Piezo-Signalgeber an 24Volt mit 5V Digital-Ausgang ansteuern?

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo Allerseits,

wer kennt oder findet eine elektronische Hardware-Lösung für folgendes Problem:
Ein Piezo-Signalgeber soll wegen möglichst hoher Lautstärke an 24Volt betrieben werden. Das Rechteck-Frequenz-Signal zur Ansteuerung des Piezo-Signalgebers wird von einem Mikrocontroller bereitgestellt (PWM-Ausgang mit 1 - 2 kHz und 50% Tastverhältnis). Die Betriebsspannung des Mikrocontrollers beträgt 5Volt.

Welche Hardware könnte zwischen dem PWM-Ausgang des Mikrocontrollers und dem Piezo-Signalgeber geschaltet werden, damit die Ansteuerung funktioniert?

Danke für Eure Ideen!

Viele Grüße,
Hilarion

#2

Hallo1

reicht nicht eine einfache Verstärkerstufe bestehend aus einem Transistor und einem Widerstand, evtl. noch einem Koppelkondensator ?
Am Kollektor des Transistors den Piezosummer(Minusanschluss) der mit seinem 2. Anschluss an + 24 V geht. Emitter an Masse ( = minus 5 V und Minus 24 V. ? Und die Basis geht über Schutzwiderstand und Koppelkondensator an den einen Pol des Ausgangs (da wo der Piezo direkt dran sollte).

MfG
duck313

#3

Hallo,

ich möchte wetten, das der erwähnte Mikrokontroller nur ein 5V Netzteil besitzt…

Ich kann mich erinnern, dass, als ich noch selber aktiv bastelte, mir die Firma, deren Bauteile alle mit „MAX“ beginnen, ein Testmuster eines Stepup-Spannungswandlers schickte. Danach würde ich mal suchen. (Ja, ich weiß, dass das vage ist. Ich bastel aber seit bestimmt 25 Jahren nicht mehr mit Elektronik…)

Grüße
Pierre

#4

Das habe ich auch angenommen. Aber wer es laut haben will und folglich 24 V Piezo oder noch krasser eine Werkhallenhupe an 230 V damit ansteuern will muss doch sehen wie er diese Hilfsspannung ranschafft.

Er braucht also ein 24 V Netzteil (geringe Belastung, Piezos sind stromsparsam) oder er nimmt einen Step-Up-Wandler der von 5 V auf 24 V aufstockt. (Max… = Maxim ?

#5

Hallo duck313, hallo Pierre,

danke für Eure Antworten auf die ich wie folgt antworte:

1.) Die 24 Volt werden mittels Standard-Schaltregler erzeugt (MC34063), wobei der Strom für den Piezo nur ca. 2 mA beträgt wenn er aktiv wäre.

2.) Der Piezo-Signalgeber hat keine interne Elektronik die die Piep-Frequenz erzeugt, denn sonst könnte nur eine eine einzige Frequenz erzeugt werden. Die Piep-Frequenz liefert der Mikrocontroller, wobei es sich hierbei um ein PWM-Signal mit 5V Amplitude und 50 % Tastverhältnis handelt. Frequenz liegt zwischen 1 und 2 kHz.

3.) Ansteuerung des Piezo-Signalgebers mit einem Transistor (MOSFET):
Wenn ich den einen Pol des Piezo-Signalgebers (ohne interne Elektronik) an die 24Volt und den anderen Anschluß des Piezo-Signalgebers an das DRAIN des MOSFET anschließe, und den Source-Anschluß auf Masse lege (0V), und dann das GATE mittels PWM ansteuere, dann hat das leider den Effekt, dass der Piezo-Signalgeber mit 24Volt aufgeladen wird, aber während der Puls-pausen nicht mehr entladen wird. Es ist so, als ob man einen Kondensator mittels Transistor zwischen Plus und Masse schaltet. Bis auf eine kurze Aufladung passiert nichts mehr.

Es bräuchte eine Art Treiberschaltung mit push-pull Fähigkeit bis 25 Volt, die einen Steuereingang für 5V und 0V hat. Push-pull bedeutet, dass die Treiberschaltung an ihrem Ausgang zwischen 24V und 0V hin- und herschalten kann und somit den „Piezo-Kondensator“ komplett auflädt und wieder komplett entlädt.

