Part1 摘要

 

蜂鳴器是電路設(shè)計(jì)中常用的器件，廣泛用于工業(yè)控制報(bào)警、機(jī)房監(jiān)控、門禁控制、計(jì)算機(jī) 等電子產(chǎn)品作預(yù)警發(fā)聲器件，驅(qū)動(dòng)電路也非常簡單，然而很多人在設(shè)計(jì)時(shí)往往隨意設(shè)計(jì)，導(dǎo) 致實(shí)際電路中蜂鳴器不發(fā)聲、輕微發(fā)聲和亂發(fā)聲的情況發(fā)生。

 

下面就 3.3V NPN 三極管驅(qū)動(dòng)有源蜂鳴器設(shè)計(jì)，從實(shí)際產(chǎn)品中分析電路設(shè)計(jì)存在的問題，提出電路的改進(jìn)方案，使讀者能從小小的蜂鳴器電路中學(xué)會分析和改進(jìn)電路的方法，從而設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的產(chǎn)品，達(dá)到拋磚引玉的效果。

 

Part2 常見錯(cuò)誤接法

 

圖1 為典型的錯(cuò)誤接法，當(dāng) BUZZER 端輸入高電平時(shí)蜂鳴器不響或響聲太小。當(dāng) I/O 口為高電平時(shí)，基極電壓為 3.3/4.7*3.3V≈2.3V，由于三極管的壓降 0.6~0.7V，則三極管射 極電壓為 2.3-0.7=1.6V，驅(qū)動(dòng)電壓太低導(dǎo)致蜂鳴器無法驅(qū)動(dòng)或者響聲很小。

圖2 為第二種典型的錯(cuò)誤接法，由于上拉電阻R2，BUZZER 端在輸出低電平時(shí)，由于 電阻R1和R2的分壓作用，三極管不能可靠關(guān)斷。

 

 

 

圖3 為第三種錯(cuò)誤接法，三極管的高電平門檻電壓就只有 0.7V，即在 BUZZER 端輸入 壓只要超過0.7V就有可能使三極管導(dǎo)通，顯然0.7V的門檻電壓對于數(shù)字電路來說太低了， 電磁干擾的環(huán)境下，很容易造成蜂鳴器鳴叫。

 

圖 4 為第四種錯(cuò)誤接法，當(dāng)CPU的GPIO管腳存在內(nèi)部下拉時(shí)，由于 I/O 口存在輸入阻抗，也可能導(dǎo)致三極管不能可靠關(guān)斷，而且和圖3一樣BUZZER端輸入電壓只要超過0.7V就有可能使三極管導(dǎo)通。

 

以上幾種用法我覺得也不能說是完全不行，對于器件的各種參數(shù)要求會比較局限，不利于器件選型，抗干擾性能也比較差。

 

Part3 NPN 三極管控制有源蜂鳴器常規(guī)設(shè)計(jì)

 

 

圖 5 為通用有源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路。電阻R1為限流電阻，防止流過基極電流過大損壞三極管。電阻R2有著重要的作用，第一個(gè)作用：R2 相當(dāng)于基極的下拉電阻。如果A端被懸空則由于R2的存在能夠使三極管保持在可靠的關(guān)斷狀態(tài)，如果刪除R2則當(dāng)BUZZER輸入端懸空時(shí)則易受到干擾而可能導(dǎo)致三極管狀態(tài)發(fā)生意外翻轉(zhuǎn)或進(jìn)入不期望的放大狀態(tài)，造成蜂鳴器意外發(fā)聲。第二個(gè)作用：R2可提升高電平的門檻電壓。如果刪除R2，則三極管的高電平門檻電壓就只有0.7V，即A端輸入電壓只要超過0.7V 就有可能導(dǎo)通，添加R2的情況就不同了，當(dāng)從A端輸入電壓達(dá)到約2.2V 時(shí)三極管才會飽和導(dǎo)通，具體計(jì)算過程如下：

 

假定β =120為晶體管參數(shù)的最小值，蜂鳴器導(dǎo)通電流是15mA。那么集電極電流IC=15mA。則三極管剛剛達(dá)到飽和導(dǎo)通時(shí)的基極電流是 IB=15mA/120=0.125mA。流經(jīng)R2的電流是0.7V/3.3k?=0.212mA，流經(jīng)R1的電流 IR1=0.212mA +0.125mA=0.337 mA。最后算出BUZZER端的門檻電壓是0.7V+0.337mA× 4.7k?=2.2839V≈2.3V。

 

圖中的C2為電源濾波電容，濾除電源高頻雜波。C1可以在有強(qiáng)干擾環(huán)境下，有效的濾除干擾信號，避免蜂鳴器變音和意外發(fā)聲，在 RFID射頻通訊、Mifare卡的應(yīng)用時(shí)，這里初步選用0.1uF 的電容，具體可以根據(jù)實(shí)際情況選擇。

