Piezoeletricidade


Existem materiais, denominados piezoelétricos, que, quando submetidos a uma deformação mecânica, geram cargas elétricas que aparecem em suas faces, como mostra a figura 1.



Da mesma forma, se esses materiais forem submetidos a uma tensão elétrica, eles sofrem uma deformação mecânica, ou seja, podem curvar-se, alongar-se ou mudar sua espessura, conforme ilustra a figura 2.



O cristal de quartzo é um material que apresenta essas propriedades, podendo ser usado, por esse motivo, para gerar sinais elétricos de freqüência fixa. De fato, se um cristal de quartzo for excitado eletricamente, ele tende a vibrar numa única freqüência, de forma precisa, dada pelas suas dimensões e o formato em que ele é cortado.


Cristais como o visto na figura 3 são usados para controlar a freqüência de osciladores em relógios, transmissores, computadores, instrumentos eletrônicos, de modo a se obter um sinal preciso.



Cristais com freqüências que vão de algumas dezenas de quilohertz a centenas de megahertz podem ser encontrados nos equipamentos eletrônicos de todos os tipos.

Um outro tipo de material piezoelétrico, com grande gama de aplicações na eletrônica, é a cerâmica de Titanato de Bário.

Além de ser mais barata, ela pode ser fabricada facilmente em diversos formatos e é fisicamente muito resistente. Essa cerâmica é usada principalmente na fabricação de transdutores semelhantes aos da figura 4.



Quando aplicamos um sinal de áudio nas pastilhas de titanato de bário elas vibram na mesma freqüência, transformando esses sinais em sons.


Transdutores sonoros de aviso em computadores, brinquedos, equipamentos de consumo, etc usam esses transdutores, quer seja na forma direta de pastilhas quer seja na forma de cápsulas.

Se o sinal aplicado vier de um amplificador, por exemplo, o transdutor funcionará como um fone de ouvido.

Mas, esses transdutores também funcionam de forma inversa, captando vibrações ou sons. Assim, se falarmos diante de um transdutor deste tipo, ele vai converter as vibrações sonoras correspondentes ao som em sinais elétricos, conforme exibe a figura 5. O transdutor operará como um microfone.



Acoplado a um objeto, ele poderá também ser usado para detectar vibrações mecânicas.

Finalmente, existe uma aplicação interessante que é a de gerar altas tensões. Se a uma cerâmica de titanato de bário acoplarmos um sistema que lhe dê uma boa pancada quando acionarmos um gatilho, poderemos gerar faíscas que alcançam os 4 000 volts ou mais, conforme mostra a figura 6.




Esse sistema é utilizado em acendedores de fogão bastante eficientes.

Mas, para os leitores, será interessante empregar os transdutores em alguns experimentos que podem até ser usados nas escolas, como temas transversais para o estudo de ciências ou ainda como atividade para as eletivas que envolvam tecnologia.

Projetos

Para os experimentos que vamos descrever a partir de agora recomendamos o uso de transdutores cerâmicos (piezoelétricos) do tipo visto na figura 4.

O leitor, entretanto, deve ter cuidado para não confundir transdutores magnéticos (que têm o mesmo formato em alguns casos) e que não servem. Os transdutores piezoelétricos são leves e podemos ver pelas aberturas o cristal interno. Os tipos magnéticos são pesados.

1. Telefone

A descrição completa de um telefone usando 4 transdutores foi feita na revista Eletrônica Total número 102.

O projeto consiste em se ligar em paralelo quatro transdutores, de modo que dois funcionem como fones e dois como microfones, numa disposição igual à da figura 7.



Veja que não há distinção entre qual vai funcionar como fone ou como microfone, pois cada transdutor opera nos dois modos.

O cabo que interliga os dois aparelhos pode ter até 50 metros, sem problemas. Quando falamos em qualquer microfone, os sinais são enviados aos outros transdutores. No fone do receptor podemos, então, ouví-lo claramente.

O circuito não precisa de energia, pois a eletricidade que corresponde ao sinal é gerada pelo próprio transdutor que funciona como microfone.


