ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Пьезоэлектрический элемент и его свойства

1 23

В электронике крайне необходимы устройства, способные генерировать сигналы с очень стабильными параметрами или точно выделять их из большой совокупности (фильтровать). Чтобы реализовать такие устройства, необходимы контура имеющие очень высокую добротность. Добиться этого от контуров, выполненных из реальных конденсаторов и катушек индуктивности, не представляется возможным, даже, несмотря на то, что предпринимаются ряд специальных конструктивных мер.

Добиться высокой добротности от резонансной системы, как оказалось, можно применяя пьезоэлектрические резонаторы.

Термин «пьезо» происходит от греческого слова «piezo» - давлю. Ряд материалов при давлении на них создают на внешней поверхности электрический заряд, как говорят, пьезоэлектричество. Существует и обратный пьезоэффект, который сводится к тому, что приложенное к материалу электрическое напряжение приводит к возникновению механических деформаций, которые меняют форму и размеры материала. Возможными видами механических колебаний являются сжатия – растяжения, изгиба, кручения, сдвига. В 1920 году проф. У. Кэди предложил пьезоэлектрический резонатор- - устройство, в котором кварц был зажат между электродами. Идея такого решения состояла в следующем. При воздействии на кварц переменным напряжением материал начинает «вибрировать». Если выбрать частоту переменного напряжения равной частоте внутренних механических колебаний (она определяется геометрическими размерами пластинки кварца, видом среза, способом ее крепления и т.п.) то в такой системе возникает механо - электрическое явление, подобное электрическому резонансу, но обладающее при этом очень высокой добротностью. Это устройство назвали пьезоэлектрическим резонатором.

Пьезоэлектрический резонатор это способный совершать резонансные колебания под действием электрического напряжения соответствующей частоты компонент электрической цепи с электромеханической связью, содержащий в своем составе заключенные в специальный корпус пьезоэлемент и электроды, которые поддерживают пьезоэлемент.

Электрические характеристики пьезоэлектрического резонатора в области резонансных частот достаточно полно описывается эквивалентной схемой, показанной на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Эквивалентная схема пьезоэлектрического резонатора

Цепочка виртуальных элементов L1, C1, R1 относится к ветви последовательного резонанса. Данные элементы физически не существуют, но они достаточно точно отражают механические характеристики пьезорезонатора: массу (L1), упругие свойства пьезоматериала и электродов (C1), потери энергии (R1). Емкостной элемент C0, резистивный R0 и элемент L1 составляют ветвь параллельного резонанса. Элемент С0 характеризует емкостные свойства материала и его держателей. R0 отражает способность материала проводить через себя электрический ток.

Следует помнить, что любой пьезорезонатор может «работать в резонансе» на нескольких частотах, что и используется на практике. При этом его характеристики будут существенно отличаться. При настройке на частоту последовательного резонанса пьезорезонатор представляет собой двухполюсник обладающий очень малым сопротивлением, фактически – КЗ перемычку. При настройке на частоту параллельного резонанса – разрыв цепи. Указанные свойства пьезорезонаторов используют в фильтровых устройствах.

Если пьезорезонатор используется для генерации колебаний, то следует иметь в виду, что частота последовательного резонанса существенно зависит от малостабильной межэлектродной емкости С0. Такие резонаторы, исходя из назначения, называют генераторными.

Следует иметь в виду, что резонансная частота пьезорезонатора зависит от температуры окружающей среды. По этой причине кварцевые резонаторы термостабилизируют.

Номинальное значение частоты, на которой рекомендуется использовать пьезорезонатор, обычно записано на корпусе компонента. Вся система параметров пьезорезонатора, а также информация о том, на каком виде резонанса его предпочтительнее использовать, обычно приводится в сопровождающей его документации.

Длительное время в качестве материала пьезорезонатора используется природный кварц. В пятидесятых годах прошлого столетия научились изготовлять искусственный кварц, который по некоторым показателям даже превосходит природный аналог. Добротность кварцевых резонаторов составляет 10⁴ – 10⁶. Применение кварцевых резонаторов в генераторных устройствах позволяет обеспечить относительное изменение частоты не превышающее 10^-6 – 10^-9 .

В последние годы стали широко использовать пьезоэлектрический эффект у керамических материалов на основе смеси титаната – цирконата свинца Pb(Zr,Ti)O₃ . В литературе этот материал еще называют PZT – или ЦТС – керамикой. Добротность (Q =600 – 4000) и температурная стабильность у таких пьезорезонаторов хуже, чем у кварцевых. Однако они обладают и рядом достоинств: существенно более низкой стоимостью; более высокой устойчивостью к механическим воздействиям; меньшими габаритами. Керамические пьезорезонаторы применяют в тех случаях, когда требуется низкая стоимость и не очень высокая стабильность. Кроме того, они больше подходят для устройств при эксплуатации которых характерны узкий температурный диапазон работы, подверженность непредсказуемым механическим воздействиям (падения, удары). Основная область их применения – в качестве компонентов пультов управления, не очень высокоточных приборов отсчета времени и, наконец, встроенных в аппаратуру микроконтролерров различных устройств.

1 23