Генератор для пьезоизлучателя. Пьезоэлектрические генераторы: принцип работы, типы и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работают пьезоэлектрические генераторы. Какие материалы используются для их создания. Каковы преимущества и недостатки пьезогенераторов. Где применяются пьезоэлектрические генераторы в современной технике.

Содержание

Принцип работы пьезоэлектрического генератора

Пьезоэлектрический генератор преобразует механическую энергию непосредственно в электрическую без необходимости вращательного движения. Это происходит благодаря пьезоэлектрическому эффекту — способности некоторых материалов генерировать электрический заряд при деформации.

Как это работает?

При приложении силы к пьезоэлектрическому материалу происходит смещение зарядов в его кристаллической решетке
Образуются электрические диполи — пары противоположных зарядов
На поверхности материала возникает электрическое напряжение
Это напряжение создает небольшой электрический ток во внешней цепи

Таким образом, механическая деформация преобразуется в электрический сигнал. Этот эффект обратим — при подаче напряжения пьезоэлемент деформируется.

Материалы для пьезоэлектрических генераторов

Какие материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами? Их можно разделить на две основные группы:

Природные пьезоэлектрики

Кварц (SiO2) — один из первых открытых пьезоэлектриков
Сегнетова соль (KNaC4H4O6)
Сахароза
Некоторые биологические материалы (кости, ДНК)

Искусственные пьезоэлектрики

Керамика на основе титаната бария (BaTiO3)
Цирконат-титанат свинца (PZT)
Оксид цинка (ZnO)
Полимерные пьезоэлектрики (PVDF)

Искусственные материалы обычно обладают более высокими пьезоэлектрическими коэффициентами, что позволяет получать больший электрический отклик при той же деформации.

Типы пьезоэлектрических генераторов

В зависимости от конструкции и способа приложения нагрузки выделяют несколько основных типов пьезогенераторов:

Дисковые — круглые пластины, работающие на сжатие
Кольцевые — кольца, деформируемые по окружности
Пластинчатые — прямоугольные пластины, работающие на изгиб
Биморфные — состоят из двух склеенных пластин, изгибаются как единое целое
Многослойные — пакеты из тонких пьезоэлектрических слоев
Цилиндрические — полые цилиндры, деформируемые радиально

Выбор типа зависит от конкретного применения и характера воздействующих механических колебаний.

Характеристики пьезоэлектрических генераторов

Основные параметры, характеризующие работу пьезогенераторов:

Пьезоэлектрический коэффициент d (Кл/Н) — заряд, генерируемый при приложении единичной силы
Коэффициент электромеханической связи k — эффективность преобразования энергии
Диэлектрическая проницаемость ε
Резонансная частота fr
Максимальное выходное напряжение Vmax
Емкость пьезоэлемента C

Эти характеристики зависят от материала, геометрии и конструкции генератора. Они определяют эффективность преобразования энергии и выходную мощность устройства.

Преимущества пьезоэлектрических генераторов

Почему пьезогенераторы привлекают внимание инженеров? У них есть ряд важных достоинств:

Компактные размеры и малый вес
Отсутствие движущихся частей, высокая надежность
Возможность встраивания в различные конструкции
Широкий диапазон рабочих частот
Высокое выходное напряжение
Преобразование энергии малых механических колебаний
Возможность работы в жестких условиях

Эти свойства делают пьезогенераторы привлекательными для применения в автономных микросистемах и устройствах сбора энергии окружающей среды.

Ограничения пьезоэлектрических генераторов

Несмотря на преимущества, у пьезогенераторов есть и некоторые ограничения:

Низкая выходная мощность (обычно микроватты-милливатты)
Высокое внутреннее сопротивление
Необходимость согласования с нагрузкой
Нелинейность характеристик
Зависимость от частоты механических колебаний
Хрупкость пьезоэлектрической керамики
Старение материала и снижение характеристик со временем

Эти факторы ограничивают применение пьезогенераторов в качестве основных источников питания. Однако для маломощных устройств их преимущества часто перевешивают недостатки.

Применение пьезоэлектрических генераторов

Где используются пьезоэлектрические генераторы? Основные области применения:

Сбор энергии вибраций для питания беспроводных датчиков
Генерация энергии от ходьбы в «умной» обуви
Питание имплантируемых медицинских устройств

Автономное питание микроэлектромеханических систем (МЭМС)
Генерация искры в пьезоэлектрических зажигалках
Питание автономных маяков и передатчиков
Зарядка мобильных устройств от движения тела

Перспективным направлением является интеграция пьезогенераторов в дорожное покрытие для сбора энергии от проезжающего транспорта.