2. Rádio de Galena

A sensibilidade de um transdutor piezoelétrico é tão grande que ele pode transformar em som audível os fracos sinais captados de uma estação próxima por um fio esticado. Este é o princípio de funcionamento dos rádios de galena ou rádios de cristal, que não precisam de energia (pilhas ou força) para funcionar.

O que fazemos é colocar um circuito ressonante para sintonizar as estações de ondas médias locais, uma antena de pelo menos uns 5 metros e um diodo para detectar os sinais. O fone piezoelétrico é o elemento final do circuito. Na figura 8 temos o circuito completo do rádio.



A bobina é feita enrolando-se 100 espiras de fio comum fino ou fio esmaltado 26 ou 28 AWG num tubo de PVC ou cabo de vassoura. Na figura 9 vemos o aspecto final da montagem, feita numa base de plástico ou madeira.



O capacitor variável, onde é feita a sintonia das estações, é aproveitado de um rádio transistorizado de AM fora de uso.


Uma opção interessante para quem não quiser usar esse componente consiste em se fazer diversas tomadas na bobina e fazer a seleção das estações por ligações nessas tomadas, conforme mostra a figura 10.



O diodo detector pode ser de qualquer tipo de germânio como o 1N34, 1N60, etc.

A antena consiste num pedaço de fio esticado (mesmo encapado) com pelo menos 8 metros de comprimento, e a ligação à terra é feita simplesmente segurando-se na ponta do
fio-terra.

À noite, quando a propagação dos sinais é melhor, até mesmo estações distantes poderão ser captadas.


3. Transmissor

Na figura 11 ilustramos o circuito de um pequeno transmissor para a faixa de FM que usa um transdutor piezoelétrico como microfone.



O alcance desse transmissor pode chegar aos 50 metros em campo aberto. A sensibilidade do microfone é suficiente para que conversas nas proximidades possam ser captadas com facilidade.

Na figura 12 temos o modo de se fazer a montagem desse transmissor numa pequena placa de circuito impresso.



A bobina é formada por 4 voltas de fio esmaltado AWG 22 ou 24 ou mesmo fio comum rígido fino. Como antena é utilizado um pedaço de fio rígido de 15 a 30 cm de comprimento.

O trimmer é usado para fazer a sintonia. Com uma pequena chave giramos o seu parafuso até captar o sinal em um ponto livre da faixa de FM.


4. Gerador de Ruídos

Trata-se de um experimento muito simples que mostra como converter energia elétrica em som, produzindo um forte ruído num transdutor.

O que fazemos é gerar alta tensão com um transformador e aplicá-la num transdutor, conforme exibe a figura 13.



Esfregando a ponta do fio na lima, é gerada uma corrente pulsante que induz no secundário do transformador uma alta tensão também pulsante. Os pulsos aplicados ao transdutor geram um forte ruído.

O transformador pode ser de qualquer tipo com primário de 110 V ou 220 V, que será ligado ao transdutor, e secundário de 6 a 12 V com qualquer corrente.


Uma brincadeira que pode ser feita com este circuito consiste em se esconder o transdutor em algum lugar (no quarto de um amigo) e acioná-lo à distância durante à noite, conforme sugere a figura 14.



5. Sirene

Na figura 15 temos um circuito de uma sirene intermitente com base no circuito integrado 4093.



Os tons podem ser ajustados em P₂ e P₃ enquanto que a velocidade da intermitência é ajustada em P₃.


A montagem deste circuito numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 16.



Conclusão

Os transdutores piezoelétricos consistem em uma excelente alternativa para a reprodução de som e mesmo como microfones, substituindo os alto-falantes comuns.

Sua grande vantagem é que a alta impedância permite que eles sejam excitados diretamente pela saída de circuitos integrados CMOS e seu rendimento pode até ser maior.

Além disso, eles são menores e mais sensíveis, podendo ser excitados com muito menor potência, o que é importante, principalmente nas aplicações em que a fonte de energia é formada por pilhas e baterias.

*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Fácil - Ano 6 - N°40