Tutorial sobre cómo utilizar un transductor y driver piezoeléctrico
En este tutorial, veremos cómo utilizar un transductor piezoeléctrico del fabricante Sonitron, junto a su driver correspondiente para este tipo de transductores del fabricante Micro Analog Systems (MAS).
Tabla de Contenidos
1. Introducción
La tecnología piezoeléctrica, basada en el efecto piezoeléctrico, permite la conversión precisa entre señales eléctricas y vibraciones mecánicas, abriendo las puertas a un sinfín de posibilidades creativas y funcionales.
Los transductores piezoeléctricos no solo son la columna vertebral en la generación de tonos y alertas en dispositivos cotidianos, como alarmas y electrodomésticos, sino que también desempeñan un papel fundamental en aplicaciones más especializadas. Desde sistemas de ultrasonido médico hasta la retroalimentación táctil en dispositivos hápticos, estos dispositivos se han convertido en herramientas versátiles que impulsan la innovación en diversas industrias.
2. Efecto Piezoeléctrico
El efecto piezoeléctrico, fenómeno intrínseco a ciertos cristales como el cuarzo y la turmalina, constituye la base fundamental de los transductores piezoeléctricos, dispositivos que despiertan vida mediante la conversión precisa entre señales eléctricas y vibraciones mecánicas.
Los cristales piezoeléctricos, cuando se someten a tensiones mecánicas, experimentan desplazamientos atómicos, generando un desequilibrio de cargas eléctricas internas que da origen a un campo eléctrico. Este proceso, conocido como el efecto piezoeléctrico directo, es el fenómeno clave que permite la conversión de energía mecánica en eléctrica.
En sentido inverso, el efecto piezoeléctrico también opera: aplicar un campo eléctrico al cristal inducirá deformaciones en su estructura, una manifestación del efecto piezoeléctrico inverso. Esta dualidad permite que estos cristales se conviertan en herramientas excepcionales para la transducción de energía.
Gracias a este efecto inverso, los transductores piezoeléctricos, con su capacidad de generar vibraciones controladas, se utilizan para producir sonido. Cuando se aplica una señal eléctrica a estos dispositivos, los cristales piezoeléctricos se contraen y expanden rápidamente, generando ondas acústicas que percibimos como sonido.
Figura 1. Efecto directo
Figura 1b. Efecto inverso
3. Transductor y driver piezoeléctrico
Este tutorial está basado en la serie SMAT de transductores piezoeléctricos para múltiples aplicaciones y de bajo costo. A diferencia de un buzzer piezoeléctrico, que es un dispositivo más simple y generalmente se utiliza para generar tonos a una frecuencia fija de manera básica, un transductor piezoeléctrico es un dispositivo más versátil que puede desempeñar funciones más especializadas, como la generación de tonos específicos según el voltaje aplicado.
Esta diferencia respecto al buzzer implica la necesidad de componentes externos para poder manejar el transductor y aplicarle el voltaje correcto según las necesidades de la aplicación. En este caso, utilizaremos un Driver para transductores piezoeléctricos del fabricante Micro Analog Systems, el modelo MAS6240.
3.1. Transductor piezoeléctrico SMAT
Los transductores SMAT se han desarrollado específicamente para satisfacer diversos requisitos, como el nivel de presión sonora, los métodos de montaje, las posibilidades de conexión y las dimensiones. La frecuencia de accionamiento debe generarse con componentes electrónicos externos al transductor. Los transductores de la serie SMAT producen una señal de tono audible muy fiable, que proporciona un tono extremadamente claro y penetrante o un sonido suave para señales no agresivas. Están disponibles en cinco tamaños: 13 mm, 17 mm, 21 mm, 24 mm y 30 mm.
Figura 2. Transductores de la serie SMAT
Los transductores de la serie SMAT presentan una serie de ventajas que los destacan en diversas aplicaciones tecnológicas. Su forma octagonal proporciona una geometría única que favorece la eficiencia en la generación de vibraciones controladas, permitiendo una mayor flexibilidad en su integración en diferentes dispositivos y sistemas. Además, la variedad de modelos con diferentes espaciados entre pines facilita su adaptabilidad a diversas configuraciones y requisitos de diseño.
La construcción ligera pero sólida de los transductores SMAT garantiza una durabilidad robusta sin comprometer la portabilidad, lo que resulta especialmente valioso en aplicaciones donde el peso es un factor crítico. La capacidad de trabajar a frecuencias no fijas amplía aún más su versatilidad, permitiendo una mayor personalización en la producción de sonido y vibraciones.
La facilidad de montaje es otra ventaja clave, gracias a su diseño que permite una instalación sencilla en diferentes entornos. Para aplicaciones con limitaciones de espacio, los modelos SMAT-13 y SMAT-17 ofrecen soluciones compactas sin sacrificar el rendimiento. Además, los modelos SMD con etiquetas resistentes al calor facilitan su integración en procesos de soldadura por reflujo, ofreciendo una mayor conveniencia en la producción industrial. La capacidad de pick & place automático agrega un nivel adicional de eficiencia en la producción en masa, optimizando el proceso de ensamblaje y aumentando la viabilidad de su implementación en escala.
