압전 트랜스듀서 버저 오디오 출력을 높이는 설계 기술

다양한 응용 분야와 산업에서 가청 식별 또는 경고 수단으로 사용되는 압전 트랜스듀서 버저는 응용 분야의 구체적인 요건에 따라 다양한 신호음과 음향을 생성할 수 있습니다. 압전 트랜스듀서 버저에서 생성되는 음향의 진폭은 선택된 버저와 버저를 구동하는 데 사용되는 신호에 따라 다릅니다. 트랜스듀서 버저에서 신호음 또는 음향을 생성하려면 외부 구동 회로가 필요하므로 외부 구동기 회로의 설계에 따라 압전 버저의 오디오 출력에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다. 실제로는 간단하지만 이 기사에서는 압전 트랜스듀서의 작동 원리에 대한 기본 지침을 제공하고 트랜스듀서의 오디오 출력을 높이기 위한 일반 설계 기술의 장점과 제한 사항을 살펴보겠습니다.

압전 트랜스듀서 작동 원리

Same Sky의 버저 기본 사항에 대한 기술 백서에서는 압전 트랜스듀서에 대한 개요를 상세하게 제공하지만, 여기서는 관련 기술을 간략하게 살펴봅니다. 압전 장치는 장치를 통해 전압을 적용하면 물리적으로 변형되는 소재로 제작됩니다. 변형의 정도와 변형으로 인해 발생되는 잡음 볼륨은 압전 소재를 통해 적용되는 전압과 관련이 있습니다. 앞서 언급한 대로 트랜스듀서 버저를 작동하려면 외부 여기 신호가 필요합니다. 반면에 표시기 버저는 내부 발진기로 인해 공급 전압만 있으면 작동됩니다. 따라서 표시기는 설계하기 더 쉽지만 트랜스듀서와 비교해 생성되는 신호음 및 소리의 종류가 제한됩니다.

간단한 구동기 회로

아래 회로 구성도(그림 1)는 전기 스위치(예: FET 또는 BJT)와 리셋 저항기로 구성된 압전 트랜스듀서 버저를 위한 간단한 구동기 회로 중 하나를 보여줍니다. 이 회로는 가격이 저렴한 몇 개의 부품만 필요로 하기 때문에 기본 설계에서 널리 사용될 수 있습니다. 이 설계는 간단하지만, 리셋 저항기에서 전력을 소비하고 버저에 적용되는 전압이 공급 전압(+V)으로 제한된다는 단점이 있습니다. 버저 단자 중 하나가 +V 공급(그림 1 참조)에 연결되는지 접지에 연결되는지와 상관없이 버저와 회로의 기능은 동일합니다.

그림 1: 전자 스위치와 리셋 저항기로 구성되는 구동 회로 (이미지 출처: Same Sky)

버퍼가 있는 구동기 회로

엔지니어는 두 버퍼 트랜지스터를 추가하여 이전 구동기 회로에서 리셋 저항기의 전력 손실을 줄일 수 있습니다(그림 2). 두 버퍼 트랜지스터를 추가하면 약 두 개의 다이오드 강하 또는 거의 1.2V에 달하는 버저에 적용되는 전압을 줄이면서 더 높은 임피던스 리셋 저항기를 사용할 수 있습니다. 다시 말하지만, 그림 1의 회로와 마찬가지로, 버저 단자 중 하나가 +V 공급에 연결되는지 접지에 연결되는지와 상관없이 버퍼가 추가된 버저 및 회로의 기능은 동일합니다.

그림 2: 두 개의 버퍼가 추가된 구동 회로 (이미지 출처: Same Sky)

전압이 감소하는 문제를 해결하기 위해 엔지니어는 위에 사용된 BJT 버퍼의 위치를 반대로 바꿀 수 있습니다. BJT 대신 FET를 버퍼 부품으로 사용하여 이 회로를 구성할 수도 있습니다. 두 버퍼 구성은 모두 그림 3에 요약되어 있습니다.

그림 3: 역방향 BJT 버퍼 위치(왼쪽) 또는 BJT 대신 사용된 FET 버퍼 위치(오른쪽) (이미지 출처: Same Sky)

하프브리지 및 풀브리지 구동기

위에서 언급한 버퍼 구성 변경(그림 3)은 선택 사항이지만, 버퍼에 대한 구동기 회로가 더 복잡해지므로, 이산 소자 부품으로 설계할 경우 유용하지 않을 수 있습니다. 푸시풀 버퍼가 있는 이 형태의 구동기를 일반적으로 “하프브리지” 구동기라고 합니다. 두 하프브리지 구동기의 출력 사이에 버저를 연결할 수 있으며, 구동되는 두 하프브리지 구동기에 위상 차가 있는 경우 “풀브리지” 구동기라고 합니다. 하프브리지 구동기와 풀브리지 구동기는 모두 전기 모터를 구동하는 데 사용되며 가격이 저렴한 집적 회로로 사용될 수 있습니다. 또한 풀브리지 구동기는 기본 구동기 또는 하프브리지 구동기보다 2배 더 높은 전압을 버저에 제공하므로, 다른 솔루션과 동일한 공급 전압으로 더 큰 음향을 출력할 수 있다는 장점이 있습니다.

그림 4: 풀브리지 구동기 회로(이미지 출처: Same Sky)

공진 구동기 회로

트랜스듀서 버저에 존재하는 기생 정전 용량으로 인해 엔지니어에게 이산 소자 인덕터를 활용하여 공진 회로를 형성함으로써 압전 트랜스듀서를 구동할 수 있는 추가 옵션이 주어집니다. 공진 회로는 두 소자(이 응용 제품의 경우 기생 커패시터와 인덕터) 사이에서 에너지를 교대로 저장하고 전달합니다. 그림 5는 압전 트랜스듀서 버저에 공진 구동기 회로가 구현된 예시를 보여 줍니다.

공진 구동기 회로는 간단한 구성, 잠재적으로 높은 전기 효율을 비롯한 다양한 이점을 제공합니다. 압전 버저에서 발생하는 전압이 공급 전압보다 훨씬 클 수도 있습니다. 하지만 공진 구동기 회로는 압전 트랜스듀서의 기생 정전 용량에 의존하여 제조 공정 중에 올바르게 특정되거나 제어되지 않으므로 제한될 수 있습니다. 또한 공진 압전 트랜스듀서 구동기 회로는 특정 주파수에서만 올바르게 수행되므로 여러 주파수 신호음이 필요한 응용 제품에는 적합하지 않습니다. 게다가 선택된 작동 주파수가 인덕터에 영향을 줍니다. 인덕터는 다른 회로 부품에 비해 물리적으로 크고 무거울 수 있습니다. 공진 회로의 작동을 모델링하기 어려울 수도 있습니다. 즉, 회로를 설계 컴퓨터가 아니라 실험실에서 완료해야 할 수도 있습니다.

그림 5: 공진 구동기 회로 예(이미지 출처: Same Sky)

결론

엔지니어가 압전 트랜스듀서 버저에 대한 구동기 회로를 설계할 때 다양한 옵션이 있습니다. 간단한 이산 소자 부품부터 더 복잡한 회로 설계까지 각 구동기는 응용 제품의 원하는 음향 출력에 도달하기 위한 자체 트레이드 오프가 제공됩니다. 주요 성능 파라미터가 결정되면 Same Sky는 설계 요구 사항을 즉시 충족할 수 있는 다양한 압전 버저와 자기 버저를 사용하여 선택 공정을 간소화합니다.