 

Part4 改進(jìn)方案

 

蜂鳴器竟然有EMI 輻射？！在 NPN 3.3V 控制有源蜂鳴器時(shí)，在電路的 BUZZER 輸入 高電平，讓蜂鳴器鳴叫，檢測蜂鳴器輸入管腳（NPN 三極管的C極處信號，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在發(fā)聲時(shí)，向外發(fā)生1.87KHz，-2.91V 的脈沖信號，如圖 6 所示。

 

圖 6 蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

 

在電路的BUZZER 輸入20Hz的脈沖信號，讓蜂鳴器鳴叫，檢測蜂鳴器輸入管腳處信號，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在發(fā)聲時(shí)，在控制電平上疊加了1.87KHz，-2.92V 的脈沖信號，并且在蜂鳴器關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)正向尖峰脈沖（≥10V），如圖7所示。

 

 

圖7中1.87KHz，-2.92V 的脈沖信號應(yīng)該是有源蜂鳴器內(nèi)部震蕩源釋放出來的信號。常用有源蜂鳴器主要分為壓電式、 電磁震蕩式兩種， iMX283 開發(fā)板上用的是壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成，而多諧震蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，我們所用的蜂鳴器內(nèi)部含有晶體管震蕩電路（有興趣的朋友可以自己拆開看看）。

 

有源蜂鳴器產(chǎn)生脈沖信號能量不是很強(qiáng)，可以考慮增加濾波電容將脈沖信號濾除。在有源蜂鳴器的兩端添加一個(gè)104的濾波電容，脈沖信號削減到-110mV，如圖 8 所示，但頂部信號由于電容充電過慢，有點(diǎn)延時(shí)。

 

圖 8 減少蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

 

消除蜂鳴器EMI輻射后改進(jìn)電路圖如圖9所示：

 

圖 9 NPN 有源蜂鳴器控制電路改善后電路圖

 

Part5 兼容性設(shè)計(jì)

 

作為標(biāo)準(zhǔn)電路，需要考慮電路的兼容性問題，比如同樣耐壓不同功率的有源蜂鳴器，有 源蜂鳴器和無源蜂鳴器的兼容性問題。

 

1.兼容同樣耐壓不同功率的有源蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

 

為了電路的兼容性和可擴(kuò)展性，電路需要考慮兼容不同廠家和不同功率的蜂鳴器。同一 個(gè)耐壓的蜂鳴器主要是蜂鳴器的內(nèi)阻和工作電流不一樣，一般 3V~5V 耐壓的蜂鳴器，不同功率的蜂鳴器導(dǎo)通電流是 10mA~80mA。我們按照最大功率的蜂鳴器去設(shè)計(jì)電路即可，即三極管的推動(dòng)電流按照 80 mA 設(shè)計(jì)。

 

假定：β＝120 為晶體管參數(shù)的最小值，蜂鳴器導(dǎo)通電流是 80 mA。那么集電極電流 IC ＝80 mA。則三極管剛剛達(dá)到飽和導(dǎo)通時(shí)的基極電流 IB＝80mA／ 120＝0.667mA。流經(jīng) R2的電流是 0.7V／ 3.3k?＝ 0.212mA，所以流經(jīng) R1 的電流應(yīng)該是 IR1=0.667mA +0.125mA=0.792mA。BUZZER 端的門檻電壓是設(shè)定在 2.2V，那么 R1=(2.2V-0.7V)/ 0.792mA=1.89K。電阻取常規(guī) 2K 即可。

 

如果電路更換功率稍大一點(diǎn)的有源蜂鳴器，可以按照上面的計(jì)算方法計(jì)算 R1 的大小。

 

2. 兼容有源蜂鳴器和無源蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

 

在電路的設(shè)計(jì)過程中，往往會碰到需求變更，比如項(xiàng)目前期，對蜂鳴器的發(fā)聲頻率沒有 要求，但后期有要求，需要更換為無源蜂鳴器，這時(shí)就需要修改電路圖，甚至修改 PCB， 這樣就增加了改動(dòng)成本、周期和風(fēng)險(xiǎn)。

 

有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路區(qū)別主要在于無源蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件， 其電流不能瞬變，因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會有反向感應(yīng) 電動(dòng)勢，產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動(dòng)三極管，并干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的其它部分。而如果電路中工作電壓較大，要使用耐壓值較大的二極管，而如果電路工作頻率高，則要選 用高速的二極管。這里選擇的是 IN4148 的開關(guān)二極管。電路如圖 10 所示。

 

圖 10 NPN 無源蜂鳴器控制電路