Hoe werkt piëzo-elektrisch:een complete ultieme gids

De meeste moderne apparaten gebruiken piëzo-elektriciteit als onderdeel van hun printplaten (PCB's). Uw quartz horloge heeft bijvoorbeeld piëzo-elektriciteit nodig om de tijd te regelen. Trouwens, microfoons en zelfs je geliefde Siri hebben het ook nodig voor spraakherkenning. Maar hoe werkt piëzo-elektrisch? Alle piëzo-elektrische materialen hebben unieke eigenschappen. En dankzij deze kenmerken kunnen ze naadloos worden geïntegreerd met de meeste moderne technologieën om een ​​perfecte mix te bieden. In dit artikel geven we je een complete gids over hoe piëzo-elektriciteit werkt voor dagelijks gebruik.

Hoe werkt piëzo-elektrisch

Piezo-elektriciteitsmechanica illustratie.

Bron: https://www.audiowell.com/technology/187.html

Piëzo-elektrisch was een term die werd bedacht door de broers van twee Franse wetenschappers, Jacques en Pierre Curie. Na te hebben ontdekt dat het uitoefenen van druk op twee kwarts (of bepaalde kristallen) een elektrische lading creëert.

Piezo komt van het Griekse woord ’stuk in ', wat 'Knijpen of drukken' betekent. Daarom betekent piëzo-elektriciteit 'elektriciteit uitknijpen'. Namelijk twee kristallen persen om elektrische energie te maken. Het piëzokristal helpt mechanische (geluidsenergie) om te zetten in elektrische signalen die het elektrische apparaat kan interpreteren.

Deze technologie is momenteel volop in ontwikkeling. En veel bedrijven gebruiken dit fenomeen momenteel als basis voor meer geavanceerde technologie. De nieuwe keramische audiotoontransducer is bijvoorbeeld het geesteskind van piëzo-elektriciteit.

Wat is het piëzo-elektrische effect?

Piëzo-elektrisch effect illustratie.

Het piëzo-elektrische effect is het vermogen om twee specifieke materialen samen te persen om een ​​elektrische stroom te maken. Het toepassen van mechanische spanning op deze materialen helpt om een ​​afwisselende negatieve en positieve lading op het materiaal te creëren, waardoor een actief elektrisch veld ontstaat.

Dit unieke kenmerk van piëzo-elektriciteit is echter ook omkeerbaar. Materialen die een direct piëzo-elektrisch effect vertonen, kunnen ook een omgekeerd piëzo-elektrisch effect vertonen.

Het inverse piëzo-elektrische effect is nuttig op veel gebieden die betrekking hebben op de productie, detectie en distributie van geluid. Het omvat ook microbalansen, ontstekingsbronmechanica, elektronische frequentieopwekking, productie van hoge spanningen, enz.

Direct piëzo-elektrisch effect

Illustratie van piëzo-elektrisch en omgekeerd piëzo-elektrisch.

Bron: https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Zoals eerder vermeld, produceert het knijpen in een piëzo-elektrisch kristal piëzo-elektriciteit.

Als u in de afbeelding een niet-geleidend piëzo-elektrisch materiaal tussen twee metalen platen plaatst en ze samenknijpt of samendrukt, produceren ze een elektrische stroom. De metalen platen fungeren als zender van deze elektrische stroom.

De geproduceerde elektrische stroom creëert een stroom - bekend als het piëzo-elektrische effect.

Inverse piëzo-elektrisch effect

Je creëert een inverse piëzo-elektrisch wanneer je een directe elektrische spanning toepast om een ​​piëzo-elektrisch materiaal te laten uitzetten of krimpen. Dit creëert dus een omgekeerd piëzo-elektrisch effect - elektrische energie wordt omgezet in mechanische energie.

