česky english Vítejte, dnes je úterý 05. červenec 2022

Zapojení s miniaturními reproduktory aneb skvělý zvuk i v malém těle

DPS 5/2021 | Součástky - články
Autor: Jochen Neller, Anne Santhakumar, Rutronik

„Crrrr, crrrr“ − přesně tak se mohl ohlašovat příchozí hovor v době, kdy ještě byly všechny telefony připojeny pomocí kabelu. „Bim bam“ − tak zase dokázal zvonek u dveří hlásit příchod návštěvy. Dnes mají uživatelé na výběr bezpočet melodií a zvuků, třeba i těch přírodních. Něco takového je možné právě díky miniaturním reproduktorům se širokým kmitočtovým rozsahem. Slyšitelný způsob komunikace v podobě řeči nebo také hudby má v oblasti rozhraní člověk–stroj (HMI) stále větší význam. Výjimkou zde nejsou ani průmyslové aplikace. Slyšitelné signály či oznámení pak mohou vhodně doplnit vizuální indikátory, a to zvláště v případě, kdy potřebujeme sdělit informaci a na zařízení nemusí být zrovna vidět. V celé řadě aplikací nyní dostáváme na výběr z několika typů reproduktorů.

Obr. 1 řez (jpg)

Klasické reproduktory, označované též jako dynamické či magnetické, se v podstatě skládají z permanentního magnetu a kmitací cívky. Celou strukturu, společně s pevnou membránou vyrobenou z papíru, textilie či plastických hmot, poté chrání koš reproduktoru. Elektrické signály v cívce vytváří magnetické pole a způsobují kmitání membrány. Výsledkem jsou akustické signály, které již dokáže lidské ucho zaznamenat. Fyzická podstata takového druhu reproduktoru, zvláště pak s ohledem na úrovně SPL (sound pressure level) si žádá určitou geometrii. Často pak půjde o limitující faktor, který součástce zabrání v tom, aby mohla být ještě tenčí.

Piezoelektrické reproduktory

Piezoelektrické měniče jsou naproti tomu k dispozici v tenounkém provedení. K výrobě zvuku nepotřebují kmitací cívku, protože místo toho využijí piezoelektrického jevu. Osvědčený keramický materiál se zpravidla spojí s mosaznou či niklovou destičkou a po přivedení napětí se systém opět dá do pohybu. Na rozdíl od dynamických reproduktorů, které na výšku měří přinejmenším čtyři milimetry, budou takové měniče vysoké maximálně jeden milimetr.

Další možnosti zde nabízí vícevrstvé piezoreproduktory. Jejich součástí není pouze jeden keramický prvek, ale hned několik vrstev, přičemž každá z nich filtruje různé části kmitočtového spektra. Bude tak možné dosahovat kvalitnějšího přednesu.

Mezi nejtenčí reproduktory na světě řadíme systém Piezo- Listen od společnosti TDK. Díky své výšce pouhých 0,49 mm jej lze pohodlně připevnit k hladkým povrchům, které tak mohou nyní oscilovat. Prakticky jakýkoli povrch je proto možné přeměnit na reproduktor – displej, desku, zrcátko nebo například plastový kryt zařízení. Sytém PiezoListen podporuje vysoké hladiny SPL, a to i v případě nízkých napětí 24 V špička– špička, nebo ještě méně.

Vícevrstvé piezoreproduktory budíme a také ovládáme naprosto stejným způsobem jako dynamické měniče s využitím příslušného zesilovače – integrovaného obvodu.

obr 2 a 3  (jpg)

Obvody zesilovače

Zesilovací obvody určené pro reproduktory musí především počítat se třemi faktory – krátkodobým výkonem, impedancí a také kmitočtovým rozsahem.

Krátkodobý výkon, tedy zatížení signálem zesilovače, kterému dokáže reproduktor po omezenou dobu odolávat, aniž by přitom došlo k jeho poškození, se může v případě miniaturních elektroakustických měničů pohybovat od několika stovek miliwattů až po jednotky wattů.

Impedance u magnetických reproduktorů nabývá zpravidla hodnot 4, 8 nebo též 16 Ω. Tento parametr má proto zásadní vliv na samotný hudební výstup a klíčovou roli hraje rovněž v případě obvodů zesilovače. Pokud tedy k zesilovači připojíme reproduktor s vyšší impedancí než doporučenou, lze ve výsledku očekávat nižší úrovně – sestava hraje tišeji. Na druhou stranu, je-li impedance příliš nízká, může zase docházet k horšímu přednesu, pokud se ovšem zesilovač díky přetížení dříve sám nevypne.

