蜂鳴器常見(jiàn)錯(cuò)誤電路分析

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、機(jī)房監(jiān)控、門(mén)禁控制、計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品，作為預(yù)警發(fā)聲器件。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。

蜂鳴器(Buzzer)是一類(lèi)常見(jiàn)的電聲器件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)聲范圍一般有數(shù)百Hz到十幾kHz，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備當(dāng)中(空調(diào)、洗衣機(jī)、電腦等內(nèi)部都有蜂鳴器)。蜂鳴器在電路中電路圖形符號(hào)用字母“H”或“HA”(舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。

下面我們介紹最常用的兩類(lèi)蜂鳴器:有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器。

從驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)，有源驅(qū)動(dòng)和無(wú)源驅(qū)動(dòng)，有源蜂鳴器又稱(chēng)為直流蜂鳴器，其內(nèi)部已經(jīng)包含了一個(gè)多諧振蕩器，只要在兩端施加額定直流電壓即可發(fā)聲，具有驅(qū)動(dòng)、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但價(jià)格略高。無(wú)源蜂鳴器又稱(chēng)為交流蜂鳴器，內(nèi)部沒(méi)有振蕩器，需要在其兩端施加特定頻率的方波電壓(注意并不是交流，即沒(méi)有負(fù)極性電壓)才能發(fā)聲，具有可靠、成本低、發(fā)聲頻率可調(diào)整等特點(diǎn)。

有源蜂鳴器與無(wú)源蜂鳴器有什么區(qū)別：這里的“源”不是指電源，而是指震蕩源。也就是說(shuō)，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會(huì)叫。而無(wú)源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號(hào)無(wú)法令其鳴叫，必須用2K~5K的方波去驅(qū)動(dòng)它。有源蜂鳴器往往比無(wú)源的貴，就是因?yàn)槔锩娑嗔藗€(gè)震蕩電路。

圖7.22蜂鳴器

下面我們從EasyARM-i.MX283開(kāi)發(fā)套件入手，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(wèn)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(huì)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。

圖7.24錯(cuò)誤接法1

圖7.24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(wú)法驅(qū)動(dòng)或者響聲很小。

圖7.25錯(cuò)誤接法2

圖7.25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7.26錯(cuò)誤接法3

圖7.26為第三種錯(cuò)誤接法，三極管的高電平門(mén)檻電壓就只有0.7V，即在BUZZER端輸入電壓只要超過(guò)0.7V就有可能使三極管導(dǎo)通，顯然0.7V的門(mén)檻電壓對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)太低了，在電磁干擾的環(huán)境下，很容易造成蜂鳴器鳴叫。

圖7.27錯(cuò)誤接法4

圖7.27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7.26一樣 BUZZER端輸入電壓只要超過(guò)0.7V就有可能使三極管導(dǎo)通。

圖7.28 NPN三極管控制有源蜂鳴器常規(guī)設(shè)計(jì)

圖7.28為通用有源蜂鳴器的NPN三極管控制有源蜂鳴器常規(guī)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。電阻R1為限流電阻，防止流過(guò)基極電流過(guò)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，如果輸入端懸空則由于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(mén)檻電壓。如果刪除R2，則三極管的高電平門(mén)檻電壓就只有0.7V，即A端輸入電壓只要超過(guò)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(huì)飽和導(dǎo)通，具體計(jì)算過(guò)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：

圖7.28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(hào)，避免蜂鳴器變音和意外發(fā)聲。在RFID射頻通訊、Mifare卡的應(yīng)用中，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。

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(cè)蜂鳴器輸入管腳(NPN三極管的C極)處信號(hào)，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(hào)，如圖7.29所示。

圖7.29蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

在電路的BUZZER輸入20Hz的脈沖信號(hào)，讓蜂鳴器鳴叫，檢測(cè)蜂鳴器輸入管腳處信號(hào)，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(hào)，并且在蜂鳴器關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)正向尖峰脈沖(≥10V)，如圖7.30所示。

圖7.30蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

圖7.30中1.87KHz，-2.92V的脈沖信號(hào)應(yīng)該是有源蜂鳴器內(nèi)部震蕩源釋放出來(lái)的信號(hào)常用有源蜂鳴器主要分為壓電式、電磁震蕩式兩種，i.MX283開(kāi)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(kāi)看看)。

有源蜂鳴器產(chǎn)生脈沖信號(hào)能量不是很強(qiáng)，可以考慮增加濾波電容將脈沖信號(hào)濾除。消除蜂鳴器EMI輻射后改進(jìn)電路圖如圖7.31所示，在有源蜂鳴器的兩端添加一個(gè)104的濾波電容后，脈沖信號(hào)削減到-110mV，如圖7.32所示，但頂部信號(hào)由于電容充電過(guò)慢，有點(diǎn)延時(shí)。

圖7.31 NPN有源蜂鳴器控制電路改善后電路圖

圖7.32減少蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

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