Робота різних приладів пьезоелектроніка заснована на пьезоелектрі-зації ефекті, який був відкритий в 1880 р французькими вченими братами П. Кюрі і Ж. Кюрі. Слово «п'єзоелектрику» означає «електрику від тиску». Прямий п'єзоелектричний ефект (коротше п'езоеффект) полягає в тому, що при тиску на деякі кристалічні тіла, звані п'езоелектрікамі, на протилежних гранях цих тіл виникають рівні, але різні за знаком електричні заряди. Якщо змінити напрямок деформації, т. Е. Стискати, а розтягувати п'єзоелектрик, то заряди на гранях змінять знак на зворотний ..
До п'єзоелектрик відносяться деякі природні або штучні кристали, наприклад кварц або сегнетова сіль, а також спеціальні пьезо-керамічні матеріали, наприклад титанат барію. Крім прямого п'єзоефекту застосовується також зворотний п'езоеффект, який полягає в тому, що під дією електричного поля п'єзоелектрик стискається або розширюється в залежності від напрямку вектора напруженості поля. У кристалічних пьезоелектріков інтенсивність прямого і зворотного п'єзоефекту залежить від того, як спрямована щодо осей кристала механічна сила або напруженість електричного поля.
Для практичних цілей застосовують п'єзоелектрики різної форми: прямокутні або круглі пластинки, циліндри, кільця. З кристалів такі п'єзоелементи вирізують певним чином, дотримуючись при цьому орієнтування щодо осей кристала. П'єзоелемент поміщають між металевими обкладинками або наносять металеві плівки на протилежні грані пьезоелемента. Таким чином виходить конденсатор з діелектриком з пьезоелектрика.
Якщо до такого п'єзоелементи підвести змінну напругу, то пьезо-елемент за рахунок зворотного п'єзоефекту буде стискатися і розширюватися, т. Е. Здійснювати механічні коливання. У цьому випадку енергія електричних коливань перетворюється в енергію механічних коливань з частотою, рівній частоті прикладеного змінного напруги. Так як п'єзоелемент має певною частотою власних механічних коливань, то може спостерігатися явище резонансу. Найбільша амплітуда коливань пластинки пьезоелемента виходить при збігу частоти зовнішньої ЕРС з власною частотою коливань пластинки. Сле-дует відзначити, що є кілька резонансних частот, які відповід-обхідних різним типам коливань пластинки.
Під впливом зовнішньої змінної механічної сили на п'єзоелементі виникає змінна напруга тієї ж частоти. В цьому випадку механічна енергія перетворюється в електричну і п'єзоелемент стає генератором змінної ЕРС. Можна сказати, що п'єзоелемент є коливальні системою, в якій можуть відбуватися електромеханічні коливання. Кожен п'єзоелемент еквівалентний коливального контуру. У звичайному коливальному контурі,
складеному з котушки і конденсатора, періодично здійснюється перехід енергії електричного поля, зосередженої в конденсаторі, в енергію магнітного поля котушки і навпаки. У п'єзоелементі механічна енергія періодично переходить в електричну. В еквівалентній схемі пьезоелемента на рис. 1індуктівность L відображає інерційні властивості п'єзоелектричної пластинки, ємність С характеризує пружні властивості платівки і активний опір г - втрати енергії при коливаннях. Ємність Со. звана статичної, пред-ставлять собою звичайну ємність між обкладинками пьезоелемента і не пов'язана з його коливальними властивостями.
Одним з перших п'єзоелектричних приладів був кварцовий резонатор, що має дуже високу стабільність частоти коливань. Протягом багатьох років кварцовий резонатор успішно застосовується для стабілізації частоти генераторів і радіопередавачів. Особливо висока стабільність досягається, якщо кварцовий резонатор помістити в термостат. Існує також особливий зріз кварцової пластинки (щодо осей кристала), при якому і без термостата стабільність частоти досить висока. Власна резонансна частота кварцового резонатора залежить від його геометричних розмірів. Так, наприклад, при коливаннях пластинки кварцу по товщині резонансна частота визначається саме товщиною пластинки. Зміна товщини під дією температури призводить до нестабільності частоти.
Приклад схеми транзисторного генератора з кварцовою стабілізацією дан на мал. 2. Кварцовий резонатор задає на вхід транзистора (ділянка база - емітер) коливання зі своєю стабільною частотою, а посилені коливання виходять в коливальному контурі, включеному в вихідну, колекторний ланцюг. Зворотній зв'язок, необхідна для самозбудження генератора, здійснюється через ємність колектор-база. Якщо ця ємність недостатня, то між колектором і базою включають додатковий конденсатор. Резистори R1 і R2 включені для того, щоб на емітерний перехід було пряме напруга.
Добротність кварцових резонаторів, т. Е. Ставлення запасається реактивної
енергії до енергії втрат, дуже велика і складає 10 4 -10 6. Відповідно
з еквівалентною схемою на рис. 1 кварцовий резонатор має дві основні
резонансні частоти. Для послідовного резонансу (резонансу напряже--
ний) в ланцюзі LC-r частота резонансу f1 = [2π (LC) 1/2] -1. а
для контуру, в якому виходить паралельний резонанс (резонанс струмів),
частота резонансу буде вище: f2 = [2π (LCЕ) 1/2] -1 еквівалентна ємність СЕ = CC0 / (C + C0).
Пьезорезонатори можуть бути зроблені не тільки з кварцу, але і з пьезо-кераміки. Однак добротність при цьому знижується і становить 10 2 -10 4.
