Усилители для пьезокерамических громкоговорителей

В статье приведены особенности пьезокерамических громкоговорителей и усилителей для них.

А. Мельниченко

Для современных портативных устройств необходимы высокоэффективные и малогаба­ритные электронные компоненты. Основным фактором, препятствующим дальнейшему уменьшению габаритов мобильных телефонов, являются большие размеры динамических громкоговорителей. Достойной альтернативой динамическим громкоговорителям могут стать пьезокерамические. Они могут обеспе­чить достаточный уровень звукового давления при толщине, существенно меньшей, чем у обычных динамических головок со звуковой катушкой. Особенности динамических и пье­зокерамических громкоговорителей приведе­ны в таблице.

Требования, предъявляемые к усилите­лям, нагруженным на пьезокерамические громкоговорители, отличаются от требова­ний к усилителям мощности, нагрузкой ко­торых являются обычные динамические громкоговорители [1]. Особенностью пьезо­керамического громкоговорителя является емкостный характер его импеданса, в резуль­тате чего для поддержания требуемого вы­ходного напряжения на высоких частотах усилитель должен обеспечивать достаточный выходной ток.

Преимущества и достатки пьезокерамических и электродинамических громкоговорителей

ОСОБЕННОСТИ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

При производстве пьезокерамических громкоговорителей используется та же техно­логия, что и при изготовлении многослойных керамических конденсаторов. Она позволяет выпускать громкоговорители с меньшими, чем у динамических громкоговорителей, до­пусками на параметры.

Импеданс пьезокерамического громкогово­рителя может быть представлен эквивалент­ной схемой (рис. 1). Для большей части звуко­вого диапазона этот импеданс является емко­стным, уменьшаясь с увеличением частоты. На частоте резонанса (около 1 кГц) наблюдается локальное уменьшение импеданса громко­говорителя.

Рис. 1. Эквивалентная схема пьезокерамического громкоговорителя

Для каждого типа пьезокерамических громкоговорителей производителями оговари­вается номинальное переменное напряжение, соответствующее максимальному отклонению мембраны. Увеличение подаваемого на гром­коговоритель напряжения выше номинально­го не приводит к увеличению отклонения мембраны, а лишь вызывает увеличение иска­жений. В качестве примера на рис. 2 приведе­ны частотные характеристики громкоговори­теля SPS-4640-03 компании Sonitron.

Рис. 2. Частотные характеристики пьезокерамического громкоговорителя SPS-4640-03 при разных напряжениях на нем

УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

Максимальный размах напряжения, соотве­тствующий наибольшему уровню звукового давления пьезокерамических громкоговорите­лей, составляет обычно 14-15 В. Для по­вышения напряжения питания оконеч­ного усилителя можно применить им­пульсный преобразователь с выходным напряжением 5 В. В результате разрапульсный преобразователь с выходным напряжением 5 В. В результате разра­ботчик может использовать усилитель с однополярным питанием и дифферен­циальным выходом (BTL — Bridge-Tied Load). При этом размах напряжения на громкоговорителе достигает удвоенного напряжения питания (в данном слу­чае — 10 В). Однако для достижения максимального звукового давления, ко­торое может развивать громкоговори­тель, этого напряжения может оказать­ся недостаточно.

Возможно, конечно, использование преобразователя с выходным напряже­нием более 5 В, но при этом увеличиваются габариты катушки индуктивности, так как возрастает протекающий через нее ток.

К выходному усилителю, нагруженному на пьезокерамический громкоговоритель, также предъявляются повышенные требования. В частности, он должен обеспечивать доста­точный выходной ток на высоких частотах, на которых импеданс громкоговорителя мал.

Последовательно с керамическим громко­говорителем рекомендуется включать посто­янный резистор (R_L), как показано на рис. 3. Он необходим для ограничения выходного то­ка усилителя, если в сигнале имеется много высокочастотных составляющих. При огра­ничении полосы частот сигнала, воспроизво­димого громкоговорителем, резистор можно не устанавливать. Емкость современных пьезокерамических громкоговорителей сос­тавляет сотни нанофарад. Емкость пьезокера­мических громкоговорителей следующих по­колений может быть еще больше, что повле­чет за собой повышение требований к усили­телям.

Рис. 3. Функциональная схема типовой микросхемы класса G и схема ее включения

Ряд компаний выпускает микросхемы око­нечных усилителей класса G, специально пред­назначенные для работы с пьезокерамически­ми громкоговорителями. Напряжение питания оконечного каскада таких усилителей выбира­ется в зависимости от напряжения выходного сигнала. При малом уровне сигнала питание оконечного каскада осуществляется от источ­ника низкого напряжения. Если же уровень выходного сигнала превысит некоторый пре­дел, оконечный каскад подключается к источ­нику питания с более высоким напряжением. В результате обеспечивается более эффектив­ное управление пьезокерамическим громкого­ворителем, чем при применении усилителей класса AB с повышающим преобразователем.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ГРОМКОГОВОРИТЕЛЕЙ

Звуковая катушка динамических громкого­ворителей может быть представлена как после­довательное соединение постоянного резистора и высокодобротной индуктивности. Рассеивае­мая в ней мощность вычисляется как P = I²R. Почти вся она выделяется в виде тепла.

В пьезокерамических громкоговорителях вследствие емкостного характера их импедан­са рассеивается лишь небольшая мощность, обусловленная потерями в слое пьезокерами­ки. Она вычисляется как

P = (nfCV2) x (coso + DF),

где C — емкость громкоговорителя, V и f — на­пряжение и частота сигнала, подаваемого на громкоговоритель, Ф — фазовый угол между то­ком через громкоговоритель и напряжением на нем, DF — коэффициент потерь в пьезокерами­ке (рассчитывается, исходя из частоты сигнала и эквивалентного последовательного сопротив­ления громкоговорителя).

Например, пьезокерамический громкогово­ритель емкостью 1.6 мкФ и эквивалентным последовательным сопротивлением 1 Ом при питании напряжением 5 В (с.к.з.) и частотой 5 кГц рассеивает мощность

P = (пх5000х1.6х10^-6х52) x (0 + 0.05) = 31.4 мВт.

ПОТЕРИ МОЩНОСТИ

Хотя в пьезокерамических громкоговорите­лях рассеяние мощности не происходит, поте­ри возникают в оконечной ступени выходного усилителя, нагруженного на громкоговори­тель, а также на внешнем резисторе (R_L), включенном последовательно с ним (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость мощности, рассеиваемой в громкоговорителе (PГР), на резисторе RL (PR), и суммарной мощности (PS) от частоты

Сопротивление внешнего резистора выби­рается из компромиссных соображений. При его увеличении растет завал частотной харак­теристики в области высоких частот, при его уменьшении возрастают потери мощности в выходном усилителе. Обычно сопротивление резистора выбирается равным 10-20 Ом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение пьезокерамических громкого­ворителей позволяет уменьшить толщину пор­тативных устройств. По принципу действия эти громкоговорители отличаются от привыч­ных электродинамических громкоговорите­лей, что требует иного подхода к разработке оконечных усилителей. Из-за емкостного ха­рактера импеданса и высокого рабочего напря­жения пьезокерамических громкоговорителей необходимо использовать усилители с повы­шенным напряжением питания, обеспечиваю­щие требуемую величину тока нагрузки в ши­роком диапазоне частот. Предпочтительным является использование усилителей класса D или G, отличающихся высоким КПД, малым числом внешних компонентов и невысокой стоимостью.