如何驱动压电蜂鸣器及驱动电路原理

上一回我们介绍了压电蜂鸣器的原理与制程，并说明了电声组件对空气的「阻抗转换」观念。这回我们要探讨如何驱动压电蜂鸣器以及驱动电路上该注意的事。

驱动一个电容器

我们上次说过，压电蜂鸣器从结构上来看，它就是一个电容器：两片电极中间夹着不导电的陶瓷。如果不考虑线性度，而只需要够大的电流来驱动传统的电磁扬声器，我们通常可以这样做：

电磁扬声器是一个直流电阻很小的电感性组件，因此我们可以轻易地用一颗晶体管控制电流流过它，来驱动它发声，但如果我们直接把上面那个电路中的电磁扬声器换成压电蜂鸣器：

这个电路是行不通的。

最主要的原因是，压电蜂鸣器是一个电容性的负载，上面这个电路只能对这个电容器充电，却不能帮它放电，因此电荷会一直累积在压电蜂鸣器的电容上，导致压电材料上面的电场一直都维持在同一个大小，没有变化，它就不会震动了。

如果我们直接用三用电表的电阻档去量压电蜂鸣器，可以发现它的电阻是无限大：

除了当探棒刚接触上去的那一瞬间时电阻档会有一点读值之外，接下来量出来的电阻都是无限大，也就是说它对 DC 来说是不导通的，而探棒刚接触上去时，之所以会有读值，是因为它的电容器里面还没有电荷时，电表的电阻档测量用的微小电流对它充电所造成的，但是当压电蜂鸣器的电容充饱后，就没有电流可以流过去了，因此它的 DC 电阻也就变成无限大。

双向驱动电路

要驱动压电蜂鸣器，驱动电路就要能对它充电、放电，因此如果要用晶体管来做，这个电路就会像这样：

这种驱动电路有个名字，叫做 totem pole driver，因为它上下对称的形状看起来像是长翅膀的图腾柱。

当来自前面的驱动讯号为 high 时，NPN 晶体管 Q1 导通，对压电蜂鸣器充电，建立它上面的电场，而当来自前面的驱动讯号为 low 时，PNP 晶体管 Q2 导通，压电蜂鸣器上的电荷透过 Q2 被放掉，压电材料上的电场消失；因为这个电路可以 source（流出）电流，也可以 sink（流入）电流，因此我们说它是一个双向（bi-directional）的驱动电路。

其实类似的驱动电路常常被用在驱动电容性的负载，像是很大颗的 power MOSFET，因为它的闸极电容很大，如果逻辑电路的输出没有足够的电流能力直接驱动它，就会搭配这样的驱动电路来驱动。

规格解读

我们来看一个实际的压电蜂鸣器规格书。

这是被动组件厂商 Murata 的压电蜂鸣器产品线之一的型号列表，可以看到这一系列有许多型号，这么多型号的主要差别是尺寸，以及有没有焊接好导线。表中 7BB 开头的都使用黄铜做为金属片，只有最后一个 7NB 开头的型号是使用镍合金做为金属片，这两者从外观上也可以很容易区别：黄铜是金色的，而镍合金是银色的。

表中的第一个数字是这个压电蜂鸣器的共振频率，如果用这个频率驱动它的话，效率会最好、发出的声音最大。人耳虽然可以听到 20 Hz-20 KHz 的频率，但最敏感的范围落在 2 KHz-4 KHz，因此大部分的压电蜂鸣器也都设计在这个频率下工作。

表中第二个参数是它在共振频率时的阻抗，单位是奥姆。由这个数字我们可以算出，在共振频率要驱动它时，会需要多少电流。举个例子来说，以表中第三颗 7BB-20-3 来说，它的共振频率是 3.6 KHz，在共振频率之下的阻抗是 500 ohm，如果我们用 3.6 KHz、RMS 3V 的正弦波去驱动它，流过它的 RMS 电流就会是 3V / 500 ohm = 6 mA，这时我们就要确定驱动电路可以提供最少 6 mA 的电流，才能把这个压电蜂鸣器驱动到最大的功率。

我们上次说过，为了增加压电蜂鸣器驱动空气的效率，可以在它外面加个塑料壳把空气限制在压电陶瓷面的附近、提升能量的传递效率，于是大部分的压电蜂鸣器厂商也都有出这种带有塑料壳的压电蜂鸣器：

这种压电蜂鸣器有个名字叫「cavity type」，那个塑料壳是一个「caivity」（空腔），它的体积、形状会影响压电蜂鸣器的共振频率与频率响应，因此 cavity type 的压电蜂鸣器规格书上通常可以给出像这样的频率响应图：

这个图的横轴是频率，纵轴是在 1.5 V 的方波驱动下所产生出来的声压，也就是音量，这是在距离蜂鸣器 10 公分的距离所测量到的音量，单位是分贝；可以看到，压电蜂鸣器在不同频率下发出的音量大小有很大的变化，而且在 500 Hz 以下的低频音量非常小。

低频的音量之所以会比较小，除了受限于蜂鸣器本身震动面积的大小外，驱动的效率低落也是一个主要的原因。对于电容性的负载，低频的容抗相对会比较大，因此同样的电压驱动下，低频时流过的电流会比较小，传递到压电蜂鸣器的能量就比较小，音量自然比较小。

由于不同频率的音量也有蛮大的落差，压电蜂鸣器其实并不适合拿来播放音乐，因为不同音高的声音大小差距很大，听起来会有音量忽大忽小的问题，但如果只用它们来发出单一频率的声音，如提醒或是警示声，效果则还不错，尤其是在很小的体积里达到相当大的音量，这是电磁扬声器很难做到的。以上面那颗 PKM22EPPH4007 来说，它在 4 KHz 时用 1.5 V

驱动就可以达到 95 分贝的音量（95 分贝是一个你很难忽略掉的音量，当然这是距离 10 公分处所量到的音量，实际的声压会随着距离而递减）。

正压电效应

将电场转换为机械能的现象叫做「逆压电效应」，而这正是压电蜂鸣器运作的原理，而另一个方向、将机械能转换为电荷的「正压电效应」也同时存在于压电蜂鸣器上；也就是说，如果你对压电蜂鸣器施加力量，它会产生电荷，而在上面产生让你可以测量到的电压。

咦？那这样的话，压电蜂鸣器不就可以拿来当麦克风了吗？Yes and no。理论上它确实可以将震动转换为电讯号，但还有许多其它因素，让它不是一个好的麦克风组件，却可以用来侦测其它类型的机械讯号。