Problemas con el circuito piezoeléctrico

En mi circuito veo un comportamiento extraño de mi piezoeléctrico. Estoy manejando un zumbador piezoeléctrico de 4Khz ( TDK PS1240P02BT ) con un FET de mejora de nivel lógico de canal N BSS138K . La salida PWM de mi microcontrolador (PIC18) está conectada directamente a la puerta del transistor con un menú desplegable de 100K Ohm también conectado a la puerta. El piezoeléctrico PS12 tiene una resistencia de 1K Ohm en paralelo tal como lo recomienda la hoja de datos. El voltaje que impulsa el piezoeléctrico es de 12 V y el voltaje de la puerta es de 3,3 V.

Circuito:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Editar: simulación potencial agregada con los diodos de sujeción sugeridos por Olin: simulación

Los problemas que veo son los transistores que mueren, el volumen piezoeléctrico que cae durante los tonos más largos y el piezoeléctrico que no funciona durante un tiempo después de tocar, y luego vuelve a funcionar después de "descansar" por un tiempo.

Tengo un par de preguntas:

  1. ¿Alguna idea de por qué los transistores están muriendo? No parece estar haciendo demasiado calor.

  2. ¿Hay alguna manera de determinar la impedancia del piezoeléctrico? No parece estar listado en la hoja de datos. Intenté modelar el circuito, pero es difícil hacerlo con precisión cuando se desconoce la capacitancia del piezoeléctrico. Observé picos de corriente mucho más altos de lo esperado al usar valores de ~100nF.

  3. La hoja de datos enumera el piezoeléctrico en 3.3VP-P, pero dice que puede tolerar hasta 30V sin polarización de CC. ¿Ejecutar esto a través de 12V va a destruir el piezoeléctrico?

  4. En general, ¿se necesitan resistencias limitadoras de corriente y diodos de retorno para los controladores piezoeléctricos y, de ser así, cómo se calcula el valor de la resistencia?

  5. Finalmente, aparte, ¿sobreviviría el piezoeléctrico en un entorno automotriz (mis problemas actuales ocurren en el banco con un suministro regulado), por ejemplo, los transitorios de voltaje destruirían rápidamente el piezoeléctrico?

Seria genial que pusieras los esquemas..
Oh, vamos @abdullah, son solo 4 componentes que explicó: FET, resistencia, piezo, resistencia. Ni siquiera tienes que dibujar eso para imaginarlo.
El circuito se describió razonablemente bien, pero aún es bueno tener un esquema para mostrar el circuito explícitamente sin agitar la mano.
@stevenvh, sí, voté a favor de la pregunta. Pero, con los esquemas sería mejor, ¿no? :)

Respuestas (3)

Los elementos piezoeléctricos pueden parecer bastante inductivos para el circuito. También pueden producir altos voltajes a partir de descargas externas. Algunos encendedores de barbacoa producen una chispa eléctricamente golpeando un piezoeléctrico, por ejemplo.

El problema es que uno o ambos de estos efectos están causando un alto voltaje que está quemando su transistor. Asegúrese de que haya diodos inversos a tierra y alimentación para proporcionar una ruta segura para cualquier corriente que de otro modo podría causar un alto voltaje. Los diodos Schottky serían buenos en este caso ya que son rápidos y sus voltajes son bajos.

El BSS138K parece incluir un diodo, ¿no es suficiente?
@Pregunta: No, el diodo del cuerpo FET podría funcionar como diodo de abrazadera a tierra, pero aún necesita un diodo de abrazadera a 12 V.
He agregado una simulación potencial del circuito a la pregunta original.
todos los xtals tienen un elemento inductivo enorme pero en serie con una capacitancia de movimiento débil, pensé
No creo que estuviera golpeando su unidad piezoeléctrica, por lo que el efecto de arco BBQ no es probable y el modelo de los valores piezoeléctricos no se ajusta a un arco inductivo. Aunque la capacitancia de movimiento crea un arco con el gran circuito equivalente de la inductancia. Aunque suena razonable, simplemente no estoy de acuerdo y no explica la temperatura. falla/recuperación o problemas de calentamiento.