Magnetické reproduktory nám vytváří zátěž indukčního charakteru, zatímco keramické měniče pak kapacitní. To znamená, že zde budou mít výrazně větší impedanci, která se s rostoucím kmitočtem dále snižuje. Od zesilovače se proto očekávají mnohem větší proudy a při zpracování signálů s vysokofrekvenčními složkami nemůže zároveň omezovat proud, zatímco je udržováno stejné napětí.

Frekvenční pásmo zde rozdělíme do několika skupin, takže signál bude dále zpracován vysokotónovým, středopásmovým a také basovým reproduktorem. V případě nižších úrovní výkonu nicméně postačuje jediný širokopásmový reproduktor, takže se dále obejdeme bez audiovýhybky.

Dynamické reproduktory jsou stiženy relativně nízkou účinností. Jejich kmitací cívku si lze představit jako trvale přítomný rezistor zapojený do série s velkou indukčností. Výsledkem jsou ohmické ztráty, zatímco velkou část aktivního výkonu zde ztrácíme formou tepla. Zesilovač proto musí zajistit větší výkony, což je ovšem nevýhodné, zejména v případě aplikací napájených z baterií.

U keramických měničů bude jejich kapacitní povaha zdůrazňovat větší roli jalového výkonu a také malé tepelné ztráty. Obvody zesilovače však v případě koncového stupně vyžadují obrovské množství aktivního výkonu, což také ovlivňuje účinnost. Místo tradičních zesilovačů provozovaných ve třídě AB bude v současné době doporučeno použít s ohledem na vyšší efektivitu jiné topologie, např. zesilovače třídy G či D.

Pro audiozesilovače se může hodit push-pull topologie složená z tranzistorů. K dosažení potřebné úrovně hlasitosti si tak malé reproduktory s velkou účinností vystačí pouze s obyčejnými standardními tranzistory a elektrolytickými kondenzátory. Pro střední úrovně výkonu je možné doporučit komplementární tranzistory BCP5616 a BCP5316 od společnosti Diodes, na pozici elektrolytického kondenzátoru pak něco jako EEEFK1V101XP od firmy Panasonic.

Integrované obvody

Při návrhu jednoduchých obvodů zesilovače se však často vyplatí použít spíše integrované prvky. Takové audiozesilovače, nyní jako integrované obvody, zpracují a zesílí audiosignál, zatímco dále nabídnou vyšší výkony, čistější projev a také lepší kvalitu přednesu. Jsou k dispozici v malých pouzdrech a jako číslicově řešené součástky nebo struktury na způsob operačního zesilovače, monofonní i stereofonní, je nalezneme v řadě aplikací, třeba v televizorech, počítačích nebo domácích audiosystémech. Většina integrovaných audiozesilovačů byla speciálně navržena pro potřeby dynamických reproduktorů (např. NJU8759 od JRC). Najdeme zde však i verze určené pro piezoelektrické měniče s integrovanou nábojovou pumpou (třeba NJW1280 od JRC).

Reproduktory a otázka jejich osazení

Jakmile je na kmitací cívce či piezo prvku přítomen zesílený audiosignál, budou generovány akustické vlny. Když se poté membrána pohybuje směrem kupředu, bude na její čelní straně vyvíjen nepatrný tlak s kladným znaménkem, zatímco na zadní části již uvažujeme znaménko záporné, a obráceně. Abychom zde předešli potížím a výrazně si přitom navýšili potřebné úrovně, je zapotřebí od sebe akusticky izolovat obě strany reproduktoru, tzn. navrhnout odpovídající skříň. Jako vhodná alternativa se zde jeví okamžitě použitelné miniaturní reproduktory doplněné o kryt.

Reproduktor však bude mít často k dispozici jen omezený prostor, takže je důležité vhodně využívat dostupné místo a společně s optimálním SPL přitom dosahovat dobré audiokvality. K tomu nám dopomůže skříň obdélníkového či krychlového tvaru, jak jen to bude možné, navržená s ohledem na průměr měniče, vpředu i vzadu. Při zesilování zvuku rovněž pomohou speciální nátrubky.

Pro osazování platí následující obecná pravidla:

  • membrána reproduktoru nesmí při maximální amplitudě narážet do přední části,
  • vibracím zabráníme díky pryži umístěné mezi rámečkem reproduktoru a skříní, rovněž tím předcházíme šíření zvuku ze zadní strany,
  • prostor za reproduktorem o maximální velikosti znamená větší hlasitost a vynikající kvalitu zvuku, k tomuto účelu se často vyplatí mít dobře navrženou konstrukci.

Závěr

Volba typu reproduktoru, obvody zesilovače a také použitá skříň – to vše může ovlivnit výsledné rozměry i kvalitu přednesu. V současné době jsou naštěstí k dispozici řešení v podstatě pro jakékoli požadavky či omezení spojená s konstrukční velikostí.

Tabulka (jpg)

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik