Uma campainha ou sinal sonoro é um dispositivo de sinalização de áudio. Ele gera som em uma faixa de frequência de 1 a 7 kHz como indicação de áudio. Nesta faixa de frequência, o limiar auditivo é máximo. Portanto, o som de uma campainha é tão penetrante que é perceptível mesmo em um ambiente muito barulhento. As campainhas/bips são geralmente usadas como alarmes sonoros. Em muitas aplicações, eles são usados para fornecer uma indicação sonora em resposta a alguma ação ou evento. Uma campainha pode ser usada para produzir o som de um clique, bipe ou toque.
Tipos de campainhas
As campainhas vêm em uma variedade de construções, tamanhos e especificações. Diferentes tipos e tamanhos de campainhas são usados para diferentes aplicações. Com base na construção, existem os seguintes tipos de campainhas:
- Campainhas piezoelétricas
- Campainhas magnéticas
- Campainhas eletromagnéticas
- Campainhas mecânicas
- Campainhas eletromecânicas
Campainhas piezoelétricas e magnéticas são mais comumente usadas em aplicações eletrônicas. As campainhas são projetadas para serem usadas como transdutor ou indicador em qualquer circuito.
Campainha como transdutor vs. indicador
Buzzers/Beepers são projetados para operar como transdutor ou indicador em circuitos eletrônicos. As campainhas projetadas como transdutores não possuem nenhum circuito de acionamento integrado. Quando essas campainhas são interligadas em um circuito, elas requerem uma entrada de onda quadrada para sua operação. É necessário um circuito de acionamento externo que alimente a entrada de onda quadrada à campainha. A vantagem das campainhas transdutoras é que elas podem ser acionadas para produzir diferentes frequências de acordo com a necessidade da aplicação. No entanto, isso adiciona mais complexidade ao projeto e requer explicitamente o projeto de um circuito de acionamento externo para a campainha.
As campainhas projetadas como indicadores possuem um circuito de acionamento integrado para produzir uma frequência ou tom fixo. Tais campainhas necessitam apenas de uma fonte de corrente para ativação. As campainhas indicadoras podem ser acionadas simplesmente aplicando-lhes uma tensão CC. Freqüentemente, essas campainhas podem ser acionadas por meio de E/S digital de um controlador/computador com ou sem circuitos de suporte. Esses tipos de campainhas são usados com mais frequência. Como geralmente não requerem nenhum circuito externo complexo, são fáceis e práticos de usar.
As campainhas do indicador e do transdutor podem ser usadas para produzir tons contínuos e sons de pulso lento/rápido. Para produzir um tom constante, uma campainha de transdutor precisa fornecer uma onda quadrada contínua de frequência fixa, enquanto uma campainha indicadora precisa fornecer tensão CC contínua. Para produzir um som de pulso lento/rápido, a campainha do transdutor precisa fornecer pulsos de onda quadrada de frequência fixa. Em contraste, as campainhas indicadoras precisam ser ligadas e desligadas alternativamente, como através da aplicação de um sinal PWM.
Os tons altos/baixos, sons de sirene ou campainha podem ser produzidos apenas usando uma campainha transdutora. Tons altos e baixos podem ser gerados alternando rapidamente o sinal de onda quadrada para uma campainha de transdutor entre duas frequências. O som de uma sirene pode ser produzido com uma campainha de transdutor aumentando periodicamente as frequências de onda quadrada para uma campainha de transdutor de baixa para alta. O som de uma campainha (como uma campainha) pode ser produzido por um único ciclo lento de frequência de onda quadrada alta e baixa para uma campainha de transdutor.
Campainhas piezoelétricas
Uma campainha piezoelétrica opera segundo o princípio do efeito piezoelétrico. O principal componente de uma campainha piezoelétrica é um elemento piezoelétrico. O elemento é composto por uma cerâmica piezoelétrica e uma placa metálica. Tanto o disco piezoelétrico quanto a placa metálica são mantidos juntos por um adesivo. O disco piezocerâmico possui eletrodos acoplados a ele. O disco piezoelétrico se expande e contrai diametralmente quando uma corrente alternada é aplicada a ele. Isso produz vibrações no elemento piezoelétrico e gera o som de uma determinada frequência ou faixa de frequências.
Princípio de funcionamento da campainha piezoelétrica
O elemento piezoelétrico é alimentado com corrente alternada de um circuito oscilador. Em campainhas piezo do tipo indicador, o circuito oscilador é integrado para produzir uma frequência fixa ou faixa de frequências. Em campainhas piezo do tipo transdutor, é necessário um circuito oscilador externo. Este circuito oscilador é geralmente um gerador de onda quadrada.
Muitas campainhas piezoelétricas possuem uma linha de feedback. Nessas campainhas, o elemento piezoelétrico é dividido em duas partes eletricamente isoladas. Quando o elemento piezo principal é acionado, ele comprime o componente de realimentação, produzindo uma tensão de realimentação. O sinal de feedback é geralmente aplicado a um circuito transistor/OP-AMP, que bloqueia ou amplifica o fornecimento de corrente ao elemento piezoelétrico.
As campainhas piezoelétricas possuem uma ampla tensão de operação que varia de 3V a 250V. A maioria das campainhas piezoelétricas utilizadas em circuitos eletrônicos possui tensão de operação entre 3V e 12V. Essas campainhas possuem altos níveis de pressão sonora. Eles têm um consumo de corrente muito baixo. Maior é a frequência/tom da campainha piezoelétrica; menor é o seu consumo atual. As campainhas utilizadas em aplicações eletrônicas possuem consumo de corrente tão baixo quanto 30 mA. As campainhas piezoelétricas ocupam uma grande área e são preferidas para uso em aplicações eletrônicas sensíveis ao custo.
Construção de campainha piezoelétrica
Campainhas magnéticas
Em uma campainha magnética, existe um disco ferromagnético preso a um poste. Existem ímãs ao redor do pólo que mantêm o disco em posição de repouso. Há uma bobina abaixo do disco ferromagnético que atua como um eletroímã. Quando a corrente é fornecida à bobina, o disco é atraído para a bobina. Quando não há corrente na bobina, o disco retorna à sua posição de repouso. Um peso acima dele controla as vibrações do disco. Quando um sinal oscilante é aplicado à bobina, o campo eletromagnético gerado a partir dela também flutua, causando vibrações no disco ferromagnético. Desta forma, o som de frequência igual à frequência do sinal oscilante aplicado é produzido pela campainha magnética. As campainhas magnéticas vêm em configurações de transdutor e indicador.
Construção de campainha magnética
As campainhas magnéticas possuem uma tensão operacional estreita que varia de 1V a 16V. Essas campainhas produzem frequências nominais mais baixas e têm baixos níveis de pressão sonora. Estes têm um consumo de corrente ligeiramente maior em comparação com as campainhas piezoelétricas. Seu consumo de corrente pode chegar a 100 mA. Essas campainhas ocupam pouco espaço e geralmente são usadas em aplicações de consumo de alta tecnologia.
Especificações da campainha
Uma campainha tem as seguintes especificações importantes:
Tipo – Uma campainha pode ser do tipo transdutor ou indicador. Ambos os tipos de campainhas têm capacidades e aplicações diferentes.
Tensão operacional – É importante observar a tensão operacional antes de utilizá-lo em uma aplicação. As campainhas piezoelétricas têm uma ampla faixa de tensão operacional (3 ~ 250 V), enquanto as campainhas magnéticas têm uma tensão operacional estreita (1 ~ 16 V). As campainhas grandes geralmente possuem tensões operacionais mais altas.
Nível de pressão sonora (NPS) – O nível de pressão sonora (SPL) é o desvio da pressão atmosférica causado pela onda sonora. É expresso em decibéis Pascal. A classificação SPL é mais útil para comparar dois dispositivos de saída de áudio. Indica o quão alto é o som que o dispositivo produz. O SPL é geralmente proporcional à tensão de entrada (tensão operacional da campainha) e geralmente diminui em 6 dB ao dobrar a distância da campainha.
Decibel não é uma unidade, mas uma proporção. Um valor expresso em decibéis aumenta exponencialmente em vez de linearmente durante a contagem. Por exemplo, 20 dB é dez vezes a potência de 10 dB. O uso de decibéis permite expressar uma faixa considerável de valores em um espaço relativamente pequeno. Os níveis de pressão sonora aos quais os ouvidos humanos são sensíveis podem variar de 20 uPa a 20×1012 vocêPa. Dessa forma, os níveis de SPL podem ser de 0 a 120 Db Pa. As campainhas mais comuns têm SPL de 80 dB, 85 dB, 90 dB e 95 dB. Algumas campainhas têm níveis de pressão sonora de até 105 dB.
Frequência de ressonância – A frequência ressonante é a frequência na qual um dispositivo tende a vibrar. Para buzzers, esta é a frequência na qual eles apresentam o SPL mais alto. As campainhas produzem os sons mais altos, consumindo menos energia de entrada quando vibram em sua frequência de ressonância. As campainhas indicadoras são geralmente projetadas para operar apenas em/perto de sua frequência de ressonância.
Impedância – A impedância é a relação entre a tensão aplicada e a corrente. A impedância de uma campainha flutua com a frequência.
Resposta de frequência – Para frequências diferentes, uma campainha possui valores SPL diferentes. Portanto, uma campainha produz diferentes frequências de som com intensidades diferentes. Uma representação gráfica do SPL de uma campainha para várias frequências é chamada de SPL – resposta em frequência, ou simplesmente resposta em frequência. A resposta de frequência é plotada em toda a faixa audível do ouvido humano (20 Hz a 20.000 Hz). A resposta de frequência é um fator essencial quando as campainhas transdutoras são usadas em uma aplicação. O gráfico é extremamente útil no projeto do circuito de acionamento de campainhas transdutoras.
Aplicações de campainhas
As campainhas podem produzir sons de clique, bipe ou toque. Eles também são usados para criar sons de sirene ou campainha. As campainhas são utilizadas para alarmes/avisos ou como indicadores sonoros. Eles são usados em dispositivos de alarme (como despertadores, alarmes de incêndio, alarmes de intrusão, etc.), temporizadores, dispositivos de entrada (como mouse e teclados), metrônomos eletrônicos, painéis anunciadores e muitos aparelhos eletrônicos de consumo. As campainhas também são utilizadas em eventos esportivos e game shows. Diferentes tamanhos e tipos de campainhas atendem a diversas aplicações. A forma como uma campainha é acionada eletronicamente depende de seu tipo, configuração, tensão operacional e outras especificações.