Los FET se encienden más rápido y tienen una resistencia de encendido de estado estable más baja a un voltaje de accionamiento de compuerta más alto. Cuando los FET se encienden con demasiada lentitud o tienen una resistencia de estado estable demasiado alta, o ambas cosas, pueden calentarse y fallar.

Lo primero que intentaría es: agregar algo entre la CPU y el FET para convertir la salida digital de la CPU (0 V y 3,3 V, ¿verdad?) a un voltaje más alto, quizás de 0 a 5 V; o 0 a 12 V, y aplique ese voltaje más alto a la puerta del FET. Tal vez algo como:

         +12V   +12V +12V
          |      |    |
          R2     R1   piezo
          |      |    |
          +--+   +-R3-+
CPU ----|[Q2 +-|[Q1
          |      |
         GND    GND

donde comenzaría con R1 como 1 KOhm recomendado, y R2 y R3 quizás 100 Ohm. (Hay otros controladores piezoeléctricos más eficientes y circuitos de controladores FET disponibles. Muchos controladores piezoeléctricos reemplazan R3 con un inductor).

Lo siguiente que revisaría es la fuente de alimentación. Los piezoeléctricos ultrasónicos son conocidos por extraer más energía de la que la gente espera, arrastrando las líneas eléctricas, donde el bajo voltaje de la fuente de alimentación provoca reinicios de la CPU y otros problemas inesperados.

He notado que los dispositivos piezoeléctricos con el oscilador incorporado impulsado por CC pueden tener una clasificación tan baja como 2 ~ 9 V CC. Sin embargo, ¿lo está conduciendo a 12 V CC y luego a 14,4 V CC +/-?

Estos probablemente se manejan en resonancia en un circuito equivalente de oscilador Colpitts clásico. Sin embargo, NO lo está conduciendo al nivel recomendado, que es Voltaje de entrada = 3 V [Vo-p] [Onda rectangular].

Ahora sabe que el efecto piezoeléctrico es recíproco, como lo sugiere el iniciador de barbacoa de Olin. No pretendo conocer el efecto a largo plazo de DC en un cristal. Sé que hay una especificación máxima = Voltaje de entrada máximo 30V 0-P máx. [sin polarización de CC], lo que implica que el máximo se reduce "con polarización de CC", pero no se indica cuál es la polarización de CC máxima.

Mi sugerencia es enviar un informe detallado al soporte técnico de TDK a través de su distribuidor para asegurarse de que reciba la atención adecuada.

Para obtener la mejor confiabilidad para las necesidades automotrices, evitaría el sesgo de CC. El mejor circuito para generar esto es usar dos inversores CMOS para controlar el dispositivo con ondas cuadradas invertidas y una resistencia de 1K en el medio. El uso de tapas de filtro Colpitts puede combinar la condición resonante de retroalimentación positiva. Con resistencias de polarización automática de 10 MΩ en retroalimentación para cada inversor, es posible que pueda controlar el dispositivo con CC cero y 24 V pp o 12 V en funcionamiento a la frecuencia fundamental autorresonante de 4 KHz (desplazamiento a 5 KHz) o, si no tiene suerte con los inversores con búfer, obtenga el sobretono modo. :(

Si realmente necesita un esquema ... haga uno (2 inversores, 3 resistencias 1M, 1M, 1K, 2 tapas pequeñas, 1 cristal (también conocido como dispositivo piezoeléctrico) ... o pregunte ...

