Transformera upp spänning med spole

[danne.H]

Jag håller på med ett projekt där jag ska bygga ett överfallsalarm. Jag har köpt hem några olika
överfallsalarm för att se hur dom fungerar men har ett problem med vad jag tror är en spole.
Spolen finns där för att transformera upp spänningen från 3V till ungefär 150V ut till ett piezoelement.

Problemet är att spolen har 3 ben. Någon som vet hur dom fungerar eller vad det är för komponent?
Jag gissar att den fungerar precis som en tändspole i en bil. 2 ben ut till piezoelementet och 1 ben
är kopplat till en transistor.

Har skummat igenom farnell och elfa för att hitta en liknande komponent men utan resultat.

[Fritzell]

Kan eventuellt vara en spole med ett mittuttag, dvs du switchar på en kortare lindning men utvinner en hög spänning pga många fler varv från mittpunkten till andra sidan så att säga.

[xxargs]

Någon form av impedansanpassning/trafo är det säkert - drivsteget har förmodligen låg spänningssving på säg 10 Volt men kan lämna ganska mycket ström, medans piezoelementet har troligen impedanser på några kOhm. 1 Watt på säg 10 kOhm impedans för piezon så måste man ha 100 Volt RMS i växelström över piezo-kristallen.

Skulle inte förvåna mig att trafon dessutom är ganska löst kopplad magnetiskt mellan primär och sekundärsidan (tex lindad på en ferritstav) och låter sekundären delvis agera som en induktans mot piezoelementet och det hela blir en serieresonanskrets och på så sätt höjer spänningen över piezon ännu en bit inom en begränsad frekvensområde.

man får helt enkelt göra en del mätningar på både piezo-elementet (ungefär som man mäter impedans på en högtalare när man frekvenssveper, fast här har man inte 8 Ohm i mätbryggan utan kanske 1 kOhm) och också 'induktansen/trafon' och sedan försöka pula in det i en RF eller spice-simulator.

Fast det ser 'enkelt ut' så kan det vara mycket klur bakom och sådana här saker att dimensionera liknar ganska mycket som att impedansmatcha radioantenner, RF-filter och RF-transistorer där man använder både RF-simulatorer och Smithchart för att få så bra anpassning som möjligt för bästa effektöverföring.

[danne.H]

Fritzell:
Jag tror också att det är så det fungerar. Frågan är egentligen nu var jag hittar sådana spolar/transformatorer?

Har märkt att alla leksaker (skojleksaker som vill ge användaren en stöt eller allmänt transformera upp spänningen) använder samma modell.

[hatten]

Jag ställer mig på xxargs sida och gissar att det är en trafo där sekundären är matchad mot piezoelementet så att det blir serieresonans. För några veckor sedan satt jag själv och lindade spolar i just detta syfte, vet inte om det var pga skicklighet, simulering eller ren bonnröta men det blev ganska bra!

Tyvärr hade jag ingen jättebra modell av elementet, det hade varit kul att mäta upp det ordentligt. Hur gör man detta på ett bra och någorlunda enkelt sätt? S-parametrar? Jag har en nätverksanalysator, som jag kan använda hjälpligt..

[danne.H]

Det låter iofs som en bra teori. Får titta lite närmare på det.

[xxargs]

Jag ställer mig på xxargs sida och gissar att det är en trafo där sekundären är matchad mot piezoelementet så att det blir serieresonans. För några veckor sedan satt jag själv och lindade spolar i just detta syfte, vet inte om det var pga skicklighet, simulering eller ren bonnröta men det blev ganska bra!

Tyvärr hade jag ingen jättebra modell av elementet, det hade varit kul att mäta upp det ordentligt. Hur gör man detta på ett bra och någorlunda enkelt sätt? S-parametrar? Jag har en nätverksanalysator, som jag kan använda hjälpligt..

Det finns ett krux - dom flesta nätverkare har en nedre gräns mellan 10 - 30 kHz och med akustiska piezohögtalare så är det inom 1-2 kHz typ...

Det du kan göra i transmissionsmätning är att försöka hitta elementets serieresonanspunkt (där impedansen är som lägst och transmissionsen som högst (lägst förlust)) och dess parallelresonanspunkt (där spärren är som djupast, transmissionsförlusten som högst) - se till att få med både frekvens och nivå. sedan tror jag man behöver ytterligare en punkt typ 6 dB på kanten av passbandet för att kunna räkna ut kvoten mellan serieinduktansen och seriekapacitansen - eller om det var värde på själva ekvivalenta induktansen - men är osäker.

har det där i något gammalt papper (tyvärr så har det röjts och städats här hemma (nej det var inte frivilligt) så jag hittar ingenting längre...), men om du söker på kristaller så bör du få den matematiska bakgrunden och även hur man får fram parametrarna genom mätning - skulle inte förvåna mig om inte Agilent i någon appnote har beskrivning på precis hur man gör.


Kan du få ut komplett set av S-parametrar (dvs S11,S21,S12,S22) så kan du använda dom i RF-simulator (som tex Vipec om det är i magnitud och angle-format med sedvanlig numerisk format typ 1.0003 0.003 etc., tyvärr stöder den inte i RI (komplex format) eller att värdena är i vetenskaplig notation... typ 2e-3 notation)

Då kan du direkt leka med matchningselement med LCR och trafo och se när man får så mycket effekt som möjligt i piezon och om det är tillräckligt bredbandigt.

en matchning handlar inte bara om att transformera spänningar - det handlar om att anpassa så att man får in effekt i systemet även när man är lite utanför dess optimala områden där tex högt Q-värde ger medföljande smalbandighet - vilket är viktig faktor om man skall svepa i frekvens mm.

