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拆解两种有源压电式蜂鸣器,了解振荡电路基本原理及简单的判断

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发表于 2024-4-16 11:32:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

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前面的唠叨
这是春节时候的事,家中老人行动不便,请了阿姨照顾,但不能一刻不离,就用感应小夜灯作为夜间老人起来的报警,加了个有源电子蜂鸣器作为声报警。这种有源蜂鸣器都是使用压电陶瓷作为发声单元的,内部使用振荡电路来驱动,又分为连续声和断续声两种。
000 三种压电式蜂鸣器.jpg
001 三种压电式蜂鸣器.jpg

下面拆之并分析电路。
一、拆TDT-3015A压电式蜂鸣器(连续声),并通过仿真分析发声电路
二、拆SFM-27型-II电子蜂鸣器(断续声),并通过仿真分析发声电路
三、拆ZMQ-2724型电子蜂鸣器(短续声),并通过仿真分析断续电路
四、振荡电路的振荡条件及简单判断

一、拆TDT-3015A压电式蜂鸣器

(一)拆

外形及正反面
000.jpg

电压范围是直流3—24V拆开,压电陶瓷,与某些固定电话机内的振铃发声单元一样的
001 HTD.jpg

主板,就是振荡电路
001 主板.jpg

电路图
002 YDT-27 电路.jpg

(二)主要波形

使用一节锂电池供电Q1的B极波形
003 YDT-27 Q1 be波形.jpg

Q2的C极波形
004 YDT-27 Q2 c波形.jpg

压电陶瓷两端的波形
005 YDT-27 HTD波形.jpg

二极管D1两端的波形
006 YDT-27 D波形.jpg


(三)仿真分析

电路如下:
01 电路.jpg

压电陶瓷蜂鸣器的模型及参数如下
02 HTD.jpg
03 HDC参数.png

Q1和Q2及压电陶瓷组成正反馈电路,压电陶瓷(HTD)在电路中主要相当于一个电容。以下将压电陶瓷称为电容C0。仿真电路使用3V供电,对Q1的基极b、集电极c和Q2的集电极c、基极b进行波形采集。
04 波形测试.jpg

测得各点波形如下:
05 波形.jpg

从仿真波形看,上电后,有4个关键时间点。第一个时间点又分为上电一瞬即的时刻0和进入振荡后的第一个转换点:时刻1。
时刻0:上电后的瞬间电路状态是,Q1弱导通,Q2导通,D1弱导通,C0反充电(+-)。
06 时刻0 Q.jpg

电路上电后,Q1和Q2的BE结偏置都是通过R1分压得到的,但由于Q1的BE结又通过了一个二极管D1进行压降,比Q2通过一个百欧姆级的电阻得到的电压略低一点,所以,Q2先导通,此时Q1的C极电位高于Q2的C极电位。如果没有(压电陶瓷内的)电容C0,电路将一直保持这个状态,不能产生振荡。由于电容C0的存在,上电后C0(电容两端电压不能突变)将瞬间拉低Q1的B极电位,并通过R1、D1及Q2的CE结进行微弱的反向充电,极性为左+右-。

时刻1:电路转换为Q1饱和导通,Q2截止,D1截止,C0正向充电(-+)
07 时刻1 Q.jpg

随着C0的充电,Q1的B极电位被抬高,其电位会被叠加上Q2的CE结的饱和压降,使Q1加大导通量,其C极电位下降,D1截止;同时通过R3拉低Q2的B极位,Q2向截止过渡,Q2的C极电位上升,C0开始正向充电,极性为左-右+。进一步拉高Q1的B极电位,使其迅速饱和。Q2迅速截止。

时刻2:电路转换为Q1截止,Q2导通,D1弱导通,C0放电(-+)
08 时刻23 Q.jpg

随着C0的充电,在即将充满时,Q1的B极电位将逐渐下降,Q1由导通向截止过渡,Q1的C极电位逐渐升高,D1开始导通,Q2的B极电位也随之逐渐上升,开始导通,Q2的C极电位开始下降,当下降到与电容电压一致时,电容停止充电。电容停止充电时,Q1的B极电位回到低于Q2的B极状态,Q1进入放大区,Q2导通,通过C0(电容两端电压不能突变)瞬间拉低Q1的B极电位,使其迅速截止;同时D1导通。C0通过R2、R1、D1开始放电,极性是左-右+。

时刻3:电路转换为Q1弱导通,Q2导通,D1截止,C0反向充电(+-)当C0放电结束,Q1的B极的电位开始上升,进入微弱导通状态,将Q1的C极电位升高,D1有微弱的导通,C0又开始通过R1、D1及Q2的BE结进行微弱的反向充电,极性为左+右-。

