Приборы пьезоэлектроники

Одним из первых пьезоэлектрических приборов был кварцевый резонатор, имеющий очень высокую стабильность частоты колебаний. В течение многих лет кварцевый резонатор успешно применяется для стабилизации частоты генераторов и радиопередатчиков. Особенно высокая стабильность достигается, если кварц поместить в термостат. Существует также особый срез кварцевой пластинки (относительно осей кристалла), при котором и без термостата стабильность частоты весьма высока. Собственная резонансная частота кварца зависит от его геометрических размеров. Так, например, при колебаниях пластинки кварца по толщине резонансная частота определяется толщиной пластинки. Изменение толщины под давлением температуры приводит к нестабильности частоты.

На рисунке 1 приведен пример схемы генератора с кварцевой стабилизацией.

Схема простейшего генератора с кварцевой стабилизацией частоты

Кварцевый резонатор задает на вход транзистора (участок база-эмиттер) колебания со своей стабильной частотой, а усиленные колебания получаются в колебательном контуре, включенном в выходную, коллекторную цепь. Обратная связь, необходимая для самовозбуждения генератора, осуществляется через емкость коллектор-база. Если эта емкость недостаточна, то между коллектором и базой включают дополнительный кондер. Резики R1 и R2 включены для того, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение.

Добротность кварцевых резонаторов, т. е. отношение запасаемой реактивной энергии к энергии потерь, очень велика и составляет 10⁴÷10⁶. В соответствии с эквивалентной схемой кварц имеет две основные резонансные частоты. Для последовательного резонанса (резонанса напряжений) в цепи LCR частота резонанса определяется как:

Пьезорезонаторы могут быть сделаны не тольно из кварца, но и из пьезокерамики. Однако добротность при этом снижается и составляет 10²÷10⁴.

Кварцевые резонаторы широко используются в качестве эталонов частоты, в приборах для измерения частоты, в электронных часах для обеспечения высокой точности хода. Из кварцевых резонаторов составлены полосовые электрические фильтры, пропускающие весьма узкую полосу частот. Обширную группу пьезоэлектрических приборов представляют различные пьезодатчики, реагирующие на температуру, давление, перемещение, ускорение. В большинстве случаев работа таких датчиков основана на том, что даже небольшие изменения геометрических размеров пьезоэлемента дают заметное изменение его резонсной частоты. Во многих пьезоэлектричеких приборах применяют пьезокерамику, у которой пьезоэлектричекий эффект выражен гораздо сильнее, нежели у кварца. К примеру, у титаната бария этот эффект выражен в 100 раз сильнее.

На использовании прямого пьезоэффекта работают пьезоэлектрические микрофоны и звукосниматели. В них же применяется сегнетова соль или пьезокерамика. Эти же материалы используются в пьезоэлектрических телефонах и громкоговорителях, работающих на основе обратного пьезоэффекта.

Очень интересны пьезоэлектрические трансформаторы (ПЭТ), в которых пьезоэлемент имеет три и болле число электродов, подключенных к источнику переменного напряжения и нагрузке, либо к нескольким источникам и нескольким нагрузкам.

Так же, как и обычные трансформаторы с обмотками, ПЭТ могут усиливать сигнал по напряжению или по току, преобразовывать нагрузочное сопротивление, осуществлять фазовый сдвиг на 180°. Бывают ПЭТ узкополосные, работающие на частотах, близких к одной резонансных частот пьезоэлемента, или широкополосные.

Чаще всего ПЭТ являются трансформаторами напряжения, но если они расчитаны на большие токи - в несколько ампер, то их называют трансформаторами тока. Часть ПЭТ, подключенная к источнику переменного напряжения, называется возбудителем, а часть, подключенная к нагрузке - генератором. В возбудителе за счет обратного пьезоэффекта энергия электрических колебаний переходит в энергию акустических волн, которые распространяются по направлению к генератору. В нем за счет прямого пьезоэффекта энергия механических колебаний преобразуется в электрическую. Так как амплитуда механических колебаний максимальна при резонансе, то именно на резонансных частотах коэффициент трансформации, равный отношению вторичного напряжения к первичному, будет максимальным.

В простейшем виде ПЭТ делается из двух пьезокерамических брусков, склеенных друг с другом (рисунок 2). Один брусок служит возбудителем, другой - генератором. Оба бруска сделаны из пьезокерамики различного состава, так как к материалам возбудителя и генератора предъявляются разные требования. В зависимости от расположения электродов на возбудителе и генераторе возможны трансформаторы различных типов. Наибольшее применение получили трансформаторы поперечно-продольного типа, который собственно и показан на рисунке 2.

Рис. 2 - Пьезоэлектрический трансформатор поперечно-продольного типа

У такого трансформатора электрическое поле в возбудителе направлено поперек, а в генераторе вдоль. В зависимости от соотношения размеров коэффициент трансформации напряжения в режиме холостого хода может достигать нескольких тысяч.

Помимо "брусковых" применяются и другие ПЭТ - дисковые, цилиндрические, кольцевые. Пьезотрансформаторы могут использоваться в различных схемах при мощности до нескольких ватт и даже десятков ватт, в частности в маломощных выпрямителях для питания транзисторных схем. У таких трансформаторов КПД достигает 80-95%. К ряду важных особенностей можно отнести отсутствие обмоток, простоту устройства, низкую стоимость, малую массу, возможность микроминитюаризации для применения в микросхемах, возможность работы как на низких, так и на высоких частотах, большое многообразие конструкций и режимов работы. Недостаток ПЭТ - отсутствие проводимости для постоянной состовляющей тока, что не позволяет применять их в некоторых конструкциях.