蜂鳴器常見錯誤電路分析

蜂鳴器是電路設(shè)計中常用的器件，廣泛用于工業(yè)控制、機房監(jiān)控、門禁控制、計算機等電子產(chǎn)品，作為預(yù)警發(fā)聲器件。然而很多人在設(shè)計時往往隨意設(shè)計，導(dǎo)致實際電路中蜂鳴器不發(fā)聲、輕微發(fā)聲和亂發(fā)聲的情況發(fā)生。

蜂鳴器（Buzzer）是一類常見的電聲器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，發(fā)聲范圍一般有數(shù)百Hz到十幾kHz，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備當(dāng)中（空調(diào)、洗衣機、電腦等內(nèi)部都有蜂鳴器）。蜂鳴器在電路中電路圖形符號用字母“H”或“HA”(舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。

下面我們介紹最常用的兩類蜂鳴器:有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。

從驅(qū)動方式分類，有源驅(qū)動和無源驅(qū)動，有源蜂鳴器又稱為直流蜂鳴器，其內(nèi)部已經(jīng)包含了一個多諧振蕩器，只要在兩端施加額定直流電壓即可發(fā)聲，具有驅(qū)動、控制簡單的特點，但價格略高。無源蜂鳴器又稱為交流蜂鳴器，內(nèi)部沒有振蕩器，需要在其兩端施加特定頻率的方波電壓（注意并不是交流，即沒有負極性電壓）才能發(fā)聲，具有可靠、成本低、發(fā)聲頻率可調(diào)整等特點。

有源蜂鳴器與無源蜂鳴器有什么區(qū)別：這里的“源”不是指電源，而是指震蕩源。也就是說，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫。而無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫，必須用2K~5K的方波去驅(qū)動它。有源蜂鳴器往往比無源的貴，就是因為里面多了個震蕩電路。

圖7.22蜂鳴器

下面我們從EasyARM-i.MX283開發(fā)套件入手，就3.3V NPN三極管驅(qū)動有源蜂鳴器設(shè)計，從實際產(chǎn)品中分析電路設(shè)計存在的問題，提出電路的改進方案，使讀者能從小小的蜂鳴器電路中學(xué)會分析和改進電路的方法，從而設(shè)計出更優(yōu)秀的產(chǎn)品，達到拋磚引玉的效果。

圖7.24錯誤接法1

圖7.24為典型的錯誤接法，當(dāng)BUZZER端輸入高電平時蜂鳴器不響或響聲太小。當(dāng)I/O口為高電平時，基極電壓為3.3/4.7*3.3V≈2.3V，由于三極管的壓降0.6~0.7V，則三極管射極電壓為2.3-0.7=1.6V，驅(qū)動電壓太低導(dǎo)致蜂鳴器無法驅(qū)動或者響聲很小。

圖7.25錯誤接法2

圖7.25為第二種典型的錯誤接法，由于上拉電阻R2，BUZZER端在輸出低電平時，由于電阻R1和R2的分壓作用，三極管不能可靠關(guān)斷。

圖7.26錯誤接法3

圖7.26為第三種錯誤接法，三極管的高電平門檻電壓就只有0.7V，即在BUZZER端輸入電壓只要超過0.7V就有可能使三極管導(dǎo)通，顯然0.7V的門檻電壓對于數(shù)字電路來說太低了，在電磁干擾的環(huán)境下，很容易造成蜂鳴器鳴叫。

圖7.27錯誤接法4

圖7.27為第四種錯誤接法，當(dāng)CPU的GPIO管腳存在內(nèi)部下拉時，由于I/O口存在輸入阻抗，也可能導(dǎo)致三極管不能可靠關(guān)斷，而且和圖7.26一樣 BUZZER端輸入電壓只要超過0.7V就有可能使三極管導(dǎo)通。

圖7.28 NPN三極管控制有源蜂鳴器常規(guī)設(shè)計

圖7.28為通用有源蜂鳴器的NPN三極管控制有源蜂鳴器常規(guī)設(shè)計驅(qū)動電路。電阻R1為限流電阻，防止流過基極電流過大損壞三極管。電阻R2有著重要的作用，第一個作用，R2相當(dāng)于基極的下拉電阻，如果輸入端懸空則由于R2的存在能夠使三極管保持在可靠的關(guān)斷狀態(tài)，如果刪除R2則當(dāng)BUZZER輸入端懸空時則易受到干擾而可能導(dǎo)致三極管狀態(tài)發(fā)生意外翻轉(zhuǎn)或進入不期望的放大狀態(tài)，造成蜂鳴器意外發(fā)聲。第二個作用，R2可提升高電平的門檻電壓。如果刪除R2，則三極管的高電平門檻電壓就只有0.7V，即A端輸入電壓只要超過0.7V就有可能導(dǎo)通，添加R2的情況就不同了，當(dāng)從A端輸入電壓達到約2.2V時三極管才會飽和導(dǎo)通，具體計算過程如下：

假定β=120為晶體管參數(shù)的最小值，蜂鳴器導(dǎo)通電流是15mA，那么集電極電流IC=15mA，則三極管剛剛達到飽和導(dǎo)通時的基極電流是：

流經(jīng)R2的電流是：

流經(jīng)R1的電流：

最后算出BUZZER端的門檻電壓是：

圖7.28中的C2為電源濾波電容，濾除電源高頻雜波。C1可以在有強干擾環(huán)境下，有效的濾除干擾信號，避免蜂鳴器變音和意外發(fā)聲。在RFID射頻通訊、Mifare卡的應(yīng)用中，這里初步選用0.1uF的電容，具體可以根據(jù)實際情況選擇。

在NPN 3.3V控制有源蜂鳴器時，在電路的BUZZER輸入高電平，讓蜂鳴器鳴叫，檢測蜂鳴器輸入管腳（NPN三極管的C極）處信號，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在發(fā)聲時，向外發(fā)生1.87KHZ，-2.91V的脈沖信號，如圖7.29所示。

圖7.29蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

在電路的BUZZER輸入20Hz的脈沖信號，讓蜂鳴器鳴叫，檢測蜂鳴器輸入管腳處信號，發(fā)現(xiàn)蜂鳴器在發(fā)聲時，在控制電平上疊加了1.87KHz，-2.92V的脈沖信號，并且在蜂鳴器關(guān)斷時出現(xiàn)正向尖峰脈沖（≥10V），如圖7.30所示。

圖7.30蜂鳴器自身發(fā)放脈沖

圖7.30中1.87KHz，-2.92V的脈沖信號應(yīng)該是有源蜂鳴器內(nèi)部震蕩源釋放出來的信號常用有源蜂鳴器主要分為壓電式、電磁震蕩式兩種，i.MX283開發(fā)板上用的是壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成，而多諧震蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，我們所用的蜂鳴器內(nèi)部含有晶體管震蕩電路（有興趣的朋友可以自己拆開看看）。

有源蜂鳴器產(chǎn)生脈沖信號能量不是很強，可以考慮增加濾波電容將脈沖信號濾除。消除蜂鳴器EMI輻射后改進電路圖如圖7.31所示，在有源蜂鳴器的兩端添加一個104的濾波電容后，脈沖信號削減到-110mV，如圖7.32所示，但頂部信號由于電容充電過慢，有點延時。

圖7.31 NPN有源蜂鳴器控制電路改善后電路圖

圖7.32減少蜂鳴器自身發(fā)放脈沖