时刻4:电路转换为Q1饱和导通,Q2截止。与时刻1相同。
09 时刻4 Q.jpg

之后电路进入振荡。Q1、Q2、D1及HTD的波形如下:
10 关键波形.jpg

各阶段的状态如下:
image.png

可见影响电路振荡频率是C0的充放时间,改变C0的大小可以改变电路的振荡频率。

C0取不同的值时行仿真的结果如下:
11 C0改变.jpg
R1与R2也影响C0的充放电时间,同时也会影响占空比。


二、拆SFM-27型-II电子蜂鸣器

(一)拆电路板
00 SFM-27-II.jpg

标上元件号
01 SFM-27-10.jpg

电路如下
03 电路图 .jpg

(二)主要波形
使用一节锂电池供电,对发声部分电路测试
03 电路图 两部分 .jpg

压电陶瓷两端的波形
04 SFM-27 HTD波形.jpg

Q1的C极波形
05 SFM-27 Q1C波形.jpg

Q2的B极波形也是二极管D1两端的波形
06 SFM-27 Q2be结(D1)波形.jpg

发声部分等效电路如下
07 电路图 等效.jpg


(三)仿真分析

电路如下:
08 仿真电路.jpg

仿真电路使用3V供电,对Q1的基极b、集电极c和Q2的基极b进行波形采集。
测得各点波形如下:
09 仿真 00.jpg

在一个振荡周期中,也从4个关键点进行分析。时刻0:电路状态为Q1饱和导通、Q2微弱导通,D1截止。
10 仿真 00 无HTD.jpg

Q1与Q2都是通过R1时行偏置,但Q2又多了一个R2进一步降压,所以Q1先导通,是饱和导通。Q2后导通,是弱导通。若电路中没有HTD中的电容C0(以下将HTD称为C0),电路将一直为此状态。此时D1截止,C0通过R1、R2、Q1进行反向充电,极性为左+右-。

时刻1:电路转换为Q1截止、Q2饱和导通、D1截止、C0正充电(左-右+)
11 仿真 01.jpg

这个时刻再放大
11 仿真 01D.jpg

随着C0反充电,Q2的B极电位逐渐升高,导通量也逐渐增大,Q2的C极电位逐渐升高,Q1退出饱和,Q1的C极电位也逐渐升高,这个电位又通过C0(电容两端电压不能突变)叠加到Q2的B极,使Q2迅速进入饱和导通,Q1的B极电位迅速下降,Q1迅速截止。此时D1截止,C0通过R3、Q2时行正向充电(左-右+)。

时刻2:电路转换为Q1饱和导通、Q2截止、D1导通、C0放电(左-右+)
12 仿真 02.jpg

这个时刻再放大
12 仿真 02D.jpg

随着C0的充电,Q2的B极电位逐渐下降,在快充满时,Q2退出饱和,其C极(也就是Q2的B极)电位开始上升,Q1开始弱导通,当达到Q1进入放大区时,Q1迅速导通,Q1的C极电位迅速下降,(C0两端电压不能突变)Q2的B极电位也迅速下降,Q2截止,Q2的C极电位迅速上升,加速Q1饱和导通。Q1饱和导通后,C0会将Q2的B极电位拉为负值,D1导通。C0通过Q2、D1放电,极性为左-右+。

时刻3:电路转换为Q1饱和导通、Q2截止、D1截止、C0反充电(左+右-)
13 仿真 03.jpg

放大波形
13 仿真 03D.jpg

随着C0的放电,当C0放电结束时,Q2的B极电位为Q1的CE结饱和压降的电压电平,此时,Q2截止、D1截止。C0又通过R1、R2、Q1进行反向充电,极性变以左+右-。

时刻4:与时刻1相同。
14 仿真 04.jpg

此后,电路经时刻1至3重复运行,形成振荡。各时刻电路转换后的状态如下:
image.png

C0的状态如下(蓝色),
15 仿真 C0.jpg

电路中的D1作用是加速C0的放电,使波形的后(下降)沿变得更陡。或没有D1,电路也能振荡,只是C0的放电时间变得较长些,振荡频率变低些。对比如下:
16 仿真 有无D的HTD波形.jpg


(三)有无二极管D1的实际波形对比

有无D1时压电陶瓷两端的波形对比
17 SFM-27 有无D HTD波形.jpg

有无D1时Q1的C极的波形对比
18 SFM-27 有无D Q1C波形.jpg

有无D1时Q2的B极的波形对比
19 SFM-27 有无D Q2be结(D1)波形.jpg

与仿真差不多,无D1时,振荡频率变低了。


三、拆ZMQ-2724型电子蜂鸣器

(一)拆解
标称电压是直流6-24V
001.jpg

比另外两咱略高一些,而且没有倒相发声孔。
002.jpg

电路板
003 ZMQ-2724A电路板.jpg

电路与前面的断续声的基本是一样的。
004 电路图 .jpg

最低工作电压3V也是应该可以的。丝印J3的三极管是9013,Vceo大约25V,按铭牌标的最高使用24V电压有点悬。前面的断续里使用的是(L6)2SC1623,Vceo大约50V,使用24V电压是没有问题的。这种驱动压电陶瓷发声的电路,电压越高,声音(响度)就越大。也是两部分电路组成:发声(高频率)部分和断续(低频率)部分。
004 电路图 两部分.jpg

