Circuits piézoélectriques : Guide complet et applications

Chaque jour, nous rencontrons différentes situations qui nous obligent à mesurer des grandeurs physiques inconnues. Comme les niveaux de température ou de pression. Et pour mesurer ces quantités inconnues, vous aurez besoin d'un dispositif avec de telles capacités. Heureusement, nous avons la réponse. Tout ce dont vous avez besoin est un circuit piézo. Il existe différents types de circuits piézo pour diverses applications, comme le buzzer piézoélectrique ou le capteur piézo. Cependant, l'objectif de cet article est sur les transducteurs piézoélectriques. Donc, dans cet article, nous vous montrerons tout ce que vous devez savoir sur les circuits piézo et les différents types de circuits piézo. De plus, si vous voulez en apprendre davantage sur les transducteurs piézoélectriques pour votre projet de conversion, cet article est aussi pour vous.

Êtes-vous prêt ? Commençons !

Qu'est-ce qu'un circuit piézo ?

Regardons d'abord ce que signifie la piézoélectricité. Simplement, la piézoélectricité est l'électricité produite par une pression mécanique, créant ce que nous connaissons comme l'effet piézoélectrique.

Maintenant, un circuit piézo utilise cet effet piézoélectrique pour convertir l'énergie créée par des changements de force, d'accélération, de température, de pression ou de contrainte en une charge électrique.

Le terme transducteur englobe tout ce qui peut changer une forme d'énergie en une autre. Ainsi, le transducteur piézoélectrique est l'un des types de transducteurs.

Mais ce n'est pas tout.

La sensibilité du transducteur piézoélectrique est élevée. Donc, il peut servir de capteur et fonctionner dans un accéléromètre en raison de sa bonne réponse en fréquence.

Comment fonctionne un transducteur piézoélectrique ?

Comme mentionné précédemment, le transducteur piézoélectrique fonctionne sur le principe piézoélectrique. De plus, le matériau piézoélectrique, dans ce cas le quartz, a une fine couche de matériau conducteur (argent) recouvrant son corps.

De plus, les cristaux de quartz sont des combinaisons de silicium et d'oxygène placées dans un système cristallin ordonné (SiO₂).

Ce qui est plus, les cristaux piézoélectriques sont électriquement neutres et non polarisés (non uniformes et non symétriques).

Bien que les atomes présents dans ces cristaux ne soient pas ordonnés, ils ont des charges électriques modérées. En d'autres termes, les charges positives contrebalancent les charges négatives.

De plus, le cristal de quartz a une fonction unique. Il produit une polarité électrique chaque fois que vous appliquez une pression ou une force mécanique sur une surface.

Si vous voulez obtenir plus d'informations sur le fonctionnement des circuits piézo, vous pouvez consulter cet article.

Types de transducteurs piézoélectriques

Il existe divers types de transducteurs piézoélectriques. De plus, vous pouvez classer ces types de transducteurs piézo selon le matériau du cristal piézoélectrique.

Transducteurs piézoélectriques en céramique

Eh bien, vous pouvez créer le transducteur piézoélectrique en céramique sous différentes formes et tailles. Pour cette raison, vous pouvez toujours répondre à vos exigences spécifiques ou à celles de votre client. Le composant principal du transducteur piézoélectrique en céramique est principalement créé à partir de compositions de titanate de zirconate de plomb.

Transducteurs piézoélectriques au sel de Rochelle

Le sel de Rochelle est un autre matériau qui peut fonctionner dans les transistors piézo. Parmi tous les différents matériaux piézoélectriques, le sel de Rochelle est le matériau avec la sortie la plus élevée.

Certains inconvénients incluent l'impossibilité d'utiliser ce matériau dans des environnements humides. Aussi, vous ne pouvez pas utiliser ce matériau au-dessus d'une température particulière (240 degrés Celsius).

Cependant, les cristaux synthétiques sont plus efficaces pour les applications de tension de crête, en particulier pour la sensibilité, que les cristaux naturels.

Transducteurs piézoélectriques basés sur le mode de fonctionnement

Vous pouvez diviser un transducteur piézo en transducteurs méga-soniques, soniques et ultrasoniques, selon la fréquence de fonctionnement. Chacune de ces classifications a des conceptions et fonctions différentes. Premièrement, vous pouvez utiliser le transducteur sonique à toute fréquence audible, qui devrait être inférieure à 2 kHz.

De bons exemples de transducteur sonique sont les transducteurs buzzer. Deuxièmement, la fréquence de fonctionnement normale du transducteur ultrasonique est entre 20 et 200 kHz. Enfin, les transducteurs méga-soniques fonctionnent au niveau de fréquence MHz.

