Was ist ein passiver (magnetischer) Summer?

  • Die in preiswerten Elektronik-Sets vorhandenen passiven Buzzer sind in der Regel magnetische Buzzer. Sie enthalten eine kleine Spule mit Eisenkern und eine dünne Metallmembran für die Schallerzeugung.
  • Passive Summer benötigen einen externen Frequenzgenerator für die Tonerzeugung. In unserem Beispiel ist es ein vom Mikrocontroller generiertes PWM-Signal. Die Tonfrequenz kann alternativ auch mit dem preiswerten integrierten Schaltkreis NE555 erzeugt werden.
  • Die Frequenz des Buzzer-Tones kann durch das Mikrocontroller-Programm in einem definierten Frequenzbereich (ca. 500 Hz bis 3 kHz) verändert werden. Dadurch kann auch eine Tonfolge und somit eine Melodie erzeugt werden.
  • Der Betriebsspannungsbereich des passiven Buzzers liegt im Bereich von 3 bis 7 V.
  • Das Ton-Ausgangssignal des gewählten GPIO-Pins wird an den Pluspol des Buzzers gelegt.
  • Der zweite Anschluss des Buzzers muss mit dem GND-Pin des Controllers verbunden werden.
  • Die Anschlüsse des passiven magnetischen Buzzers können getauscht werden. Jedoch erzeugt die Membran dann Schallwellen, die nach innen gerichtet sind und damit den Schalleindruck unnatürlich erscheinen lassen.
  • Der Schalldruckpegel (die Lautstärke) beträgt ca. 85 dB. Das entspricht in etwa dem Verkehrslärm in 5 m Entfernung.


Wichtige Infos zum passiven magnetischen Buzzer:

Der passive magnetische Buzzer besitzt eine Spule und darf nur an eine Wechselspannung bzw. einem PWM-Signal angeschlossen werden! Die versehentliche Ausgabe einer Gleichspannung (z. B. durch einen Programmfehler) an einem ESP32-GPIO, an dem der Buzzer angeschlossen ist, würde diesen Ausgang aufgrund des zu hohen Strombedarfs des Buzzers sehr schnell zerstören. Es sollte daher im Programmcode immer sichergestellt werden, dass am GPIO für den Buzzer beim Booten und nach dem Start des ESP32-Programms eine Spannung von 0 V ausgegeben wird (Initialisierung).

Bitte beachten:

Einige GPIOs des ESP32 nehmen beim Booten feste Ausgangszustände ein. Damit in dieser kurzen Phase keine Schäden an den Ausgängen durch den magnetischen Buzzer entstehen können, sollte man genau prüfen, welcher ESP32-Ausgang für den Buzzer verwendet werden kann.

Beim Abschaltvorgang eines Gleichspannungssignals besteht ein weiteres Gefährdungspotenzial für den verwendeten Ausgang oder im Extremfall sogar für den gesamten ESP32, da durch die Buzzer-Spule eine sehr hohe negative Spannung generiert wird.

Um diese negativen Spannungsspitzen der Buzzer-Spule beim Wechsel des PWM-Signals von HIGH (3,3 V) auf LOW (0 V) zu eleminieren, sollte zusätzlich eine Freilaufdiode (z. B. 1N4148) eingesetzt werden, die in Sperrrichtung parallel zum Buzzer geschaltet werden muss.


Erläuterungen (für den interessierten Lernenden)  

Der über ein Multimeter messbare Drahtwiderstand RL der eingebauten Spule des passiven magnetischen Buzzers hat einen Wert von ca. 16 Ω. Dieser würde bei einer konstanten Ausgangsspannung von 3,3V einen viel zu hohen Laststrom von IL = U/RW = 3 V/16 Ω = 206,25 mA erzeugen, ohne dass ein Ton hörbar wäre (f = 0 Hz). 

Beim Anlegen einer Wechselspannung wird der Laststrom wesentlich kleiner. Neben dem reinen Wicklungswiderstand von ca. 16 Ω wirkt jetzt zusätzlich eine Induktivität, die einen induktiven Blindwiderstand XL besitzt. Dieser befindet sich in Reihe zum Wicklungswiderstand RL und beide bilden zusammen den Gesamtwiderstand (Scheinwiderstand) Z, der wesentlich größer als der bei Gleichspannung allein wirkende Wicklungswiderstandswert RL ist. Somit besteht in der Regel nicht mehr die Gefahr, dass ein zu hoher Laststrom des Buzzers den Ausgang zerstören kann. Da es aber viele unterschiedliche Typen von Buzzern gibt, sollte man vorher auf jeden Fall das Datenblatt einsehen und den Strombedarf bei Wechselspannung mit dem Stromwert vergleichen, den der ESP32 am Ausgang maximal liefern kann (ca. 12 mA bei Gleichspannung, bei PWM und einem dutycycle von 50% ca. 24 mA). Wenn der Buzzer-Betriebsstrom den maximalen ESP32-Ausgangsstrom überschreitet, muss dieser mit Hilfe einer Schaltstromverstärkerschaltung (z. B. mit einem Transistor) erzeugt werden.


Was ist ein aktiver Summer?

  • Aktive Summer beinhalten einen internen Frequenzgenerator (Oszillator1), der eine feste Frequenz erzeugt. Es kann somit nur ein Ton generiert werden.
  • Das Anlegen eines PWM-Signals macht beim aktiven Buzzer keinen Sinn, weil mit ihm keine unterschiedlichen Tonfrequenzen erzeugt werden können.
  • Der aktive Summer wird im Spannungsbereich 4 bis 8 V betrieben.
  • Das Ausgangssignal (LOW oder HIGH) des gewählten GPIO-Pins muss an den Pluspol des Buzzers gelegt werden.
  • Der zweite Anschluss des Buzzers muss mit dem GND-Pin des Controllers verbunden werden.
  • Eine Verpolung „schaltet“ den Buzzer stumm und kann u. U. die interne Oszillatorschaltung zerstören.
  • Das Gehäuse des passiven Summers ist üblicherweise größer, da dort zusätzlich die Elektronik für die Oszillatorschaltung untergebracht werden muss.
  • Der frequenzabhängige Schalldruckpegel kann je nach Typ Werte zwischen 85 und 110 dB besitzen. 110 db entspricht dem Besuch eines lauten Konzertes.

1Ein Oszillator ist ein selbstständiger Schwingungserzeuger. Durch Rückkoppeln seines Ausgangssignals an den Eingang kann unter bestimmten Voraussetzungen eine Schwingung erzeugt werden. Wenn beispielsweise bei einem Musik-Konzert der Sänger mit seinem Mikrofon zu nah an die Lautsprecherboxen gerät, wird das Lautsprechersignal (der Ausgang) über das Mikrofon auf den Eingang des Verstärkers zurückgeführt. Dabei schaukeln sich die Ton-Signale durch die  Oszillatorschleife Mikrofon => Mischpult => Verstärker => Lautsprecher => Mikrofon usw. so hoch, dass dabei ein sehr lauter und unangenehmer Pfeifton entsteht. Dieser Pfeifton ist die Schwingfrequenz des entstandenen Oszillatorsystems.
In der Digitaltechnik kann ein Oszillator (Rechteckgenerator) sehr einfach erzeugt werden, in dem der Ausgang eines Inverters mit seinen Eingang verbunden wird. Um das eigenständige Anschwingen des Systems sicherzustellen, schaltet man zwei dieser rückgekoppelten Inverter mit einem dazwischen liegenden Kondensator in Reihe. Will man zudem diesem System eine definierte Frequenz aufzwingen, fügt man der Schaltung einen parallelgeschalteten Schwingquarz mit der gewünschten Frequenz hinzu.

Unterschied erkennen:

Beide Typen von Akustikmeldern sind von oben betrachtet nicht zu unterscheiden. Daher muss die Unterseite der Summer betrachtet werden.

Bei dem aktiven Summer ist die Unterseite abgedeckt, während bei dem passiven Summer, wie in den Bildern gezeigt, die grüne Platine zu sehen ist. Dadurch kann bei passiven Summern die Luft an der inneren Membran besser schwingen, um unterschiedliche Töne zu erzeugen. 

Hier kannst du nochmal den Unterschied sehen.
Auf der linken Seite ist der aktive und auf der rechten Seite der passive Summer zu sehen.

Vorderseite:

Vorderseite

Abbildung: Vorderseite vom Summer (links) und Lautsprecher (rechts)
Quelle: BBS2 Wolfsburg

Rückseite:

Rückseite

Abbildung: Rückseite vom Summer (links) und Lautsprecher (rechts)
Quelle: BBS2 Wolfsburg

Noten-/ Frequenztabelle

Ton Hertz Ton Hertz Ton Hertz Ton Hertz Ton Hertz
''A 27,5 C 65,41 c' 261,63 c''' 1.046,50 c''''' 4.186,01
''B 29,14 Des 69,3 des' 277,18 des''' 1.108,73    
''H 30,87 D 73,42 d' 293,66 d''' 1.174,66    
'C 32,7 Es 77,78 es' 311,13 es''' 1.244,51    
'Des 34,65 E 82,41 e' 329,63 e''' 1.318,51    
'D 36,71 F 87,31 f' 349,23 f''' 1.396,91    
'Es 38,89 Ges 92,5 ges' 369,99 ges''' 1.479,98    
'E 41,2 G 98 g' 392 g''' 1.567,98    
'F 43,65 As 103,83 as' 415,3 as''' 1.661,22    
'Ges 46,25 A 110 a' 440 a''' 1.760,00    
'G 49 B 116,54 b' 466,16 b''' 1.864,66    
'As 51,91 H 123,47 h' 493,88 h''' 1.975,53    
'A 55 c 130,81 c'' 523,25 c'''' 2.093,00    
'B 58,27 des 138,59 des'' 554,37 des'''' 2.217,46    
'H 61,74 d 146,83 d'' 587,33 d'''' 2.349,32    
    es 155,56 es'' 622,25 es'''' 2.489,02    
    e 164,81 e'' 659,26 e'''' 2.637,02    
    f 174,61 f'' 698,46 f'''' 2.793,83    
    ges 185 ges'' 739,99 ges'''' 2.959,96    
    g 196 g'' 783,99 g'''' 3.135,96    
    as 207,65 as'' 830,61 as'''' 3.322,44    
    a 220 a'' 880 a'''' 3.520,00    
    b 233,08 b'' 932,33 b'''' 3.729,31    
    h 246,94 h'' 987,77 h'''' 3.951,07    




Zuletzt geändert: Dienstag, 23. April 2024, 23:40