Підсилювачі для п’єзокерамічних гучномовців

Особливості п’єзокерамічних гучномовців та підсилювачів для них

У статті наведені особливості п’єзокерамічних гучномовців та підсилювачів для них.

А. Мельниченко

Для сучасних портативних пристроїв необхідні високоефективні та малогабаритні електронні компоненти. Основним фактором, що перешкоджає подальшому зменшенню габаритів мобільних телефонів, є великі розміри динамічних гучномовців. Гідною альтернативою динамічним гучномовцям можуть стати п’єзокерамічні. Вони можуть забезпечити достатній рівень звукового тиску при товщині, суттєво меншій, ніж у звичайних динамічних головок зі звуковою котушкою. Особливості динамічних і п’єзокерамічних гучномовців наведені в таблиці.

Вимоги, що пред’являються до підсилювачів, навантажених на п’єзокерамічні гучномовці, відрізняються від вимог до підсилювачів потужності, навантаженням яких є звичайні динамічні гучномовці . Особливістю п’єзокерамічного гучномовця є ємнісний характер його імпедансу, в результаті чого для підтримання необхідної вихідної напруги на високих частотах підсилювач повинен забезпечувати достатній вихідний струм.

Переваги та недоліки п’єзокерамічних і електродинамічних гучномовців

Особливості п’єзокерамічних гучномовців

При виробництві п’єзокерамічних гучномовців використовується та ж технологія, що і при виготовленні багатошарових керамічних конденсаторів. Вона дозволяє випускати гучномовці з меншими, ніж у динамічних гучномовців, допусками на параметри.

Імпеданс п’єзокерамічного гучномовця може бути представлений еквівалентною схемою (рис. 1). Для більшої частини звукового діапазону цей імпеданс є ємнісним, зменшуючись зі збільшенням частоти. На частоті резонансу (близько 1 кГц) спостерігається локальне зменшення імпедансу гучномовця.

Для кожного типу п’єзокерамічних гучномовців виробниками обумовлюється номінальна змінна напруга, що відповідає максимальному відхиленню мембрани. Збільшення напруги, що подається на гучномовець, вище номінальної не призводить до збільшення відхилення мембрани, а лише викликає збільшення спотворень. В якості прикладу на рис. 2 наведені частотні характеристики гучномовця SPS-4640-03 компанії Sonitron.

Підсилювачі для п’єзокерамічних гучномовців

Максимальний розмах напруги, що відповідає найбільшому рівню звукового тиску п’єзокерамічних гучномовців, становить зазвичай 14-15 В. Для підвищення напруги живлення кінцевого підсилювача можна застосувати імпульсний перетворювач з вихідною напругою 5 В. У результаті розробник може використовувати підсилювач з однополярним живленням і диференціальним виходом (BTL – Bridge-Tied Load). При цьому розмах напруги на гучномовці досягає подвоєної напруги живлення (у даному випадку – 10 В). Однак для досягнення максимального звукового тиску, який може розвивати гучномовець, цієї напруги може виявитися недостатньо.

Можливо, звичайно, використання перетворювача з вихідною напругою більше 5 В, але при цьому збільшуються габарити котушки індуктивності, оскільки зростає струм, що протікає через неї.

До вихідного підсилювача, навантаженого на п’єзокерамічний гучномовець, також пред’являються підвищені вимоги. Зокрема, він повинен забезпечувати достатній вихідний струм на високих частотах, на яких імпеданс гучномовця малий.

Послідовно з керамічним гучномовцем рекомендується включати постійний резистор (RL), як показано на рис. 3. Він необхідний для обмеження вихідного струму підсилювача, якщо в сигналі є багато високочастотних складових. При обмеженні смуги частот сигналу, що відтворюється гучномовцем, резистор можна не встановлювати. Ємність сучасних п’єзокерамічних гучномовців становить сотні нанофарад. Ємність п’єзокерамічних гучномовців наступних поколінь може бути ще більшою, що потягне за собою підвищення вимог до підсилювачів.

Ряд компаній випускає мікросхеми кінцевих підсилювачів класу G, спеціально призначені для роботи з п’єзокерамічними гучномовцями. Напруга живлення кінцевого каскаду таких підсилювачів вибирається залежно від напруги вихідного сигналу. При малому рівні сигналу живлення кінцевого каскаду здійснюється від джерела низької напруги. Якщо ж рівень вихідного сигналу перевищить деяку межу, кінцевий каскад підключається до джерела живлення з більш високою напругою. У результаті забезпечується більш ефективне управління п’єзокерамічним гучномовцем, ніж при застосуванні підсилювачів класу AB з підвищуючим перетворювачем.

Ефективність п’єзокерамічних гучномовців

Звукова котушка динамічних гучномовців може бути представлена як послідовне з’єднання постійного резистора і високодобротньої індуктивності. Розсіювана в ній потужність обчислюється як P = I²R. Майже вся вона виділяється у вигляді тепла.

У п’єзокерамічних гучномовцях внаслідок ємнісного характеру їх імпедансу розсіюється лише невелика потужність, обумовлена втратами в шарі п’єзокераміки. Вона обчислюється як

P = (πfCV²) × (cosφ + DF),

де C – ємність гучномовця, V і f – напруга і частота сигналу, що подається на гучномовець, φ – фазовий кут між струмом через гучномовець і напругою на ньому, DF – коефіцієнт втрат у п’єзокераміці (розраховується, виходячи з частоти сигналу і еквівалентного послідовного опору гучномовця).

Наприклад, п’єзокерамічний гучномовець ємністю 1.6 мкФ і еквівалентним послідовним опором 1 Ом при живленні напругою 5 В (с.к.з.) і частотою 5 кГц розсіює потужність

P = (π×5000×1.6×10⁻⁶×5²) × (0 + 0.05) = 31.4 мВт.

Втрати потужності

Хоча в п’єзокерамічних гучномовцях розсіювання потужності не відбувається, втрати виникають у кінцевій ступені вихідного підсилювача, навантаженого на гучномовець, а також на зовнішньому резисторі (RL), включеному послідовно з ним (рис. 4).

Опір зовнішнього резистора вибирається з компромісних міркувань. При його збільшенні зростає спад частотної характеристики в області високих частот, при його зменшенні зростають втрати потужності у вихідному підсилювачі. Зазвичай опір резистора вибирається рівним 10-20 Ом.

Висновок

Застосування п’єзокерамічних гучномовців дозволяє зменшити товщину портативних пристроїв. За принципом дії ці гучномовці відрізняються від звичних електродинамічних гучномовців, що вимагає іншого підходу до розробки кінцевих підсилювачів. Через ємнісний характер імпедансу і високу робочу напругу п’єзокерамічних гучномовців необхідно використовувати підсилювачі з підвищеною напругою живлення, що забезпечують необхідну величину струму навантаження в широкому діапазоні частот. Переважним є використання підсилювачів класу D або G, що відрізняються високим ККД, малим числом зовнішніх компонентів і невисокою вартістю.