Door deze methode te gebruiken, kunnen apparaten worden gemaakt die akoestisch geluid produceren, bijvoorbeeld piëzo-elektrische luidsprekers en piëzo-elektrische microfoons. Dergelijke piëzo-elektrische apparaten zijn zeer functioneel omdat ze dun zijn en in verschillende kleine apparaten passen. Hetzelfde principe is ook van toepassing op apparaten zoals sonartransducers en medische echografieën.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Piëzo-elektrische materialen

Verschillende materialen, zowel natuurlijke als kunstmatige, vertonen piëzo-elektrische effecten. Wanneer u druk uitoefent (mechanische belasting) en vervormt door hoogspanning toe te passen, produceren ze elektriciteit.

Deze materialen zijn in de regel niet geleidend. En dit is de enige manier waarop het piëzo-elektrische effect kan optreden.

De piëzo-elektrische materialen zijn er in twee hoofdcategorieën:

• Piëzo-elektrisch kristal
• Piëzo-elektrisch keramiek

Voorbeelden van natuurlijk voorkomende piëzo-elektrische materialen zijn Berliniet, kwarts, Rochelle-zout, toermalijn, enz. Voorbeelden van kunstmatige piëzo-elektrische materialen zijn loodzirkonaattitanaat (PZT), bariumtitanaat, rietsuiker en lithiumniobaat.

Vergeleken met biologische materialen zijn vervaardigde materialen effectiever en hebben ze een beter materiaalgebruik. Loodzirkonaattitanaat produceert bijvoorbeeld een hogere spanning dan kwarts wanneer u dezelfde druk uitoefent, en dit is waar wanneer u een hoogspanningsstroom op de twee materialen toepast.

Piëzo-elektrische materialen

Toepassingen

Piëzo-elektrische vonkgeneratorbrander op een gasfornuisbrander

Tegenwoordig zijn piëzo-elektrische transducers en sensortoepassingen overal. Er zit waarschijnlijk wel wat piëzo-elektrisch materiaal in elk apparaat dat tegenwoordig op de markt is.

Neem bijvoorbeeld deze metro in Tokyo. Het gebruikt het principe als een alternatieve energiebron.

Hier zijn enkele typische alledaagse toepassingen van het piëzo-elektrische principe.

Piëzo-sensor

Piëzo-elektrische sensoren zetten een fysieke dimensie om in een kracht die inwerkt op twee tegenover elkaar liggende vlakken van het sensorische element. Simpel gezegd, de sensoren detecteren de drukvariaties die door geluid worden veroorzaakt.

Ze vereisen geen externe spanningsbron en werken om resultaten te genereren uit de uitgeoefende druk.

Piëzo-elektrische sensoren zijn gevoelig, waardoor ze perfect zijn voor hoogfrequente geluidsapparatuur zoals ultrasone transducers voor medische beeldvorming en industriële machinebewaking.

Piëzo-elektrische sensoren hebben de volgende hoofdkenmerken;

• Ten eerste, hoge sterkte en dun van formaat
• Ten tweede, hoge mechanische sterkte
• Dan, hoge stabiliteit en elastische compliantie
• Bovendien breed frequentiebereik
• Ook slagvastheid
• Eindelijk, hoogspanningsuitgang

Hoogspanning en stroombronnen

Sigarettenaansteker volgens het piëzo-elektrische principe

Dit is de meest populaire praktische toepassing van het piëzo-elektrische principe dat er is. De beste voorbeelden zijn gasgrills en elektrische sigarettenaanstekers. Bovendien hoeft u alleen maar op een knop te drukken en een veerbelaste hamer raakt een piëzo-elektrisch kristal. Die produceert dan een voldoende vonk die ervoor zorgt dat een elektrische lading het gas doet ontbranden.

Motoren

Het belangrijkste voordeel van het piëzo-elektrische effect is de kleine verandering in overeenstemming met hoogspanningstoepassingen - waardoor het perfect is voor gebruik met extreme nauwkeurigheid bij positionering.

Daarom hebben piëzo-elektrische motoren veel voordelen ten opzichte van conventionele elektromagnetische motoren. Bovendien bieden ze meer kracht en koppel, ondanks dat ze over het algemeen kleiner en compacter zijn.