Схемы формирования сигнала пьезогенератора

Выходной сигнал пьезогенератора требует обработки для получения стабильного напряжения питания. Типовая схема включает:

Выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный
Накопительный конденсатор для сглаживания пульсаций
DC-DC преобразователь для стабилизации напряжения
Контроллер заряда аккумулятора или суперконденсатора

Существуют специализированные микросхемы для работы с пьезогенераторами, например LTC3588, упрощающие построение схемы формирования.

Для повышения эффективности применяются методы синхронного выпрямления и адаптивного согласования импеданса нагрузки с генератором.

Таким образом, пьезоэлектрические генераторы представляют собой перспективный способ преобразования механической энергии в электрическую для питания маломощных автономных устройств. Несмотря на ограничения, их уникальные свойства открывают новые возможности для создания самозаряжающихся систем, использующих энергию окружающей среды.

Пьезоизлучатели для применения в автомобилях

Перейти к содержанию

12 апреля 2017

Пьезоизлучатели компании Murata обеспечивают наибольшую громкость, необходимую при генерации сигналов предупреждения и оповещения водителя

Компания Murata Manufacturing Co., Ltd. разработала пьезоизлучатель¹ для поверхностного монтажа с выдающимися характеристиками, предназначенный для применения в автомобилях.

Участники автомобильного рынка продолжают развивать и реализовывать системы ADAS (усовершенствованные системы помощи водителю) для автомобилей следующего поколения. Человеко-машинные интерфейсы² , в которых используются сигналы предупреждения и оповещения во время вождения, требуют применения акустических устройств повышенной громкости. Кроме того, при использовании звуковых излучателей предыдущего поколения со штыревыми выводами нередко возникали дефекты монтажа, приводившие к ухудшению качества звука. Поэтому возникла необходимость в новых звуковых излучателях, которые могли бы паяться методом оплавления (в печах) и имели бы высокую надёжность, достаточную для их применения в автомобилестроении.

Используя свои наработки в области материалов и производственных технологий, компания Murata приступила к выпуску нового пьезоизлучателя для поверхностного монтажа, предназначенного для применения в автомобилях. Новый пьезоизлучатель PKMCS1818E20A0-R1 имеет в четыре раза больший уровень громкости по сравнению с пьезоизлучателями, которые компания выпускала до сих пор. То есть компания Murata добилась увеличения громкости на 10…12 дБ. Текущая цель — внедрить новый пьезоизлучатель в спидометры, гидроусилители рулевого управления, системы контроля задней двери, системы помощи при парковке и в прочие автомобильные системы.

Особенности пьезоизлучателя PKMCS1818E20A0-R1

Самый громкий звук среди всех пьезоизлучателей для поверхностного монтажа, представленных на рынке.
Типичное звуковое давление: 100 дБ (2 кГц, прямоугольный сигнал +12 В (o-p), 10 см)
Размеры
18.0 × 18.0 × 8.0 мм
Широкий диапазон рабочих температур
Может использоваться при температуре от –40 до +105°C.
Корпус для поверхностного монтажа, упаковка — лента на бобине
Паяется методом оплавления, что исключает дефекты монтажа и плохой звук.
Лёгкий (не более 1 г), не генерирует электромагнитных помех
Имеет простую структуру без магнитных либо индуктивных элементов, что обеспечивает низкий уровень паразитного электромагнитного излучения и минимальный вес компонента.
Малая потребляемая мощность
Потребляемая мощность не превышает десятой части мощности, потребляемой электромагнитными излучателями.

Терминология

¹ Пьезоизлучатель — компонент, который генерирует звуковой сигнал, используя пьезоэлектрический эффект, вызывающий колебания мембраны при подаче электрического сигнала.
Пьезоизлучатель содержит пьезоэлемент, помещённый в пластиковый корпус (резонатор). Генерация звука происходит при подаче на пьезоэлемент внешнего электрического сигнала. Активный пьезоизлучатель (зуммер) помимо пьезоэлемента содержит генератор и формирует звуковой сигнал при подаче постоянного напряжения, например, от батареи. Новый пьезоизлучатель предназначен для поверхностного монтажа.

² Человеко-машинный интерфейс — устройство или программное обеспечение, которое служит промежуточным звеном при обмене информацией между человеком и машиной.

