioni conclusive

Come sempre succede, ciascuna delle opzioni illustrare per la realizzazione del circuito di pilotaggio presenta sia vantaggi sia svantaggi. La scelta del circuito più adatto per un determinato buzzer piezoelettrico di tipo trasduttore dipende sia dall’uscita audio desiderata sia dalla particolare applicazione considerata. CUI Devices è in grado di offrire un’ampia gamma di buzzer piezoelettrici e magnetici che sono immediatamente disponibili una volta che sono stati stabiliti i requisiti di progetto e le principali specifiche dello stesso.

Ryan Smoot (CUI Devices)

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