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Efeito Piezelétrico I

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Tópicos: Introdução | Osciladores Hartley e Colpitts | Quartzo ou Cerâmica? |

1) Introdução

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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 ele 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. Na Figura 1-I, 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.


Fig 1-I

No processo inverso (Figura 1-II), 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.


Fig 1-II

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 e DVDs, 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 frequência do sinal aplicado com a frequência de ressonância natural do cristal. O efeito tem a máxima intensidade quando ambas as frequências são iguais. Osciladores e filtros a cristal operam por esse princípio.


2) Osciladores Hartley e Colpitts

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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. No oscilador Hartley (Figura 2-I), a frequência é determinada por L1, L2 e C e a realimentação é dada pelo conjunto L1 / L2.


Fig 2-I

No oscilador Colpitts (Figura 2-II), a frequência é definida por L, C1 e C2 e a realimentação é fornecida pelo conjunto C1 / C2.


Fig 2-II

O circuito ressonante LC apresenta, entretanto, uma limitação prática: a estabilidade de frequência é insuficiente para algumas aplicações. Um relógio, por exemplo, seria inviável se usasse, como base de tempo, pulsos fornecidos por um oscilador LC.

No circuito equivalente de um cristal (Figura 2-III), L, C e R dependem das propriedades do cristal e C1 é a capacitância entre os eletrodos.

Fig 2-III

No circuito da Figura 2-IV, o cristal substitui L e C1 do oscilador Colpitts e determina a frequência de operação (o indutor no coletor serve apenas para evitar retorno do sinal).


Fig 2-IV

Ressonadores piezelétricos são produzidos para frequências desde cerca de 100 kHz até muitos MHz. Embora a frequência, em princípio, seja fixa, podem, por exemplo, ser construídos com um diodo varicap em série, permitindo algum controle de frequência por tensão.


Fig 2-V

Osciladores a cristal são estáveis. Circuitos adequadamente projetados podem ter estabilidade tão alta quanto 1 parte em 100 milhões. Na Figura 2-V, um circuito típico para produzir sinal quadrado para aplicações digitais, tendo, como elementos ativos, dois inversores lógicos.


3) Quartzo ou Cerâmica?

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O material piezelétrico do elemento ressonante pode ser quartzo ou cerâmica. A Figura 3-I mostra curvas típicas da variação da impedância em função da frequência.


Fig 3-I

Os valores f1 e f2 são respectivamente as frequências de menor e maior impedância. A frequência de ressonância está entre ambas. O quartzo apresenta menor tolerância de frequência, menor variação com a temperatura e menor capacitância própria e, por isso, é adequado para frequências 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.
Referências
Brophy, James J. Basic Electronics for Scientists. USA: McGraw-Hill, 1977.
U. S. Navy. Basic Electronics. Hemus, 1976.

Topo | Rev: Dez/2007