Piezoelektrický menič

Piezoelektrický menič je elektronická súčiastka, ktorá pri svojej činnosti využíva Piezoelektrický jav pričom premieňa mechanické kmity na elektrické a naopak.
Ku konštrukcii piezoelektrického meniča možno použiť buď mäkké, alebo tvrdé piezoelektrikum.
Delenie piezoelektrík..
Mäkké piezoelektriká..
Najznámejším a najpoužívanejším mäkkým piezoelektrikom je Seignettova soľ (niekedy označovaná ako ako Rochellova soľ, alebo tiež ako vínan sodnodraselný, alebo aj ako Potassium Sodium Tartrate).V ázijskej literatúre sa označuje ako Bakka Damatte(i) (Na;K) ale často sa aj prepisuje pôvodný anglický názov do príslušného jazyka. Seignettova soľ je prirodzený makrokryštál. Monokryštál možno vypestovať buď v prirodzenej podobe v liahni matečného roztoku, alebo núteným rastom na výbrusu zárodku. Matečný roztok sa pripraví z usadenín ktoré sa nachádzajú na dne nádob ako vínny kameň, ktoré tvorí vínan draselný, a k nemu sa pridá uhličitan sodný. Kryštály sú biele až modrastej farby. Teplotná závislosť pomernej permitivity Seignetovej soli je najviac nepriaznivá v okolí druhého Curieova bodu pri teplote +24°C. Ďalšou nepriaznivou vlastnosťou je nízka teplota topenia. Seignetova soľ sa topí pri +55°C, pri strate kryštáľovej vody už od +38°C. Orientácie možných polôh výbrusu je vzhľadom k osám x,y a z. Výbrus orientovaný kolmo na elektrickú osu x, vyrezaný v tvare obdĺžnika tak aby jeho dlhšia strana zvierala s osou z, úhol 45°, je kryštálovým výbrusom ohybovým. U torzného výbrusu orientujeme doštičku kolmo k ose x tak, aby dlhšie strany boli rovnobežné s osou z a y. Výbrusy sa ďalej upravujú. Vždy dva rovnako orientované rezy sa vzájomne stmelujú a po stranách sa opatria vodivými polepmi. Stmelené výbrusy nazývame bimorfnými výbrusmi, alebo tiež ako kryštálové dvojčatá. Hotové výbrusy sa opatria ešte ochranným lakom, ktorý zvýši ich tepelnú odolnosť, inak veľmi chúlostivého člena. Vzhľadom k tomu, že z hľadiska šírky prenášaného kmitočtového pásma je dôležitá hodnota dolného medzného kmitočtu, volíme kapacitu dvojčat čo najväčšiu a oba výbrusy zapojujeme paralelne. Kryštálové výbrusy tmelíme preto v kryštálové dvojčatá, lebo u samostaného výbrusu pri jeho deformácii sa nenachádzajú na jeho povrchu oba náboje zároveň. Na povrchu sa objaví vždy len jeden náboj a vnútri výbrusu opačný. Opačnný náboj vzniká v takzvanej neutrálnej rovine, ktorou je výbrus rozdelený na dve časti, odlíšených druhom namáhania. A tak spojením dvoch výbrusov dostaneme vlastne toho istého javu, akoby sme jeden výbrus rozpoltili. Možno by sme dostali ideálne neutrálnu rovinu len v prípade keramického výbrusu bez tejto zvláštnej úpravy.
Kryštálové výbrusy sa režú oceľovým lankom, priamo v rozmeroch vlastného výbrusu. Prv sa rezali hodvábnym vláknom, vlhčeným vodou, ale potom sa vyžadovalo brúsenie. Nerovnaké bimorfné výbrusy by totiž mohli nepriaznivo ovplyvňovať parametre rozdielom v citlivosti v oboch kanáloch, skôr problematickou komplentáciou pri montáži snímacieho systému, než toleranciou výsledných elektrických veličín.
Tvrdé piezoelektriká..
Tvrdé piezoelektriká sú feroelektrické látky s polykryštalickou stavbou, u ktorých možno získať piezoelektrický jav umelo. Feroelektrickými doménami sú tu oblasti spontánnou polarizáciou. Sú vytvorené rovnomerne spriahnutými elektrickými elementárnymi dipólmi. Každá doména tvorí elektrický dipól. Ak nepôsobia žiadne vonkajšie vplyvy, nie je v dôsledku štatisticky náhodného smerového rozloženie dipólov žiadny ich smer privilegovaný a preto sa elektrické momenty navonok neutralizujú. Ale priložením vonkajšieho elektrického poľa, nastáva polarizácia postupným natáčaním domén, až nastane konečné dokonalé usporiadanie do smeru vonkajšieho elektrického poľa.
Z tvrdých (umelých) piezoelektrík sa najlepšie v praxi osvedčili polykryštalické titaničitany. Z nich najvodnejší a najpoužívanejším je titaničitan bárnatý. Okrem silného umele vyvolaného piezoelektrického javu, je fyzikálne aj chemicky veľmi odolný. Dôležitá pre praktické použitie je hlavne jeho teplotná nezávislosť v oblasti bežných prevádzkových teplôt, čo u Seignetovej soli bolo veľkým nedostatkom.
Vlastný piezomenič..
Podľa orientácie výbrusu je možné zhotoviť kryštáľové dvojča ohybové, alebo torzné. Z dôvodu zameniteľnosti mäkkých piezoelektrik za tvrdé je vhodnejšie voliť orientáciu vhodnú pre ohybové namáhanie. Výbrusy tvrdých piezoelektrík sú totiž výhradne vhodné len pre ohybové namáhanie. Pri rovnakých rozmeroch vlastných meničov možno ľahko zameniť výbrus titaničitanu bárnatého za výbrus Seignettovej soli. Držiak hrotu gramofónovej prenosky je prostredníctvom prenosového člena spojený s bimorfným výbrusom a podľa spôsobu orientácie ho vychyľuje. Toto tvrdé a robustné mechanické riešenie spojenia piezoelektrického meniča s chvejkou patrí k hlavným nevýhodám piezoelektrických vložiek a preto sú komerčne radené medzi lacné vložky. Preto nie je u výrobcov ani snaha o presnejšiu korekciu charakteristiky reprodukovaného signálu a s výhodou sa využíva fakt, že piezoelektrické meniče spolu s mechanickým spojovacím systémom samy do určitej miery korigujú nahrávaciu charakteristiku.
Piezoelektrická kryštálová vložka, rovnako ako keramická vložka sú výchylkovým typom meniča.
Zdroje.
Literatúra: :
Boleslav, A.: Mikrofony a přenosky. Praha, SNTL 1962.
Prof. Dr. Zd. Horák, Doc. Ing. Dr. Fr. Krupka, Ing. Dr. V. Šindelář: Technická Fysika, 3. vydání, Praha SNTL 1961, str.847, 5.3.7.Vlastnosti nevodivých krystalů.