Piezo -element

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigasjon Hopp til søk
Mekanisk kraft på et piezo -element skaper en elektrisk spenning

Et piezo-element er en komponent som bruker piezo-effekten til enten å utføre en mekanisk bevegelse ved å påføre en elektrisk spenning ( piezo-aktuator , bruker den såkalte inverse piezo-effekten), eller for å produsere en elektrisk spenning når en mekanisk kraft påføres .

Materialer

Piezoelektriske elementer kan visse krystaller ( piezoelektriske krystaller ), eller piezoelektriske keramikk , som polykrystallinske materialer kan være. Hovedsakelig for applikasjonen som en aktuator brukes keramikk stort sett i dag, fordi ved lavere spenninger resulterer de i en større endring i lengde enn piezokrystaller; det mest brukte materialet er blyzirkonattitanat (PZT). Dette materialet er ferroelektrisk og polariseres ved å varme det over ferroelektriske Curie -temperaturen (ved PZT ca. 300 ° C) og påfølgende avkjøling i et elektrisk felt. Som et resultat er de opprinnelig tilfeldig justerte magnetiske dipolmomentene ( Weiss -områder ) stort sett parallelle.

Polarisasjonen kan ødelegges av for høy temperatur (nær Curie -temperaturen), for høyt trykk eller for høyt elektrisk felt. Polarisasjonen beskrevet ovenfor må deretter utføres på nytt.

Sammenlignet med piezokrystaller har imidlertid piezoelektrisk keramikk også ulemper:

  • Høyere ikke-linearitet : nedbøyningen er ikke akkurat proporsjonal med den påførte spenningen.
  • Hysterese : Etter å ha påført og slått av en elektrisk spenning, går komponenten ikke nøyaktig tilbake til sin opprinnelige posisjon
  • Kryp : Avbøyningen når ikke umiddelbart sluttverdien når en konstant spenning påføres.

Struktur av piezo -elementer

Elektroder påføres det piezoelektriske materialet slik at den påførte spenningen skaper et elektrisk felt, eller det elektriske feltet som skapes av en mekanisk kraft, forårsaker at en spenning påføres elektrodene.

I det enkleste tilfellet er et piezo -element en plate med elektroder på endeflatene, som ekspanderer i tykkelsesretningen og trekker seg sammen i tverrretningen når en spenning påføres. Deformasjonen vedvarer så lenge spenningen påføres. Hvis det ikke er noen endringer i ytre krefter, kreves ingen energi for å opprettholde deformasjonen. Hvis spenningens polaritet reverseres, endres deformasjonsretningen - i dette tilfellet sammentrekning i tykkelsesretningen og ekspansjon i tverrretningen.

Andre design er piezoelektriske rør (elektroder på den indre og ytre veggen) og bøyelementer (også kalt bimorfer), der to plater med en elektrode i mellom limes sammen på en slik måte at når en spenning påføres, ekspanderer en og andre kontrakter samtidig. Dette resulterer i en bøyning som ligner på en bimetallstrimmel , men deformasjonen er mye mindre.

Piezo -stabel

Stackarrangementer brukes som en aktuator eller som en generator .

Piezo -aktuator

Piezo -stabel i sandwichkonstruksjon i snitt. Består av piezokeramiske lag mellom to elektroder (+ og -), to endeplater (topp og bunn), en isolerende kappe og forbindelsene som stikker ut til venstre (+) og høyre ( -) på jakken som skal kobles til via en slingre

For bruk som piezo -aktuator er ofte størst mulige bevegelsesamplituder ved lave spenninger ønsket. Siden den relative langsgående forlengelsen er proporsjonal med den elektriske feltstyrken, kan dette oppnås ved å holde elektrodene på en liten avstand (feltstyrke = spenning / elektrodeavstand). Når det gjelder piezoelementer med flere lag (også kalt “flerlagselementer”, “piezo -stabel” eller “piezo -stabel”), oppnås dette ved å kaskade flere tynne piezo -elementer med elektroder i mellom. Dette resulterer i et mekanisk serieopplegg med kontroll ved hjelp av en elektrisk parallellforbindelse . Følgende skjema brukes for dette: Først stables en piezodisk på en elektrode (for eksempel plussforbindelsen), deretter en annen elektrode (-) og til slutt en annen piezodisk, men denne gangen endres polarisasjonsretningen . Denne ordningen kan nå gjentas nesten etter ønske. Plus- og minuselektrodene er hver tilkoblet på utsiden. Arrangementet av elektrodene kan tenkes som kammer som er nestet slik at stikkene på den ene kammen fyller hullene i den andre.

En spenning kan nå påføres elektroden slik at avstanden mellom de to elektrodene øker på grunn av en lineær ekspansjon av piezo -krystallet. Maksimal spenning som skal påføres avhenger av tykkelsen på den piezokrystallinske skiven, materialet og isolasjonsegenskapene mellom elektrodene. Med en lagtykkelse på piezomaterialet på 0,2 mm kan en maksimal spenning på omtrent 100–150 V påføres. Maksimal nedbøyning er omtrent 0,2%.

Siden elektrodene vanligvis er tett sammen og spenningene er høye, kan gnister hoppe over kantene avhengig av ytre forhold ( fuktighet , lufttrykk ). Av denne grunn er piezostakkene isolert utenfra med en plast . Kravene til denne isolasjonen er høye og var inntil nylig en av de vanligste årsakene til den korte levetiden til piezo -stabler. I mellomtiden er det også utviklet piezo -stabler med et keramisk belegg.

Piezo generator

En piezo -stabel kan også brukes som en strøm- eller spenningskilde for å generere høyere strømmer eller høyere spenninger. For dette formålet er elementene elektrisk koblet parallelt eller i serie, og den genererte spenningen tilføres for eksempel en squib , eller den genererte strømmen mates inn i en ladekrets .

Se også

weblenker