Exemples de circuits piézo

Voici quelques exemples d'autres circuits piézo et comment ils fonctionnent :

Buzzer puissant alimenté en 3V

Il est difficile d'obtenir une intensité sonore élevée à partir d'un buzzer de type piézoélectrique avec une alimentation 3V CC.

Cependant, ce contourne de telles limitations et produit efficacement un son intense. Il le fait en combinant un secteur de boost de tension avec un réseau de rétroaction résonnant.

Ainsi, la tension que la pastille piézoélectrique reçoit est d'environ 40 volts crête-à-crête. Le résultat final est un circuit qui crée un son fort sans consommer beaucoup de courant.

Alarme de mouvement utilisant un dispositif piézo

Voici un autre circuit piézo abordable et facile à construire. Le résultat de ce circuit est un dispositif piézoélectrique que vous pouvez utiliser comme dispositif de détection de mouvement pour toute alarme de mouvement.

Générateur de son de clic circuit piézo

Le circuit générateur de son de clic crée un « clic » audible ou un retour chaque fois que vous appuyez sur un bouton — sur un système informatique. Les deux circuits ci-dessus ont la capacité de générer ces sons de clic chaque fois que leur entrée logique passe de bas à haut.

Le générateur de son de type piézo a une faible consommation d'énergie et fournit un niveau d'indication de capteur. De plus, vous pouvez contrôler le nombre de clics que vous obtenez par seconde.

Interrupteur tactile piézoélectrique

Voici un autre circuit piézo qui utilise une pastille piézoélectrique. De plus, vous pouvez sécuriser cette pastille à l'intérieur d'une boîte en plastique pour qu'elle agisse comme capteur de tapotement du doigt. Ainsi, chaque fois que vous tapez sur la boîte contenant la pastille, elle allumera/éteindra l'alimentation (CA ou CC) d'un dispositif externe.

De plus, une pile 9V alimente ce circuit et pilote un relais monobobine 10 A (5V) à simple contact. Avec ce relais, vous commutez entre l'alimentation CA ou CC. De plus, lorsque vous placez le circuit en mode veille, il consomme un courant minimal de 1 µA.

Transducteur piézoélectrique : Les différents types de modes de fonctionnement

Le transducteur piézoélectrique a trois modes de fonctionnement principaux, selon la façon dont vous tranchez le matériau piézoélectrique. Ils incluent les modes de fonctionnement transversal, longitudinal et de cisaillement.

Pour le mode transversal ; vous pouvez appliquer une pression sur l'axe principal 'Y' et générer une charge. Ensuite, déplacez-vous vers la direction 'X' à un angle de 90 degrés par rapport à la ligne de pression. À ce stade, la charge dépendra de la forme du matériau piézoélectrique.

Pour le mode longitudinal, la charge générée dépend de la force que vous appliquez. En contraste avec l'effet transversal, la charge dans le mode longitudinal ne dépend pas de la forme ou de la taille du matériau piézoélectrique.

Finalement, le mode de cisaillement est similaire à l'effet longitudinal. Il génère une charge basée sur la force que vous appliquez et n'est également pas dépendant de la géométrie du composant piézoélectrique.

Applications des transducteurs piézoélectriques

Voici quelques applications du transducteur piézoélectrique :

• Dans l'automobile, les capteurs de proximité et de niveau

• Dans les produits résidentiels tels que les détecteurs de mouvement ou d'objets
• Dans les appareils électroniques normaux comme les jouets, télécommandes et jeux

• Pour calculer les détonations dans les applications automobiles
• Dans les aéroports ou restaurants avec portes automatiques

Avantages et limitations des transducteurs piézoélectriques

Voici certains des avantages et limitations des transducteurs piézoélectriques

Avantages

• Ce sont des transducteurs auto-générateurs
• Parfaits pour une grande variété d'applications
• Simples à utiliser et à manipuler dans les circuits

Limitations

• Sensibles aux conditions environnementales comme la température
• Ne peuvent pas mesurer des applications statiques
• Vous ne pouvez pas obtenir facilement la forme et la résistance que vous voulez pour vos matériaux piézoélectriques
• Tension de sortie occasionnellement faible dans quelques applications

En résumé

Les circuits piézoélectriques sont des circuits uniques qui fonctionnent pour diverses applications. Le transducteur piézoélectrique est l'un de ces circuits qui vous offre des capacités uniques que vous pouvez difficilement trouver dans d'autres dispositifs de capteur.

Le transducteur piézoélectrique a plusieurs avantages et inconvénients — mais cela dépend de votre application. Enfin, assurez-vous d'évaluer de près les performances d'un transducteur piézoélectrique avant de faire un choix ou un achat.

Nous arrivons maintenant à la fin de cet article. Cependant, si vous avez plus de questions, n'hésitez pas à nous contacter. Nous serions ravis d'avoir de vos nouvelles.