Vielleicht kennt einer von Euch einen entsprechenden Treiberbaustein oder eine disktete Schaltung mit der die push-pull-Funktion erfüllbar ist.

Dankeschön!
Grüße, Hilarion

#6

Hi!

Kennst du eine H-Brückenschaltung?

Die sieht so aus, und wird meist zur Steuerung von Motoren genutzt:

image
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Ohne auf die Details einzugehen: Wenn T1 und T4 leitend sind, dann fließt Strom von links nach rechts durch den Motor. Und wenn T2 und T3 leitend sind, dann fließt der Strom von rechts nach links.

Es gibt auch „Halbbrücken“, die nur aus der linken Seite bestehen, da würde man die rechte Seite des Motors mit GND verbinden. Damit ist aber keine Richtungsumkehr möglich.

Jedenfalls gibt es zwei Probleme:

  1. Die unteren Transistoren kann man mit den 5V aus dem Microcontroller direkt ansteuern. Aber für die oberen braucht man ne Steuerspannung im Bereich der hohen Motorversorgungsspannung.
  2. Wenn zwei übereinander liegende Transistoren gleichzeitig leitend sind, hast du einen „Heißleiter“.

Jedenfalls gibt es das auch in ICs gegossen. Entweder nur die Ansteuerelektronik, wofür man noch die vier FETs in der Abbildung braucht, oder mit integrierten FETs. Stichworte sind Motorcontroller, Motortreiber, H-Bridge oder H-Brücke.

Denk dran: Mit so einer H-Brücke kannst du deinen Piezo mit nem Spannungshub von 48V (-24V <-> +24V) versorgen, das ist erheblich lauter, als 24V (0V <-> +24V)

#7

Elektrisch verhält sich der Piezo auch (ähnlich) wie ein Kondensator. Fürs erste kannst du ja mal einen Widerstand zur Entladung parallel zum Piezo schalten. Dann sollte aber sichergestellt sein, dass der MOSFET während der tonlosen Zeit nicht eingeschaltet ist.

#8

Danke für Eure Ideen!

Eine halbe H-Brücke wäre eine interessante Lösung mit push-pull-Fähigkeit: man schaltet den Piezo entweder zwischen Plus Ub und Mitte der Halb-Brücke, oder zwischen Mitte der Halb-Brücke und Masse. Die H-Transistoren sind jeweils abwechselnd leitend, so wird der Piezo-Piepser einmal mit 24V aufgeladen, und in der „Puls-Pause“ vom anderen Transistor kurzgeschlossen. Man bräuchte dazu jedoch einen Halbbrücken-Treiberbaustein, gibts natürlich zu kaufen, fragt sich nur wie teuer.

Die Idee mit dem Parallel-Widerstand ist zugleich sehr einfach und könnte die gewünschte Funktion erfüllen. Wenn der Stromverbrauch keine so große Rolle spielt, könnte man das so machen.

Ich habe mal im Internet nach Operationsverstärkern informiert: es gibt sogar welche die 35 V und mehr verkraften. Den kann ich als Komparator beschalten und dann direkt an den Mikrocontroller anschließen.

Ok, ich glaube nun habe ich genügend Anregungen und Ideen von Euch bekommen - vielen Dank!
Ich glaube ich werde die Lösung mit dem OP als Komparator wählen.

Schöne Grüße,
Hilarion

#9

Wie wäre es denn mit einer Freilaufdiode?

Push-Pull und H-Brücke braucht da kein Mensch, das ist mit Kanonen auf Spatzen geschossen.

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#10

Hallo sporadisch,

eine Freilaufdiode würde hier leider nicht viel bewirken, denn ein Piezo-Summer enthält keine Spule, und somit würde auch kein Freilaufstrom fließen.
Ein Piezo-Signalgeber ist eine kapazive Last mit einem recht hohen Parallel-(innen-)Widerstand (einige MOhm).

Mir ist jedoch folgende Idee gekommen, mit der das Problem gelöst wird:

grafik
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Funktionsweise:
PWM-HIGH-Puls:
MOSFET Q2 wird leitend --> Transistor Q1 sperrt --> Piezo-Signalgeber wird über D1 und Q2 zwischen +24V und Masse aufgeladen.

