O fenômeno piezelétrico (ou
piezoelétrico) foi descoberto no século 19, mas suas aplicações práticas só aconteceram com o desenvolvimento da eletrônica.
Componentes que operam com o efeito eram usados principalmente em osciladores e transdutores diversos em circuitos com válvulas termiônicas, mas as aplicações continuaram ou evoluíram e são encontrados nos aparelhos mais atuais, como televisores, computadores e outros.
No aspecto macroscópico, o princípio é simples: certos cristais, como o quartzo e também alguns materiais cerâmicos, geram um campo elétrico sob ação de um esforço mecânico e o processo inverso também ocorre.
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| Fig 01 |
Na Figura 01, um cristal piezelétrico tem eletrodos em faces opostas e sofre uma tensão mecânica de compressão.
Um potencial elétrico aparece entre os eletrodos e pode ser medido com um instrumento. Se o esforço for de tração, a polaridade será inversa.
No processo inverso (Figura 02), se um potencial elétrico é aplicado nos eletrodos, o cristal sofre uma tensão mecânica de compressão. Se a polaridade for invertida, o esforço mecânico também se inverte, ou seja, será de tração.
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| Fig 02 |
É evidente que o processo vale também para sinais não contínuos. Se, por exemplo, o cristal sofrer uma vibração, um sinal elétrico correspondente estará presente entre os eletrodos. Assim, o efeito pode ser usado em microfones e, na operação inversa, em fones de ouvido.
Em épocas anteriores aos CDs, havia também cápsulas piezelétricas para gerar o sinal de áudio correspondente àquele gravado mecanicamente nos discos de vinil.
Outro aspecto importante é a relação da freqüência do sinal aplicado com a freqüência de ressonância natural do cristal. O efeito tem a máxima intensidade quando ambas as freqüências são iguais. Osciladores e filtros a cristal operam por esse princípio.
Osciladores piezelétricos |
Topo | Fim |
Osciladores são basicamente formados por um elemento ativo de amplificação, um circuito ressonante e uma realimentação positiva que faz a oscilação ocorrer de forma permanente. Nas próximas figuras, tipos comuns de osciladores (Hartley e Colpitts).
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| Fig 01 |
No
oscilador Hartley (Figura 01), a freqüência é determinada por L
1, L
2 e C e a realimentação é dada pelo conjunto L
1/L
2.
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| Fig 02 |
No
oscilador Colpitts (Figura 02), a freqüência é definida por L, C
1 e C
2 e a realimentação é fornecida pelo conjunto C
1/C
2.
O circuito ressonante LC apresenta, entretanto, uma limitação prática: a estabilidade de freqüência é insuficiente para algumas aplicações. Um relógio, por exemplo, seria inviável se usasse, como base de tempo, pulsos fornecidos por um oscilador LC.
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| Fig 03 |
No circuito equivalente de um cristal (Figura 03), L, C e R dependem das propriedades do cristal e C
1 é a capacitância entre os eletrodos.
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| Fig 04 |
No circuito da Figura 04, o cristal substitui L e C
1 do oscilador Colpitts e determina a freqüência de operação (o indutor no coletor serve apenas para evitar retorno do sinal).
Ressonadores piezelétricos são produzidos para freqüências desde cerca de 100 kHz até muitos MHz.
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| Fig 05 |
Embora a freqüência, em princípio, seja fixa, podem, por exemplo, ser construídos com um diodo varicap em série, permitindo algum controle de freqüência por tensão.
Osciladores a cristal são estáveis. Circuitos adequadamente projetados podem ter estabilidade tão alta quanto 1 parte em 100 milhões.
Na Figura 05, um circuito típico para produzir um sinal quadrado para aplicações digitais, tendo, como elementos ativos, dois inversores lógicos.
O material piezelétrico do elemento ressonante pode ser quartzo ou cerâmica. A Figura 01 deste tópico mostra curvas típicas da variação da impedância em função da freqüência.
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| Fig 01 |
Os valores f
1 e f
2 são respectivamente as freqüências de menor e maior impedância. A freqüência de ressonância está entre ambas.
O quartzo apresenta menor tolerância de freqüência, menor variação com a temperatura e menor capacitância própria e, por isso, é adequado para freqüências mais altas.
A cerâmica tem melhor resistência mecânica, menor volume e menor custo e é usada em muitos aplicações, onde as melhores características do quartzo não são determinantes.