蜂鸣器是电路设计中常用的器件,广泛用于工业控制、机房监控、门禁控制、计算机等电子产品,作为预警发声器件。然而很多人在设计时往往随意设计,导致实际电路中蜂鸣器不发声、轻微发声和乱发声的情况发生。


蜂鸣器(Buzzer)是一类常见的电声器件,具有结构简单、紧凑、体积小、重量轻、成本低等优点,发声范围一般有数百 Hz 到十几 kHz,广泛应用于各种电子设备当中(空调、洗衣机、电脑等内部都有蜂鸣器)。蜂鸣器在电路中电路图形符号用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。
 

下面我们介绍最常用的两类蜂鸣器:有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。


从驱动方式分类,有源驱动和无源驱动,有源蜂鸣器又称为直流蜂鸣器,其内部已经包含了一个多谐振荡器,只要在两端施加额定直流电压即可发声,具有驱动、控制简单的特点,但价格略高。无源蜂鸣器又称为交流蜂鸣器,内部没有振荡器,需要在其两端施加特定频率的方波电压(注意并不是交流,即没有负极性电压)才能发声,具有可靠、成本低、发声频率可调整等特点。


有源蜂鸣器与无源蜂鸣器有什么区别:这里的“源”不是指电源,而是指震荡源。也就是说,有源蜂鸣器内部带震荡源,所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源,所以如果用直流信号无法令其鸣叫,必须用 2K~5K 的方波去驱动它。有源蜂鸣器往往比无源的贵,就是因为里面多了个震荡电路。



图 7.22 蜂鸣器


下面我们从 EasyARM-i.MX283 开发套件入手,就 3.3V NPN 三极管驱动有源蜂鸣器设计,从实际产品中分析电路设计存在的问题,提出电路的改进方案,使读者能从小小的蜂鸣器电路中学会分析和改进电路的方法,从而设计出更优秀的产品,达到抛砖引玉的效果。



图 7.24 错误接法 1


图 7.24 为典型的错误接法,当 BUZZER 端输入高电平时蜂鸣器不响或响声太小。当 I/O 口为高电平时,基极电压为 3.3/4.7*3.3V≈2.3V,由于三极管的压降 0.6~0.7V,则三极管射极电压为 2.3-0.7=1.6V,驱动电压太低导致蜂鸣器无法驱动或者响声很小。



图 7.25 错误接法 2


图 7.25 为第二种典型的错误接法,由于上拉电阻 R2,BUZZER 端在输出低电平时,由于电阻 R1 和 R2 的分压作用,三极管不能可靠关断。



图 7.26 错误接法 3


图 7.26 为第三种错误接法,三极管的高电平门槛电压就只有 0.7V,即在 BUZZER 端输入电压只要超过 0.7V 就有可能使三极管导通,显然 0.7V 的门槛电压对于数字电路来说太低了,在电磁干扰的环境下,很容易造成蜂鸣器鸣叫。



图 7.27 错误接法 4


图 7.27 为第四种错误接法,当 CPU 的 GPIO 管脚存在内部下拉时,由于 I/O 口存在输入阻抗,也可能导致三极管不能可靠关断,而且和图 7.26 一样 BUZZER 端输入电压只要超过 0.7V 就有可能使三极管导通。
 


图 7.28  NPN 三极管控制有源蜂鸣器常规设计


图 7.28 为通用有源蜂鸣器的 NPN 三极管控制有源蜂鸣器常规设计驱动电路。电阻 R1 为限流电阻,防止流过基极电流过大损坏三极管。电阻 R2 有着重要的作用,第一个作用,R2 相当于基极的下拉电阻,如果输入端悬空则由于 R2 的存在能够使三极管保持在可靠的关断状态,如果删除 R2 则当 BUZZER 输入端悬空时则易受到干扰而可能导致三极管状态发生意外翻转或进入不期望的放大状态,造成蜂鸣器意外发声。第二个作用,R2 可提升高电平的门槛电压。如果删除 R2,则三极管的高电平门槛电压就只有 0.7V,即 A 端输入电压只要超过 0.7V 就有可能导通,添加 R2 的情况就不同了,当从 A 端输入电压达到约 2.2V 时三极管才会饱和导通,具体计算过程如下:


假定β=120 为晶体管参数的最小值,蜂鸣器导通电流是 15mA,那么集电极电流 IC=15mA,则三极管刚刚达到饱和导通时的基极电流是:
 


流经 R2 的电流是:
 


流经 R1 的电流:
 


最后算出 BUZZER 端的门槛电压是:
 


图 7.28 中的 C2 为电源滤波电容,滤除电源高频杂波。C1 可以在有强干扰环境下,有效的滤除干扰信号,避免蜂鸣器变音和意外发声。在 RFID 射频通讯、Mifare 卡的应用中,这里初步选用 0.1uF 的电容,具体可以根据实际情况选择。


在 NPN 3.3V 控制有源蜂鸣器时,在电路的 BUZZER 输入高电平,让蜂鸣器鸣叫,检测蜂鸣器输入管脚(NPN 三极管的 C 极)处信号,发现蜂鸣器在发声时,向外发生 1.87KHZ,-2.91V 的脉冲信号,如图 7.29 所示。
 


图 7.29 蜂鸣器自身发放脉冲
 

在电路的 BUZZER 输入 20Hz 的脉冲信号,让蜂鸣器鸣叫,检测蜂鸣器输入管脚处信号,发现蜂鸣器在发声时,在控制电平上叠加了 1.87KHz,-2.92V 的脉冲信号,并且在蜂鸣器关断时出现正向尖峰脉冲(≥10V),如图 7.30 所示。



图 7.30 蜂鸣器自身发放脉冲
 

图 7.30 中 1.87KHz,-2.92V 的脉冲信号应该是有源蜂鸣器内部震荡源释放出来的信号常用有源蜂鸣器主要分为压电式、电磁震荡式两种,i.MX283 开发板上用的是压电式蜂鸣器,压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成,而多谐震荡器由晶体管或集成电路构成,我们所用的蜂鸣器内部含有晶体管震荡电路(有兴趣的朋友可以自己拆开看看)。


有源蜂鸣器产生脉冲信号能量不是很强,可以考虑增加滤波电容将脉冲信号滤除。消除蜂鸣器 EMI 辐射后改进电路图如图 7.31 所示,在有源蜂鸣器的两端添加一个 104 的滤波电容后,脉冲信号削减到 -110mV,如图 7.32 所示,但顶部信号由于电容充电过慢,有点延时。
 


图 7.31  NPN 有源蜂鸣器控制电路改善后电路图



图 7.32 减少蜂鸣器自身发放脉冲