Пьезоэлемент

Механическая сила на пьезоэлементе создает электрическое напряжение

Пьезоэлектрический элемент является компонентом , который использует эффект пьезо либо выполнить механическое движение путем подачи электрического напряжения ( пьезоэлектрический привод , использует так называемый обратный пьезоэлектрический эффект), или для получения электрического напряжения , когда механическое прикладывается сила .

Материалы

Пьезоэлектрические элементы могут представлять собой определенные кристаллы ( пьезоэлектрические кристаллы ) или пьезокерамику , например поликристаллические материалы. В основном для применения в качестве исполнительного механизма сегодня в основном используется керамика, поскольку при более низких напряжениях они приводят к большему изменению длины, чем пьезокристаллы; наиболее часто используемым материалом является цирконат титанат свинца (PZT). Этот материал является сегнетоэлектрическим и поляризуется путем его нагрева выше температуры сегнетоэлектрика Кюри (при PZT около 300 ° C) и последующего охлаждения в электрическом поле. В результате первоначально случайно выровненные магнитные дипольные моменты (области Вейсса ) в основном выровнены параллельно.

Поляризация может быть нарушена слишком высокой температурой (близкой к температуре Кюри), слишком высоким давлением или слишком сильным электрическим полем. Описанная выше поляризация должна быть проведена снова.

Однако по сравнению с пьезокристаллами пьезокерамика также имеет недостатки:

  • Более высокая нелинейность : отклонение не совсем пропорционально приложенному напряжению.
  • Гистерезис : после подачи и выключения электрического напряжения компонент не возвращается точно в исходное положение.
  • Ползучесть : отклонение не сразу достигает конечного значения при подаче постоянного напряжения.

Структура пьезоэлементов

Электроды прикладываются к пьезоэлектрическому материалу так, что приложенное напряжение создает электрическое поле , или электрическое поле, созданное механической силой, вызывает приложение напряжения к электродам.

В простейшем случае пьезоэлемент представляет собой пластину с электродами на торцах, которая расширяется в направлении толщины и сжимается в поперечном направлении при приложении напряжения. Деформация сохраняется до тех пор, пока подается напряжение. Если внешние силы не изменяются, энергия для поддержания деформации не требуется. Если полярность напряжения меняется на противоположную, направление деформации изменяется - в данном случае сжатие в направлении толщины и расширение в поперечном направлении.

Другие конструкции представляют собой пьезоэлектрические трубки (электроды на внутренней и внешней стенке) и изгибающие элементы (также называемые биморфами), в которых две пластины с электродом между ними склеены вместе, так что при приложении напряжения одна расширяется, а другая сжимается одновременно. Это приводит к изгибу, аналогичному изгибу биметаллической ленты , но при этом деформации намного меньше.

Пьезо-стек

Пакеты используются в качестве исполнительного механизма или генератора .

Пьезо-привод

Пьезоэлемент в сэндвич-конструкции в разрезе. Состоит из пьезоэлектрических керамических слоев между двумя электродами (+ и -), изолирующей оболочкой и отверстиями слева (+) и справа двумя концевыми пластинами (верхней и нижней) (-), выступающими из корпуса вокруг меандра, который необходимо соединить

Для использования в качестве пьезопривода часто требуются максимально возможные амплитуды движения при низких напряжениях. Поскольку относительная продольная протяженность пропорциональна напряженности электрического поля, этого можно достичь, удерживая электроды небольшими (напряженность поля = напряжение / расстояние между электродами). В случае многослойных пьезоэлементов (также известных как «многослойные элементы», «пьезоэлементы» или «пьезоэлементы») это достигается каскадированием нескольких тонких пьезоэлементов с электродами между ними. Это приводит к механической последовательной схеме с управлением посредством электрического параллельного соединения . Для этого используется следующая схема: сначала на электрод (например, плюсовое соединение) накладывается пьезодиск, затем на другой электрод (-) и, наконец, на другой пьезодиск, но на этот раз направление поляризации изменяется. Теперь это расположение можно повторять почти по желанию. Каждый положительный и отрицательный электроды подключены снаружи. Расположение электродов можно представить себе как гребешки, которые расположены так, что зубцы одного гребня заполняют промежутки между другим.

Теперь к электроду может быть приложено напряжение, так что расстояние между двумя электродами увеличивается из-за линейного расширения пьезокристалла. Максимальное прикладываемое напряжение зависит от толщины пьезокристаллического диска, материала и изоляционных свойств между электродами. При толщине слоя пьезоматериала 0,2 мм можно приложить максимальное напряжение примерно 100–150 В. Максимальный прогиб составляет примерно 0,2%.

Поскольку электроды обычно расположены близко друг к другу, а напряжение велико, искры могут перескакивать через края в зависимости от внешних условий ( влажности , давления воздуха ). По этой причине пьезоэлементы снаружи изолированы пластиком . К этой изоляции предъявляются высокие требования, и до недавнего времени она была одной из наиболее частых причин короткого срока службы пьезоэлектрических блоков. В настоящее время также разработаны пьезоэлементы с керамическим покрытием .

Пьезогенератор

Пьезоэлемент также можно использовать в качестве источника тока или напряжения для создания более высоких токов или более высоких напряжений . Для этого элементы соединяются электрически параллельно или последовательно, и генерируемое напряжение прикладывается , например, к пиропатрону , или генерируемый ток подается в цепь зарядки .

Смотри тоже

веб ссылки