En kristall har normalt mycket låg inre resistans då dess Q-värde kan var upp till 200000 om man pratar frekvenskristaller - det betyder att en stor del av piezo-kristallen interna resistans representerar friktionen och energiöverföringen mot luften och då till stor del i form av ljud - och det är den delen man vill maximera för att få ut så mycket ljud som möjligt - dvs. anpassa matningen så att en så stor del att utgångens effekt hamnar i kristallmodellens ekvivalenta motstånd och försöka lura sig förbi dess reaktiva delar. Att det blir höga spänningar är bara en effekt av impedansmatchningen - inte att det är spänning som skapar den höga ljudtrycket.

[hatten]

Tack för svaret xxargs! Slutklämmen, ang den interna resistansen och att lura sig förbi de reaktiva delarna, låter intressant men jag inser att jag bör läsa på lite mer om hur piezokristallen fungerar. Ska även kolla upp om jag har tillgång till något simuleringsprogram som tillåter import av S-parametrar. Om bara dygnet hade fler timmar..

Jag borde kanske ha beskrivit min uppställning bättre, men ville inte kapa tråden helt. Piezon används som ett sonarelement (litet sådant) som matas med ett kort pulståg och sedan lyssnar efter ekon. Exakt frekvens varierar mellan olika element med olika geometri, men ligger i intervallet 500-700kHz.

Jag har som sagt fått till en ganska bra transformering/matchning genom följande väldigt enkla angreppssätt, som xxargs delvis är inne på;
1. Mät upp resonansfrekvens - Lätt match med nätverksanalysatorn
2. Behandla piezon som en rent kapacitiv last och mät (läs: grovt uppskatta) kapacitansen - Här användes en enkel handhållen LCR-meter
3. Räkna ut vilken induktans sekundärsidan behöver utgöra för att resonans ska uppstå
4. Med hjälp av A_L-värde, räkna ut hur många varv detta motsvarar
5. Linda spole, mät, simulera, linda av/på/om, upprepa.

Det är alltså punkt 2 som jag känner är en allt för stor kompromiss - en bättre modell hade nog hjälpt, särskilt om jag hade vett nog att förstå den

[danne.H]

Nu har jag byggt upp en prototyp på en labbplatta och allt fungerar bra.
Ett problem med strömförbrukningen bara. Kanske någon av er har något bra tips?

Just nu drar kretsen runt 280mA vilket jag tycker är väldigt mycket. Jag har köpt in
några färdiga alarm och dessa drar runt 100mA. Transformatorn jag använder i min krets
är samma transformator som används i de alarm som drar 100mA.

Jag använder mig av en ZSD100 ljudkrets (signalgenerator) som är kopplad till en darlingtontransistor (BC517)
och sedan ut till transformatorn->piezoelementet. I kretsen finns även två kondensatorer, en elekt.på 10uF
och en ker. på 22nF. ZSD100 kretsen skall enligt databladet dra runt 25mA då den är aktiv.

Schemat på min krets hittas på sida 6 i databladet länkat nedan (Application Circuits).
http://www.datasheetcatalog.org/datashe ... zsd100.pdf

Då jag kopplar ur transformatorn och ansluter piezoelementet direkt till transistorn och till jord ligger
förbrukningen på en bra bit under 100mA så det är transformatorn som slukar allt.

[xxargs]

Hur är ljudnivåskillnaden mellan köpealarmet och den du bygger - upplevs det dubbelt så högt så är det 10 ggr högre akustiskt ljudtryck än det svagare och drar följdaktligen 10 ggr mer effekt om högtalarsystemet arbetar med samma verkningsrad.

Men annars så har du förmodligen inte fått till anpassningen helt och fullt och en del hamnar i drivtrissorna och resten som värme i trafon. Det är därför det kan vara ganska mycket tanke och provning bakom en fungerande kombination av komponenter fast det ser ganska enkelt ut...

Mycket av det här borde du kunna studera med en oscilloskop och med inlödda lågohmsmoststånd för att mäta ström och spänning samtidigt så kan du titta på hur det ser ut när drivtrissan precis stänger till - är det hög spänning över trissan när den samtidigt stänger till strömmen så har du förmodligen ganska stora förluster i trissan tex.

[danne.H]

Ljudnivån är samma, om än kanske lite mindre i min krets.

Är det möjligt att så mycket går åt till värme? Sen är det som du säger, det är ganska simpel elektronik.

Har studerat en del i oscilloskop men egentligen inte kommer fram till så mycket. Har tittat på signalerna ut till piezoelementet från både det befintliga alarmet och mitt alarm.
Signalerna ser något annorlunda ut , peak-to-peak och i stort sett samma, däremot skilljer sig frekvensen en hel del. Kan det ha något med det att göra? Tycker isf att det
bör vara tvärtom eftersom det befintliga alarmet är hög mycket oftare än mitt.

EDIT:
Kopplade in mutimetern för att mäta strömmen mer exakt. Visade sig att det befintliga drar 110mA och mitt 250mA. Testa lite olika värden på Cout och bytte till 10nF istället för
22nF och då sjönk förbrukningen till 230mA. Rätt logiskt egentligen..
Dessa två systemen skall drivas med två stycken CR1620 knappcellsbatterier. Kollade lite datablad och det visade sig att dom kan leverera max 10mA vid pulsning, 1mA vid konstant.
Hur kommer det sig då att de klarar driva kretsen?

[danne.H]

Ingen som har några bra tips på hur man skulle kunna sänka strömförbrukningen? Finns
inga klassiska tips&tricks?