La impedancia del cristal se puede obtener con un generador de barrido de tonos en un osciloscopio con una resistencia fija para medir la corriente frente al voltaje en modo XY. o use una base de tiempo con un método envolvente de barrido para picos máximos como se muestra a continuación.

la potencia debe ser milivatios, por ejemplo. ~100 mW. no es suficiente para freír Q1

La razón por la que su controlador puede estar calentándose es que la carga capacitiva hace que el área de operación segura (SOA) sea invadida por una caída de potencia transitoria de alto V*I en el transistor que reduce la ganancia (transconductancia directa gFS) con la temperatura. , luego deja de hacer sonido y luego se enfría y se recupera con unos minutos constantes de tiempo. ¿Qué tan conveniente es la alarma? alarma ciclismo ..ha.

Asegúrese de que la señal sea una onda cuadrada en ambos inversores de mi diseño. deshazte de nuestro Q1 con el interruptor de voltaje de ultra alta velocidad, obtienes picos de corriente ultra "altos". Ic=C dv/dt. Debería poder controlar esto con 2 inversores CMOS con 5V. Cualquier cosa más y la gente puede estar poniendo cinta adhesiva sobre el agujero.... :)

TDK piezoeléctrico 4kHz 12 mm de diámetro.

¡Debería mostrarse todo el esquema del controlador!, pero mi mejor consejo ya está basado en algunas suposiciones. Si realmente quiere sacar a la gente del automóvil... condúzcalo con un interruptor bang bang con inductor para obtener un pico de alto voltaje o use un transformador automático elevador y obtenga 30 V de operación sin polarización de CC. Considere 2 controladores 'HC04 o equivalentes. Necesitará protección adicional para uso automotriz.

Volviendo a leer la letra pequeña de TDK.... "No aplique polarización de CC al zumbador piezoeléctrico; de lo contrario, la resistencia de aislamiento puede bajar y afectar el rendimiento". es decir, cortocircuito... excepto que el diseño sugerido usa CC, pero probablemente solo 3 VCC, lo cual es seguro. Piense en ello como un arco a través de una cerámica de 100 µm de espesor... por lo tanto, implícito pero no declarado, no se recomienda para el uso de CC de más de 3 V CC, porque esto implica un defecto de cerámica y la empresa japonesa quiere salvar las apariencias y no ser demasiado claro. {:PAG)
¿Y "Si realmente necesitas un esquema... haz uno"? Sí, claro... ¿Por qué no dibujar un esquema de cómo sugieres que esté diseñado?
Admito que puse más experiencia y comentarios que quizás no aprecies, pero la conclusión es que di varias razones válidas para este problema. Uno es el exceso de CC, y luego expliqué por qué, porque el material tiene solo 100 um de espesor y el arco perforado puede provocar un cortocircuito. o los problemas térmicos de SOA debido a la falta de baja impedancia de la unidad... entonces sugerí una mejor solución. Si comprende los conceptos básicos, no se necesita más explicación, si no, no es posible una explicación simple. También expliqué 2 formas de medir la impedancia del dispositivo y mostré gráficos.
@FedericoRusso, eso está siendo demasiado agresivo. Mantengámoslo profesional. Tony, admitiré que esta respuesta podría mejorarse enormemente agregando un esquema. Solo recuerde que esta respuesta es principalmente para aquellos que encuentran esta pregunta más tarde a través de Google y solo por un breve momento se centró en las necesidades del cartel. Todos los usuarios podrían encontrar útil ese esquema.
@Kortuk: Aprecio que trates de mantenerlo en paz :-) y que hayas dejado el comentario (aunque editado). Pero en serio, sugerir si necesita un esquema para dibujar uno no es útil para nadie. (¡Y ni siquiera voté negativo! ;-))
@FedericoRusso, casi se garantiza que será útil para aquellos que ya sabían cómo resolver el problema. Creo que este punto ya se ha hecho sin embargo. Entiendo que se sienta fuertemente, vote que no está satisfecho con un voto negativo. Me gustaría ver un comportamiento menos elitista en el sitio y admito que esto está en el límite, si no completamente en el dominio de ser elitista. Detengamos la conversación aquí.
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