Возможно вам будет интересно

Вверх

Импульсный генератор для возбуждения пьезоэлектрического излучателя

Д ля увеличения эффективности получения пьезоэлектрического излучателя на его резонансной частоте пьезопреобразователь, обладающий собственной емкостью С₀, включается последовательно в колебательный контур, состоящий, помимо ёмкости преобразователя, из индуктивности L и сопротивления R₁. Типичная схема генератора импульсов на основе тиристоров представлена на рис. 8.

Рис. 8

В начальный момент тиристор закрыт и конденсатор C₁заряжен. При подаче на электрод тиристора поджигающего напряжения, момент которого является моментом начала синхронизации, тиристор отпирается и происходит разряд конденсатора C₁, вследствие чего наблюдается мощный импульс тока через цепь LR₁, и на пьезоизлучатель подается импульс напряжения с амплитудой, приблизительно равной одной трети напряжения источника питания Е.

Расчет импульсного генератора указанного типа заключается в выборе величины напряжения источника питания, расчете элементов контура L, R₁, а также расчёте элементов схемы, определяющих режим её работы и параметры электрических возбуждающих импульсов.

Элементы ударного контура выбираются так, чтобы резонансная частота контура соответствовала резонансной частоте излучателя f₀. Это достигается путем выбора соответствующей величины индуктивности L. На частоте резонанса сопротивление контура равно нулю:

где ω_p = 2 ∙ π ∙ f_Р – резонансная частота преобразователя;

C₀ – электрическая ёмкость преобразователя.

ω_Р = 84400 Гц

L = 1 / 84400²∙ 4.449 ∙ 10^-8 = 3,158 ∙ 10^-3 Гн

Длительность электрического импульса, поступающего на преобразователь, определяется постоянной времени цепи С₁Z_конт, где Z_конт – полное внутреннее сопротивление контура. Максимальная ёмкость конденсатора C₁ ограничивается предельной величиной импульса тока, проходящего через тиристор в момент его разряда, а также длительностью генерируемых импульсов. Обычно величина емкости С₁ выбирается

С₁  3  C₀

С₁ ≈ 3  4. 449 ∙ 10^-8 = 13.35 ∙ 10^-8 Ф

Дополнительное сопротивление контура R₁ выбирают с целью уменьшить длительность возбуждающего импульса из условия

R₁ =  / Q

где  = L / C₀ – волновое сопротивление контура;

Q – добротность контура, которая в большинстве ультразвуковых измерительных приборов выбирается равной от 1 до 5.

 = 3.157 ∙ 10^-3 / 4.447 ∙ 10^-8 = 266.411 Ом

R₁ = 266.411 / 1.622 = 164.248 Ом

Величина сопротивления R₂ определяется тем условием, что постоянная времени цепи τ должна быть в несколько раз меньше времени между импульсами синхронизации (поджигающими импульсами). Частота импульсов синхронизации (частота посылок) у приборов, работающих от сети, как правило, бывает равной 50 – 100 Гц. Величина R₂ должна быть такой, чтобы после разряда конденсатора С₁ в промежуток времени до прихода на его сетку следующего импульса синхронизации тиристор успел погаснуть и стать запертым. Постоянная времени τ = R₂ C₁ обычно имеет величину порядка τ = 1000 мкс.

R₂ = 10^-3/ 13.34 ∙ 10^-8 = 0.75 ∙ 10⁴ Ом

Величины сопротивлений R₃, R₄, R₅определяются оптимальными режимами работы схемы, в частности, типом тиристора.

Задающий генератор, создающий импульсы синхронизации, может быть собран в виде мультивибратора на базе операционного усилителя или в виде схемы-формирователя синхроимпульсов из синусоидального напряжения сети. Задающий генератор может также использоваться для запуска генератора разведки.