Figura 3. Características de los Transductores de la serie SMAT
Puede consultar las especificaciones de los transductores de la serie SMAT en el siguiente enlace Sonitron-SMA-SMAT-series-2014
3.2. Driver piezoeléctrico MAS6240
El MAS6240 es un driver piezoeléctrico diseñado para crear un sonido multitono basado en una tecnología de charge pump. Es un circuito integrado de alta eficiencia, fácil de usar y de bajo coste, perfecto para equipos alimentados por batería u otras aplicaciones de baja tensión en las que se necesita una alta presión sonora.
El MAS6240 puede controlar salidas de hasta 18 VPP a partir de una única tensión de alimentación de 3 V. Se puede seleccionar un factor de amplificación de la tensión de entrada de 1, 2 ó 3. La salida puede ser monomodo o diferencial.
El diseño sin inductor causa significativamente menos perturbaciones a los circuitos circundantes, lo que lo convierte en una opción ideal como monitores de ritmo cardíaco y otros diseños sensibles. Sólo se necesitan cuatro condensadores de pequeño valor además de un elemento de sonido. El uso de condensadores pequeños también hace que esta solución sea más fiable en comparación con una solución inductiva que utiliza una bobina pesada que puede soltarse si el equipo se cae.
El MAS6240 también puede utilizarse en otras aplicaciones. Por ejemplo, como controlador de LED blancos. Al mismo tiempo, puede conectarse a una sirena piezoeléctrica en una configuración de salida diferencial.
Figura 4. Especificaciones del driver MAS6240
Figura 5. Diagrama de bloques del driver MAS6240
Puede consultar las especificaciones del driver piezoeléctrico MAS6240 en el siguiente enlace DA6240C_007
4. Uso del driver piezoeléctrico
El controlador piezoeléctrico se activa en el segundo flanco ascendente de la señal en DIN, por lo que la señal se transfiere a la salida piezoeléctrica VO1. Una salida invertida VO2 se activa al mismo tiempo, pero es opcional utilizarla. La lógica de control activa la bomba de carga en el primer flanco ascendente de la entrada digital DIN. Si sólo un flanco ascendente se alimenta a la entrada DIN, el controlador piezoeléctrico permanece desactivado. Esto permite controlar, por ejemplo, un LED blanco u otro dispositivo a través del pin VOUT mientras la bomba de carga está activada, sin activar el controlador piezoeléctrico. Las salidas VO1 y VO2 están en GND cuando el controlador piezoeléctrico está desactivado.
Figura 6. Generación de la señal de salida VO1
La figura 6 se dibuja en el caso de VO2. La señal de desactivación de la bomba de carga y del controlador piezoeléctrico se generará después de que la señal en DIN haya estado baja en la mayoría de los casos durante 50 ms. En la figura 6 el retardo de desconexión es de unos 15 ms. De nuevo, cuando se introducen nuevos impulsos en DIN, la bomba de carga y el controlador piezoeléctrico se habilitarán.
Figura 7. Generación de la señal de salida VO2
5. Modo de Uso
Haciendo uso de la placa de evaluación del MAS6240, podremos testear cualquier transductor piezoeléctrico que deseemos.
Figura 8. Placa de evaluación MAS6240
Con los jumpers de configuración de esta placa de evaluación, utilizaremos la siguiente configuración:
- EN1/EN2 => 3X mode
- Buz/single => EXT DIF
- DIN select => EXT DIN
El driver MAS6240 podemos usarlo en modo Single END o en modo Diferencial, según las necesidades de la señal a aplicar al transductor piezoeléctrico. En nuestro caso, usaremos el modo DIF, para aplicar hasta una señal de 20Vpp al transductor.
Figura 9. C1 or C2 Version Charge Pump + Single End Piezo Driver (max 9Vpp)
Figura 9. C2 Version Charge Pump + Differential Piezo Driver (max 18Vpp)
La tensión de alimentación será VDD=3.5Vdc
Para poder testear los diferentes transductores de la familia SMAT en sus diferentes configuraciones, se usará como señal externa un generador de onda cuadrada de 3Vpp, y con un barrido en frecuencia desde los 600 Hz hasta los 10 kHz en un intervalo de 15 segundos.
7. Datos de la prueba
Se realizan las pruebas en las que se mide el Nivel de Presión Sonora (SPL) a 30 cm, recibiendo cada transductor una onda cuadrada de 20Vpp proveniente del driver MAS6240.
A continuación se muestran las diferentes gráficas para las distintas versiones de la familia SMAT de transductores piezoeléctricos.
Conclusión
En esta nota de aplicación, que puede consultar en los siguientes enlaces an0617en y WAS-20C1EN_ReferenceDesign, se ponen a prueba los distintos transductores de la serie SMAT de Sonitron utilizando un driver específicos para componentes piezoeléctricos de Micro Analog Systems.
Con esta combinación de componentes podemos adaptar esta solución a múltiples sectores. En resumen, el transductor SMAT se destaca por su versatilidad y fiabilidad, siendo una opción valiosa en una amplia gama de aplicaciones que abarcan desde la seguridad y la salud hasta la automatización y la electrónica de consumo.