前面分析过发声部分的电路了,低频率开关部分
005 断续电路 Q4当开关.jpg


(二)仿真电路波形

仿真电路如下
006 仿真电路.jpg

仿真时,电路的启动时间较长,需要十几秒,实际电路则是很快。
波形如下
007 仿真波 000.jpg

也可以从四个关键点对波形分析
007 仿真波 001.jpg

时刻1:Q4由导通变为截止,Q3由弱导通变为饱和导通。发声部分电路不工作。
008 仿真波 01.jpg

时刻2:Q4由截止变为饱和导通,Q3饱和导通变为截止。发声部分电路工作
009 仿真波 02.jpg

时刻3:Q4导通,Q3开始向导通转变。电容两端电压过“零”。发声部分电路工作
010 仿真波 03.jpg

时刻4:(回到时刻1)Q4由导通变为截止,Q3由弱导通变为饱和导通。发声部分电路不工作。
011 仿真波 04.jpg

电路如此工作下去,形成振荡。实际波形脑补吧。
将电路中的充放电电容改大一些,断续的频率是低了一些
20 SFM-27 C1.jpg

由原来的4.7uF改为了10uF
21 SFM-27 C1.jpg


四、振荡电路的振荡条件及简单判断

(一)概念及条件
不需要外加信号就能自动地把直流电能转换成具有一定振幅和一定频率的交流信号的电路就称为振荡电路。
01 振荡形成.jpg

上图中,基本放大器输出的一部分经过反馈又加到输入,当满足一定条件时,去掉电路的输入仍然有稳定的输出,这时就有振荡输出了。一个振荡电路包括三部分:放大器、正反馈电路和反馈(选频)网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是同相位的,只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率能通过,使振荡器产生单一频率的输出。
02 振荡条件.jpg

上面的公式说明振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的:
一是位平衡条件:振荡器的相位条件是指回路的相移为360度或整数倍的360度。只有当输出信号与输入信号相位差为整数倍的360度时,才能形成持续的振荡。也就是必须保证是正反馈。

二是振幅平衡条件:反馈电压Uf和输入电压Ui的幅值要相等。振幅平衡条件往往容易做到,所以在判断一个振荡电路能否振荡,主要是看它的相位平衡条件是否成立。

(二)简单的判断
看两个简单的例子:
04 单管负反馈.jpg

上图是一个基本的NPN共射放大电路,就是一个反相放大电路,若引入如上的反馈,则是引入了一个与输入相位相反的反馈,是一个负反馈,所以电路不能形成振荡。
05 双管正反馈.jpg


上图中是两个NPN管组成的直接耦合的共射放大电路,Q7的输出相位与Q6的输入相位是同相位的,若引入如上的反馈,就形成了一个正反馈电路,可以形成振荡。


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发表于 2024-4-16 12:12:40 | 显示全部楼层
这是用科学的方法照顾家里的老人,给孝顺的jf点赞

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发表于 2024-4-16 12:24:24 | 显示全部楼层
围观玩电路图的大佬,要不啥时候闲着帮我抄个鼠标板子?

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发表于 2024-4-16 12:47:36 | 显示全部楼层
这些蜂鸣器,拆的很仔细,讲解的很透彻清楚,坛友真是用心去完成了每一次的拆解,佩服佩服。

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发表于 2024-4-16 12:52:32 | 显示全部楼层
讲解的很透彻清楚

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发表于 2024-4-16 13:26:07 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
前排围观哈哈

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发表于 2024-4-16 13:39:42 | 显示全部楼层
讲解的很透彻清楚

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发表于 2024-4-16 13:46:02 | 显示全部楼层
很详细后排搬小板凳学习一下~

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发表于 2024-4-16 15:21:24 | 显示全部楼层
谢谢楼主详细的讲解。

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发表于 2024-4-16 16:31:49 | 显示全部楼层
就是喜欢这样的帖子,加入淘贴

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发表于 2024-4-16 17:13:12 | 显示全部楼层
楼主分析的很全面,学习了!

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发表于 2024-4-16 18:52:39 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
这个很厉害了,现点攒,晚上回去了电脑上看,手机看太麻烦了

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发表于 2024-4-16 19:49:19 | 显示全部楼层
厉害了我的楼主

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发表于 2024-4-16 20:25:23 | 显示全部楼层
谢谢分享,图文并茂,讲解的很详细。

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发表于 2024-4-16 21:54:12 | 显示全部楼层
给楼主的细致分析和共享态度点个赞

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发表于 2024-4-16 23:33:45 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
谢谢楼主的讲解。

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发表于 2024-4-16 23:34:23 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
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发表于 2024-4-17 06:57:38 | 显示全部楼层
讲解的好详细,还贴心的配图。直观明了。

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发表于 2024-4-17 07:31:14 | 显示全部楼层
经典的教科书式讲解,谢谢楼主!

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发表于 2024-4-17 08:20:32 | 显示全部楼层
讲解的很透彻清楚,多谢分享

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