Bovendien hebben elektromagnetische velden geen invloed op de prestaties van piëzo-elektrische apparaten, waardoor ze beter zijn voor snel starten en stoppen.

Piëzo-elektrische actuatoren

Piezo-elektrische actuator illustratie.

Bron: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Actuatoren gebruiken het omgekeerde piëzo-elektrische effect om apparaten zoals braille- en breimachines van stroom te voorzien. In het actuatorsysteem zit een piëzo-elektrisch materiaal tussen een metalen plaat en een actuator.

Het toepassen van een hoogspanningsstroom in dit systeem zorgt ervoor dat het piëzo-elektrische materiaal met tussenpozen uitzet en samentrekt, waardoor de actuator ritmisch beweegt.

Deze actuatoren zijn nuttig, vooral in apparaten die nauwkeurige positionering vereisen, zoals spiegels in satellieten. Vanwege hun eenvoudige ontwerp en minimale bewegende delen, zijn ze ook geweldig voor geminiaturiseerde apparaten zoals videocamera's en mobiele telefoons.

Voor- en nadelen van piëzo-elektriciteit

Ondanks alle lof heeft piëzo-elektriciteit ook enkele beperkingen. Hier zijn enkele van de belangrijkste voor- en nadelen van piëzo-elektriciteit.

Piëzo-elektrische generatoren

Een piëzo-elektrische generator (ook bekend als PEG's) maakt gebruik van piëzo-sensoren om mechanische energie om te zetten in elektrische energie zonder enige fysieke rotatie - meestal te vinden in traditionele generatoren. Als zodanig zijn piëzo-elektrische generatoren verkrijgbaar in kleine, compacte en zeer handzame formaten.

In deze generatie zijn piëzo-elektrische generatoren een welkome doorbraak in energieopwekking. Hoewel ze nog niet zijn bereikt, beschikken ze over de kracht om de droom van zelfaangedreven draadloze elektronische apparaten te verwezenlijken.

Het kan nog een lange weg zijn voordat we deze droom kunnen verwezenlijken; piëzo-elektrische generatoren hebben echter bewezen betrouwbare, stabiele en zeer duurzame stroombronnen te zijn. Experts geloven dat het niet lang zal duren voordat piëzo-elektrische generatoren een groot deel van onze stroombehoefte kunnen vervangen.

Piëzo-elektrische generatoren – voordelen en beperkingen

Voordelen

• Ten eerste, veelzijdig qua formaat. Vanwege hun unieke eigenschappen zijn piëzo-elementen in zeer flexibele maten en ontwerpen verkrijgbaar. Ze kunnen zo plat zijn als je nodig hebt om in elk miniatuurapparaat te passen.

Ten tweede oogsten piëzo-elementen energie die anders verloren zou gaan. Een piëzomotor die aan een voetgangersbrug is bevestigd, verzamelt bijvoorbeeld de trillingen van het voetenwerk en zet deze om in elektrische energie. Dit werkt als een alternatieve energiebron en een manier om geluidsoverlast uit de omgeving te verminderen.

Beperkingen

• Ze hebben een beperkt vermogen. Een piëzo-elektrische generator heeft constante trillingen nodig om constant vermogen te genereren. Daarom is het opgewekte vermogen recht evenredig met de uitgeoefende spanning. U kunt de output verhogen door meerdere piëzo-elektrische elementen op elkaar te stapelen. Na een bepaald punt zijn er echter afnemende opbrengsten, omdat er meer druk nodig is om het systeem te laten werken.

Conclusie

Dus, hoe werkt piëzo-elektrisch? Samengevat kunnen piëzo-elektrische materialen mechanische energie gemakkelijk omzetten in elektrische energie. De unieke eigenschappen van deze materialen maken ze zeer nuttig in veel technologische gebieden. Vooral gebieden die nauwkeurige positionering nodig hebben.

De toepassingen van piëzo-elektrische technologie zijn grenzeloos en er zijn veel mogelijkheden om te verkennen. Technische fabrikanten zoals WellPCB lopen voorop bij het integreren van deze technologie in het dagelijks gebruik.