Piezoelektrische Schakelingen: Uitgebreide Gids & Toepassingen

Elke dag komen we situaties tegen waar we onbekende fysische hoeveelheden moeten meten – temperatuur, druk. Hiervoor heb je een apparaat met die capaciteiten nodig. De oplossing: een piezo-schakeling. Er zijn verschillende typen piezo-schakelingen voor diverse toepassingen, zoals piezo-buzzers of piezo-sensoren. Dit artikel richt zich op piezoelektrische transducers. We laten je alles zien over piezo-schakelingen en de verschillende typen. Ook als je meer wilt weten over piezoelektrische transducers voor je conversieproject, is dit artikel voor je.

Klaar? Laten we beginnen!

Wat zijn Piezo-schakelingen?

Eerst: wat is piezoelektriciteit? Eenvoudig gezegd: elektriciteit die ontstaat door mechanische druk – het piezoelektrische effect.

Een piezo-schakeling gebruikt dit effect om energie die ontstaat door veranderingen in kracht, versnelling, temperatuur, druk of vervorming om te zetten in een elektrische lading.

De term transducer omvat alles wat één energievorm in een andere kan omzetten. De piezoelektrische transducer is één van de typen transducers.

Maar dat is nog niet alles. De gevoeligheid van de piezoelektrische transducer is hoog. Hij kan dus als sensor en in een versnellingsmeter werken, dankzij zijn goede frequentierespons.

Hoe werkt een Piezoelektrische Transducer?

De piezoelektrische transducer werkt op het piezoelektrische principe. Het piezoelektrische materiaal (kwarts) heeft een dunne laag geleidend materiaal (zilver) om het heen.

Kwarskristallen zijn combinaties van silicium en zuurstof in een geordend kristallijn systeem (SiO₂). Piezoelektrische kristallen zijn elektrisch neutraal en onbevooroordeeld (niet uniform en symmetrisch).

Hoewel de atomen in deze kristallen niet geordend zijn, hebben ze matige elektrische lading: de positieve ladingen compenseren de negatieve. Een unieke functie van het kwarskristal: het produceert een elektrische polariteit wanneer je druk of mechanische kracht uitoefent op een oppervlak.

Voor meer informatie over piezo-schakelingen, raadpleeg dit artikel.

Typen Piezoelektrische Transducers

Er zijn verschillende typen, classificeerbaar naar het piezoelektrische kristalmateriaal.

Keramische Piezoelektrische Transducers

Keramische piezoelektrische transducers kun je in diverse vormen en maten maken, zodat je altijd kunt voldoen aan specifieke eisen. Het hoofdbestanddeel is meestal samengesteld uit loodzirconiaat-titaan.

Rochelle-zout Piezoelektrische Transducers

Rochelle-zout is een ander materiaal voor piezo-transistors. Van alle piezoelektrische materialen heeft Rochelle-zout de hoogste output.

Nadelen: niet bruikbaar in vochtige omgevingen. Ook niet boven een bepaalde temperatuur (240°C). Synthetische kristallen zijn effectiever voor piekspanningsuitgang en gevoeligheid dan natuurlijke kristallen.

Piezoelektrische Transducers Gebaseerd op Werking

Je kunt een piezo-transducer verdelen in mega-sonische, sonische en ultrasone transducers, afhankelijk van de werkwfrequentie. Elke classificatie heeft andere ontwerpen en functies.

• Sonische transducer: Bruikbaar bij hoorbare frequenties (< 2 kHz). Voorbeeld: buzzer transducers.
• Ultrasone transducer: Normale werkwfrequentie 20–200 kHz.
• Mega-sonische transducer: Werkt op MHz frequentieniveau.

Voorbeelden van Piezo-schakelingen

3V Aangedreven Luid Buzzer

Het is moeilijk om een luid geluid van een piezo-buzzer te krijgen met 3V DC. Deze schakeling omzeilt deze beperking door een spanningsverhoging te combineren met een resonante terugkoppeling. De piezo-wafer ontvangt ca. 40 volt piek-piek. Resultaat: luid geluid met lage stroomverbruik.

Bewegingsalarm met Piezo Apparaat

Een betaalbare, makkelijk te bouwen piezo-schakeling die fungeert als bewegingsdetector voor een alarm.

Klikgeluid Generator Piezo-schakeling

Deze schakeling genereert een hoorbare "klik" of feedback bij een toetsaanslag op een computersysteem. Beide bovenstaande schakelingen kunnen klikgeluiden genereren wanneer hun logische ingang van laag naar hoog schakelt. De piezo-geluidsgenerator heeft laag stroomverbruik en biedt sensor-niveau indicatie. Het aantal klikken per seconde is instelbaar.

Piezoelektrische Tikschakelaar (Tap Switch)

Deze schakeling gebruikt een piezo-wafer die je in een plastic doosje kunt bevestigen als vingertik-sensor. Wanneer je op de doos tikt, schakelt hij de stroom (AC of DC) van een extern apparaat aan/uit.

Een 9V batterij voedt de schakeling en stuurt een enkele 10A contactwaarde enkelspoel relais (5V) aan. Met dit relais schakel je tussen AC of DC. In standby modus trekt de schakeling minimaal 1µA.

Piezoelektrische Transducer: De Verschillende Werkmodi

De piezoelektrische transducer heeft drie hoofdbewerkingsmodi, afhankelijk van hoe je het piezoelektrische materiaal snijdt: transversaal, longitudinal en schuif (shear).

Transversale modus: Druk op de hoofdas 'Y' genereert lading. Beweeg in 'X' richting (90° vanaf de druklijn). De lading hangt af van de vorm van het piezoelektrische materiaal.

Longitudinale modus: De gegenereerde lading hangt af van de toegepaste kracht. In tegenstelling tot de transversale werking, is de lading hier niet afhankelijk van vorm of formaat van het piezoelektrische materiaal.

Schuifmodus (Shear): Vergelijkbaar met de longitudinale werking. Genereert lading gebaseerd op de toegepaste kracht, ook niet afhankelijk van de geometrie van het piezoelektrische component.

Toepassingen van Piezoelektrische Transducers

• In auto's, nabijheidssensoren en peilsensoren

• In consumentenproducten zoals bewegings- of objectdetectors
• In elektronica zoals speelgoed, afstandsbedieningen, games

• Berekening van detonaties in auto-toepassingen
• Op luchthavens of restaurants met automatische deuren

Voordelen en Beperkingen van Piezoelektrische Transducers

Voordelen

• Zelfgenererende transducers
• Geschikt voor een brede toepassingenreeks
• Eenvoudig te gebruiken en te hanteren in schakelingen

Beperkingen

• Gevoelig voor omgevingsfactoren zoals temperatuur
• Kan geen statische toepassingen meten
• Moeilijk de gewenste vorm en sterkte van piezoelektrische materialen te verkrijgen
• Soms lage uitgangsspanning in bepaalde toepassingen

Samenvattend

Piezoelektrische schakelingen zijn unieke schakelingen voor diverse toepassingen. De piezoelektrische transducer biedt unieke mogelijkheden die je zelden in andere sensorapparaten vindt.

De transducer heeft voor- en nadelen – afhankelijk van je toepassing. Evalueer de prestaties nauwkeurig voordat je een keuze of aankoop maakt.

We zijn aan het einde van dit artikel. Heb je meer vragen? Neem gerust contact op – we horen graag van je!