PWM-LOW-Puls:
MOSFET Q2 sperrt --> Transistor Q1 wird über R1 leitend --> Piezo-Signalgeber wird über Q1 entladen.

Die Diode D1 ist erforderlich damit Q1 leitend werden kann.

Viele Grüße,
Hilarion

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#11

Du hast völlig recht, was mir nach dem Posten auch aufgefallen ist. Leider hat mich die Löschfunktion nicht löschen lassen, obwohl ich sie mehrfach dazu aufgefordert habe.

#12

Ich habe da eine Blockade: Wie fließt denn dort ein Basisstrom? Gegen die negativ aufgeladene Seite vom Piezo? Könnte dann nicht eine Kombinatin aus R1 und Diode den selben Effekt haben? OK, die Entladung dieser Seite erfolgt dann nur auf ca. 23,4V, aber die Kapazität eines Piezo ist doch recht winzig, da sollte es keinen großen Unterschied machen, ob durch den Transistor kurzgeschlossen oder über R1 und D1 entladen wird.
R1 wird natürlich bei den positiven 5V Pulsen zum Heizwiderstand, so klein darf der nicht werden!

#13

Hallo X_Strom,

stimmt, man könnte den Transistor Q1 und die Diode D1 weglassen. Stattdessen würde man dann den R1 parallel zum Piezo-Signalgeber schalten, und dann Beide über Q2 nach Masse verbinden.

R1 müsste dann allerdings so niederohmig gemacht werden, dass der Piezo-Signalgeber während der PWM-Pausen fast vollständig entladen wird. Anschließend müsste man noch schauen, dass R1 beim Piepsen nicht zu heiß wird.

Konkrete Berechnung:
Ich habe gerade nachgesehen: der Piezo den ich hier verwende, hat eine Kapazität von 11nF. Wenn man diese Kapazität bei einer Frequenz von z.B. 2 kHz von 24V auf ca. 0,5V entladen haben möchte, müsste dies innerhalb von 250µs erfolgen (1/2000 kHz /2). Die Zeitkonstante zwischen 11nF und dem gesuchten Entlade-Widerstand R müsste also 250µs/5 = 50µs betragen. Der passende Widerstand dazu wäre dann 50µs/11nF = 4,5 kOhm. Bei 24Volt würden dann 5,28mA fließen. Im Widerstand würde dabei eine Verlustleistung von 0,13 Watt entstehen. Als SMD-Bauform würde man damit die Größe „1206“ mit 0,25W maximaler Verlustleistung wählen.

Zu Deiner Frage:
Der Basis-Strom fließt über R1 in den Transistor Q1, weil zwischen seinem Kollektor und Emitter die 24 Volt anliegen, auf die der Piezo-(Kondensator) aufgeladen wurde. Und sobald Q1 durch den Basis-Strom leitend wird, wird der Piezo-(Kondensator) auf ca. 0,7 Volt entladen (Basis-Emitter-Diodenspannung).

Schönen Gruß,
Hilarion

#14

Nunjaaaa, das ist auch immer eine Frage der Anforderung… Eine lautet „möglichst laut“. Mit ner H-Brücke erreicht man ne peak-to-peak-Spannung von 48V…

#15

Hallo sweber,

ich stimme Dir im Prinzip zu, dass man mit einer H-Brücke den Spannungshub sowohl positiv als auch negativ hat, d.h. insgesamt 2x Ub. Das Problem in diesem Falle ist jedoch, dass nicht jeder Piezo-Signalgeber für so eine hohe Spannung ausgelegt ist. Der von mir verwendete hält laut Datenblatt 20 Volt aus. Ist mit 24 Volt also schon etwas über beansprucht. Bisher gabs damit aber noch nie Probleme :sunglasses:

#16

Ja. Und mit jeder zweiten Umpolung betreibt man den Piezo verkehrtrum. Macht der das mit, ist das eine bipolare Type?

#17

Der geht deswegen auch nicht schlagartig kaputt, die Lebensdauer sinkt aber (überproportional).