Пьезокерамический генератор 38В — SMGE79W18T15V40 — STEMINC

Категории

ПЬЕЗО-ДИСК
ПЬЕЗО КОЛЬЦО
ПЬЕЗО ПЛАСТИНА
БЕССВИНЦОВЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
РЕЖИМ СДВИГ ПЬЕЗО
ПЬЕЗОБЛОК
ПЬЕЗОЦИЛИНДР
ПЬЕЗО УНИМОРФ
ПЬЕЗО БИМОРФ
СТЕКОВЫЕ ПЬЕЗОАКТУАТОРЫ
БОЛТ ЗАЖИМНЫЙ ЛАНЖЕВЕН
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВОЗДУХА
МНОГОСЛОЙНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
ОДНОСЛОЙНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
ПЬЕЗОДИАФРАГМА
ПЬЕЗО-МАССАЖ
ГЕНЕРАЦИЯ ТУМАНА
МНОГОСЛОЙНЫЙ ПЬЕЗО-ДИНАМИК
ПЬЕЗО-ВЕНТИЛЯТОР
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК ПОТОКА
ПЬЕЗОКОНДЕНСАТОР
ПЬЕЗО-ПОЛУШАРИЯ
ПОВЕРХНОСТНАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ ВОЛНА
ПЬЕЗО РАЗНОЕ
—

Дом /
ПЬЕЗО БИМОРФ /
Пьезокерамический генератор 79x18x1,5 мм

SMGE79W18T15V40 — 1 шт. /компл.

Номер детали производителя: СМГЭ79В18Т15В40

Доступность: 476 в наличии

25,48 долларов США

Перевозки: $73,98

Доставка каждой дополнительной единицы: $0.00

/1 шт. в комплекте

Состояние:

Новый

Номер детали: SMGE79W18T15V40

Пьезоэлектрический керамический биморфный генератор, который можно использовать в приложениях, где присутствует изгибающая сила.
Генерирует 40 В при отклонении на 1 мм.
Биморф может отклониться только на 1 мм. Более того, керамика на нем даст микротрещины и сделает биморф либо бесполезным, либо с ОЧЕНЬ низкой производительностью.

Материал пьезоэлемента: SM411
Размеры:
L1: 79±0,5 мм
L2: 70±0,5 мм
W1:18±0,5 мм
W2:15±0,5 мм
t: 1,55±0,05 мм

Static: емкость 110 нФ ± 30 % при 1 кГц
Условия испытаний: 23 ± 3 °C, относительная влажность 40–70 %
Cs => измеритель LCR при 1 кГц, 1 В (среднеквадратичное значение)
Применение: сбор энергии/электричества от механической силы/изгиба.

Спецификация продуктов может быть изменена без предварительного уведомления.

Дополнительные примечания:

Ярлыки товаров

Пьезо Биморф (12)
,
Сбор энергии (32)

Как работает пьезоэлектрический генератор? – Типы и характеристики

Большая часть электротехники сосредоточена на новых способах производства электроэнергии из других источников энергии вокруг нас, а другая большая часть сосредоточена на ее кондиционировании. Один новый тип датчика преобразует механическую энергию напрямую в электрическую энергию без необходимости вращательного движения, типичного для генератора – пьезоэлектрический генератор.

Поскольку пьезоэлектрический генератор не требует движущихся частей, его можно сделать очень компактным, надежным и долговечным; это также упрощает обработку сигнала. Существует много типов пьезоэлектрических элементов, как показано ниже (источник: piceramic), каждый элемент имеет различную форму и характеристики. Давайте обсудим работа пьезоэлектрического генератора и его свойства подробно в этой статье.

Что такое пьезоэлектрический эффект и как он работает?

Пьезоэлектричество — это электричество, генерируемое в результате механического воздействия на определенные материалы, такие как кристаллы (кварц), керамика (цирконат титаната свинца) и даже некоторые биологические материалы, такие как кости и ДНК.

Фактический механизм включает генерацию электрических диполей, которые представляют собой два противоположных заряда, разделенных небольшим расстоянием, которые можно приблизительно сравнить со стержневым магнитом в кристаллической структуре.

Когда к кристаллу прикладывается сила, небольшие изменения в структуре кристаллической решетки вызывают образование электрического диполя, который, в свою очередь, создает напряжение на гранях кристалла.

Это напряжение обеспечивает небольшое количество заряда, которое можно использовать для питания внешней цепи. Этот эффект работает и в обратную сторону, приложенное к пьезоэлементу напряжение приводит к его деформации вдоль плоскости. Так работают пьезоизлучатели и ультразвуковые преобразователи.

Рассмотрим подробно распространенный пьезоэлектрический материал — кварц.

Кварц представляет собой кристаллическую форму сложного диоксида кремния, который имеет один атом кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода, расположенными в виде шестиугольника. Обычно каждая вершина шестиугольника имеет один атом кислорода или кремния в чередующемся порядке.

