압전 드라이브 회로 설계: 신뢰성 있는 성능을 위한 4가지 필수 기술

압전 드라이브 회로에 대하여, 종종 온도, 음압, 기계적 응력 같은 물리적 양을 측정해야 합니다. 트랜스듀서는 이러한 양을 측정하는 데 사용할 수 있는 모든 장치입니다. 일반적으로 트랜스듀서는 기계적 신호를 전기적 신호로 변환합니다.

트랜스듀서에는 여러 종류가 있으며 압전 트랜스듀서가 그중 하나입니다. 이 트랜스듀서를 사용하는 모든 장치는 물리적 양을 전기 신호로 변환할 수 있습니다. 하지만 백만 달러짜리 질문은 압전 트랜스듀서는 어떻게 작동하는가입니다.

이 압전 드라이브 회로 가이드에서는 이 시스템의 회로와 일반적인 설계 기술을 설명하겠습니다.

1. 압전 드라이브 회로 작동 원리

전기 기술자

먼저 압전 부저의 구성을 이해해야 합니다. 일부 물질은 압전 특성을 가지며 모든 압전 부저에서 찾아볼 수 있습니다. 여기에는 석영, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 지르코네이트 티탄산 납(PZT), 로셸 염 등이 포함됩니다.

일반적인 드라이브 회로에서는 도전성 물질로 코팅된 압전 사운더를 찾아볼 수 있습니다. 도전성 표면에 음압을 가하면 압전 소자의 이온이 활성화됩니다. 결과적으로 이온이 도전성 물질의 한쪽 끝에서 다른 쪽으로 이동합니다.

이로 인해 전하가 생성됩니다. 출력 전하는 이후 원래 음압의 보정에 결정적으로 사용됩니다.

이 응력은 인장 또는 압축일 수 있습니다. 따라서 응력 유형과 압전 소자의 방향이 출력 신호 강도를 결정합니다.

또한 오디오 출력은 입력 AC 전압의 양에 의존합니다.

2. 기본 압전 드라이브 회로

전기 부품

이 회로에는 전자 스위치, 리셋 저항, 압전 부저 등 매우 적은 구성 요소가 필요합니다. 스위치로는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)나 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용할 수 있습니다.

회로에 필요한 구성 요소가 몇 개 안 되고 모두 저렴합니다. 따라서 작은 예산으로 작업할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 리셋 저항에 의한 전력 소산 제한, 시스템 입력 드라이브 신호가 압전 음량을 결정한다는 단점이 있습니다. 기본 회로를 선택한다면 이러한 제한을 감수해야 합니다.

또한 압전 부저를 반드시 양극 단자에 연결할 필요는 없습니다. 회로 접지에 연결해도 동일하게 효과적으로 작동합니다.

3. 기본 압전 트랜스듀서 드라이브 회로에 버퍼 추가

스피커

위 회로의 리셋 저항 문제를 버퍼 추가로 해결할 수 있습니다. 이 회로에서는 트랜스듀서 임피던스 문제를 해결하기 위해 두 개의 버퍼 트랜지스터를 추가해야 합니다. 하지만 이는 시스템의 전력 전달에 분명히 영향을 미칩니다. 드라이브 전압이 약 1.2볼트 감소하지만 연결은 트랜스듀서 임피던스를 완전히 방지합니다.

또한 압전 사운더를 양극 또는 접지 단자에 연결할 수 있습니다. 어느 쪽으로 연결하든 사운드 구성 요소의 성능에 영향을 주지 않습니다.

이론적 회로의 연결을 변경하여 드라이브 전압을 여전히 개선할 수 있습니다. BJT 버퍼의 회상 위치를 수정하면 됩니다. 또는 BJT 버퍼 대신 FET 버퍼를 사용해도 회로는 동일하게 작동합니다.

4. 하프 브리지 및 풀 브리지 드라이브 회로

전기 부품

드라이버 회로에는 여러 유형이 있지만 이 연결만큼 효과적인 것은 없습니다. 이전 회로의 개선 버전으로 다양한 개별 부품을 허용합니다. 이전 아날로그 드라이버 회로는 개별 부품을 사용할 때 전달에 어려움을 겪습니다.

푸시-풀 버퍼를 사용하면 하프 브리지 버퍼가 생성됩니다. 반면 드라이버 회로가 위상이 어긋나면 풀 브리지 드라이버가 생성됩니다. 풀 브리지 드라이버의 경우 압전 사운더를 회로 출력 핀에 부착하여 사용할 수 있습니다.

풀 브리지 드라이버를 사용하면 다른 회로의 달성 가능한 출력 전력의 두 배를 얻을 수 있습니다. 결과적으로 출력 음량이 기본 회로나 하프 브리지 회로보다 높습니다. 동일한 입력 AC 전압으로 세 회로를 연결하여 테스트할 수 있습니다.

최적 출력 전압 범위로 인해 이러한 드라이버 회로 유형은 전기 모터에서 찾아볼 수 있습니다. 또한 두 브리지 회로를 저렴하게 구할 수 있습니다. 따라서 쉽게 구입하고 사용할 수 있는 집적 회로입니다.

5. 공진 드라이버 회로

회로 기판

위 회로 대신 외부 드라이브 압전 부저에 전원을 공급하기 위해 공진 드라이버 회로를 만들 수 있습니다. 개별 인덕터가 필요하며 시스템은 기본 드라이버 회로의 기생 정전 용량 개념으로 작동합니다. 공진 회로는 인덕터와 커패시터 사이의 에너지 저장과 전달이라는 단순한 원리로 작동합니다.

이 회로 구성 요소가 있으면 회로 기판에 연결을 조립할 수 있습니다. 공진 회로는 첫째, 조립이 쉽다는 점에서 매우 유리합니다. 둘째, 전기적 효율이 있고 전원 공급 전압보다 높은 출력 범위를 보장합니다.

인덕터

하지만 공진 회로는 일정한 주파수에서만 작동합니다. 따라서 넓은 주파수 범위가 필요한 압전 액추에이터를 구동하는 데 사용할 수 없습니다. 이 일정한 주파수는 인덕터 효과에도 영향을 미칩니다. 주목할 점은 일반적인 회로 부품 유형보다 더 크거나 무거운 인덕터를 선택할 수 있다는 것입니다. 어떤 식으로도 시스템의 오디오 주파수에 영향을 주지 않습니다.

트랜스듀서의 이 기생 정전 용량도 시스템 효과에 영향을 미칩니다. 많은 제조업체가 이 측면을 신경 쓰지 않으므로 작동 중에 감수해야 합니다. 마지막으로 이 시스템의 작동 메커니즘을 모델링하는 데도 어려움이 있습니다. 따라서 설계 단계에서 랩에서 더 많은 시간을 보내야 합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 제한에도 불구하고 높은 효율을 보장받을 수 있습니다.

결론

여러분의 의도된 용도에 따라 선택할 수 있도록 다양한 압전 드라이브 회로 옵션을 상세히 설명했습니다. 이 모든 압전 드라이브 회로는 조립하기도 쉽습니다. 따라서 번거로움 없이 원하는 사운드 출력을 만들 수 있습니다.

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