Кварцові резонатори широко використовуються в якості еталонів частоти, в приладах для вимірювання частоти, в електронному годиннику для забезпечення високої точності ходу. З кварцових резонаторів складені смугові елек-тричних фільтри, пропускають досить вузьку смугу частот. Велику групу п'єзоелектричних приладів представляють різні п'єзодатчики, що реагують на температуру, тиск, переміщення, прискорення. У більшості випадків робота таких датчиків заснована на тому, що навіть невеликі зміни геометричних розмірів п'єзоелемент дають помітну зміну його резонансної частоти. У багатьох п'єзоелектричних приладах застосовують п'єзокераміка, у якій п'єзоелектричний ефект виражений набагато сильніше, ніж у кварцу (наприклад, у титанату барію в 100 разів сильніше).
На використанні прямого пьезоеф-фекта працюють п'єзоелектричні мікрофони і звукознімачі. У них застосовується сегнетова сіль або пьезо-
Значний інтерес представляють п'єзоелектричні трансформатори (ПЕТ), в яких п'єзоелемент має три або більше число електродів, підключених до джерела змінної напруги і навантаження або до декількох джерел і декільком навантажень.
Так само, як і звичайні трансформатори з обмотками, ПЕТ можуть посилювати сигнал по напрузі або по струму, перетворювати навантажувальний опір, здійснювати фазовий зсув на 180 °. Бувають ПЕТ вузькосмугові,
Бота на частотах, близьких до однієї близьких до
з резонансних частот пьезоелемента,
У більшості випадків ПЕТ є трансформаторами напруги, але якщо вони розраховані на великі струми - в кілька ампер, то їх називають трансформаторами струму. Частина ПЕТ, підключена до джерела змінної напруги, називається збудником, а частина, підключена до навантаження, - генератором. У збудника за рахунок зворотного п'єзоефекту енергія електричних коливань переходить в енергію акустичних хвиль, які поширюються у напрямку до генератору. У ньому за рахунок прямого п'єзоефекту енергія механічних коливань перетворюється в електричну. Так як амплітуда механічних коливань максимальна при резонансі, то саме на резонансних частотах коефіцієнт трансформації, що дорівнює відношенню вторинного напруги до первинного, буде максимальним.
У найпростішому вигляді ПЕТ робиться з двох п'єзокерамічних брусків, склеєних між собою (рис. 3). Один брусок служить збудником, дру-гой - генератором. Обидва бруска зроблені з п'єзокераміки різного складу, так як до матеріалів збудника і генератора пред'являються різні требо-вання. Залежно від розташування електродів на збудника і генераторі можливі трансформатори різних типів. Найбільше застосування отримали трансформатори поперечно-поздовжнього типу. Саме такий ПЕТ показаний на рис. 10.3. У нього в збудника електричне поле направлено поперек, а в генераторі уздовж. Залежно від співвідношення розмірів коефіцієнт трансформації напруги в режимі холостого ходу може досягати декількох тисяч.
Крім «брусків» застосовуються і інші ПЕТ: дискові, циліндричні-ські, кільцеві. П'єзотрансформатор можуть використовуватися в різних схе-мах при потужності до декількох ват і навіть десятків ват, зокрема в малопотужних випрямлячах на високі напруги або в малопотужних низько-вольтних випрямлячах для харчування транзисторних схем. У таких трансфор-маторов ККД становить 80 - 95%. Слід зазначити ряд важливих особливостей ПЕТ: відсутність обмоток, простоту пристрою, низьку вартість, малу масу, можливість микроминиатюризации для застосування в мікросхемах, можливість роботи як на низьких, так і на високих частотах, велике різноманіття конструкцій і режимів роботи. Недолік ПЕТ - відсутність провідності для постійної складової струму, що не дозволяє застосовувати їх в деяких практичних схемах.
П'єзоелектричними мікродвигунами (ПМД) називаються двигуни, в яких механічне переміщення ротора здійснюється за рахунок п'єзоелектричного або п'єзомагнітних ефекту.
Відсутність обмоток і простота технології виготовлення не є єдиними перевагами п'єзоелектричних двигунів. Висока питома потужність (123 Вт / кг у ПМД і 19 Вт / кг у звичайних електромагнітних мікродвигунів), великий ККД (отриманий рекордний дотепер ККД = 85%), широкий діапазон частот обертання і моментів на валу, відмінні механічні характеристики, відсутність випромінюваних магнітних полів і ряд інших переваг п'єзоелектричних двигунів дозволяють розглядати їх як двигуни, які в широких масштабах замінять застосовувані в даний час електричні мікромашини.
§ 7.1. п'єзоелектричний ефект
Відомо, що деякі тверді матеріали, наприклад, кварц здатні в електричному полі змінювати свої лінійні розміри. Залізо, нікель, сплави або оксиди при зміні навколишнього магнітного поля також можуть змінювати свої розміри. Перші з них відносяться до п'єзоелектричним матеріалами, а другі - до п'єзомагнітних. Відповідно розрізняють п'єзоелектричний і п'єзомагнітних ефекти.
П'єзоелектричний двигун може бути виконаний як з тих, так і з інших матеріалів. Однак найбільш ефективними в даний час є п'єзоелектричні, а не п'єзомагнітних двигуни.
Існує прямий і зворотний пьезоеффекти. Прямий - це поява електричного заряду при деформації п'єзоелемента. Зворотний - лінійну зміну розмірів п'єзоелемента при зміні електричного поля. Вперше п'єзоефект виявили Жанна і Поль Кюрі в 1880 році на кристалах кварцу. Надалі ці властивості були відкриті більш ніж в 1500 речовин, з яких широко використовуються сегнетова сіль, титанат барію та ін. Ясно, що п'єзоелектричні двигуни "працюють" на зворотному п'єзоефекті.