Каждый атом несет с собой небольшой заряд. В случае кварца атом кислорода несет отрицательный заряд, а атом кремния – положительный. Поскольку все атомы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, заряды уравновешены в каждой вершине, и дипольный момент отсутствует.

При деформации кристалла по двум противоположным сторонам шестиугольника структура уплощается и теперь расстояние между противоположными вершинами увеличивается на концах. Это вызывает дисбаланс зарядов вдоль центральной оси, создавая небольшой дипольный момент .

Этот дипольный момент индуцирует небольшое напряжение на кристалле, перпендикулярное приложенной силе.

Выходные характеристики и формирование сигнала

Сформированный источник энергии больше всего напоминает конденсатор, поскольку при каждом приложении нагрузки может генерироваться только дискретное количество заряда. Выход представляет собой низковольтный импульс высокого напряжения, который необходимо настроить перед использованием.

Схема кондиционирования обычно включает выпрямитель с малым прямым падением напряжения и трансформатор для преобразования высокого напряжения в более низкое полезное напряжение, а также накопительный элемент, обычно суперконденсатор, для хранения энергии и постоянного тока. преобразователь для преобразования энергии в полезную форму.

В настоящее время существует множество микросхем, в которых все находится в одном маленьком корпусе, например, LTC3588 , для которой требуется очень мало внешних компонентов и которая имеет встроенную схему преобразователя мощности, включая силовые ключи, что упрощает реализацию маломощных Пьезоэлектрические системы сбора энергии .

Для непрерывного производства электроэнергии необходим постоянно колеблющийся источник механической энергии. Это может быть вызвано вибрациями от работающих двигателей или другого механического оборудования.

Однако по мере удаления механических колебаний от резонансной частоты пьезоэлектрического элемента потери диэлектрической мощности увеличиваются. Этому можно противодействовать, изготовив элемент с той же резонансной частотой, что и источник механических колебаний, что можно сделать, изменив размеры.

Пьезоэлектрическая постоянная пьезокристалла выражается в единицах C/N (кулонов на ньютон). В основном это относится к заряду на каждый приложенный Ньютон силы. Это значение зависит от материала, из которого изготовлен кристалл, и размеров.

Распространенные пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы могут встречаться как в естественном, так и в искусственном виде. Некоторые известные пьезоэлектрические материалы упомянуты ниже.

Природные материалы:

Кварц был первым природным материалом, который проявлял пьезоэлектрический эффект. Кварц сделан из оксида кремния и имеет пьезоэлектрический коэффициент около 2pC/N.

Другие материалы, такие как сегнетовая соль (виннокислый калий-натрия) и сахароза (обычный сахар), также проявляют пьезоэлектричество.

Искусственные материалы:

Керамика обычно используется в качестве пьезоэлектрических элементов. Некоторые примеры включают оксид цинка, титанат бария и титанат цирконата свинца.

Пьезоэлектрические генераторы – преимущества и ограничения

Самым большим преимуществом пьезоэлектрических генераторов является их размер и универсальность. Пьезоэлектрические элементы обычно очень плоские и в определенной степени гибкие, поэтому их легко встроить во многие вещи.

Одним из распространенных примеров является встраивание такого датчика в обувь. Каждый раз, когда делается шаг, элемент сжимается и вырабатывает электричество. Хотя количество вырабатываемой электроэнергии невелико, ее можно кондиционировать и хранить, чтобы позже сделать что-нибудь полезное, например, зарядить телефон или включить аварийный фонарик.

Можно также сложить несколько блоков, чтобы обеспечить большую выходную мощность, однако после определенного момента отдача снижается, поскольку для сжатия требуется большее усилие.

Поскольку пьезоэлементы собирают ненужную энергию устройств, пьезоэлектрические элементы, прикрепленные к двигателю, например, могут собирать энергию вибраций и уменьшать шум, поскольку энергия вибрации преобразуется в электрическую энергию.

Однако самым большим недостатком пьезоэлектрического генератора является ограниченная выходная мощность. Поскольку он очень похож на конденсатор, чтобы получить постоянную выходную мощность, он должен подвергаться вибрациям. Выход представляет собой переменный ток, поэтому требуется некоторое преобразование сигнала для преобразования его в постоянный ток и в пригодные для использования уровни напряжения и тока.

Учитывая эти ограничения и преимущества, пьезоэлементы хорошо подходят для промышленных сред с большим количеством механических вибраций, которые можно использовать для питания небольших микроконтроллеров IoT, используемых для мониторинга оборудования.