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Transformadores piezoelétricos (ART672)

Uma boa parte dos componentes eletrônicos tradicionais possui um equivalente integrado numa pastilha de silício. É o caso de capacitores, resistores, diodos, etc. O transformador e os indutores entretanto, por um bom tempo estiveram fora dessa possibilidade. Uma alternativa muito interessante para o que podemos considerar um transformador "de estado sólido" é justamente a apresentada nesse artigo: o transformador piezoelétrico. Na época da atualização deste artigo em 2012, constatamos que este tipo de copmponente começaa aparecer mais intensamente nos circuitos práticos.

A forma mais comum de se aumentar ou reduzir tensões sem o uso de transformadores tradicionais formados por bobinas e núcleos pesados é através de conversores de estado sólido, multiplicadores de tensão e outras configurações que além de complexas, nem sempre podem eliminar a necessidade de um indutor ou outro componente do mesmo tipo.

Uma saída para a alimentação de cargas de muito baixo consumo, como circuitos integrados CMOS e outros que exigem correntes da ordem de microampères é através do uso de um transformador piezoelétrico.

Podendo ser considerado um transformador "de estado sólido" , ele não faz uso de bobinas ou materiais ferrosos, podendo facilmente converter tensões sob regimes de baixas correntes. Trata-se, portanto de uma solução interessante para alimentar circuitos de baixa potência.

 

Como Funciona

O fato de que ao ter aplicada uma tensão uma cerâmica piezoelétrica se deforma, e da mesma forma, ao ser deformada, aparece em suas faces uma tensão é bem conhecido de todos os leitores, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1
Figura 1

 

Podemos aproveitar esse efeito piezoelétrico para converter tensões de uma forma muito simples.

Conforme mostra a figura 2, o enrolamento (virtual) de nosso transformador será formado por dois eletrodos colocados em pontos apropriados de um pedaço de cerâmica piezoelétrica.

 

Figura 2
Figura 2

 

Noutra parte da mesma cerâmica teremos o enrolamento secundário (virtual) que será formado por dois eletrodos colocados no mesmo material.

Quando aplicarmos nos eletrodos que formam o primário uma tensão alternada de freqüência apropriada a cerâmica se deforma produzindo ondas mecânicas que se propagam através do material.

Essas ondas, provocam justamente a deformação do material entre as placas que formam o secundário, onde então aparece uma tensão.

Outra possibilidade interessante de montagem é a mostrada na figura 3.

 

Figura 3
Figura 3

 

Dois transdutores piezoelétricos são colocados um ao lado do outro, sendo um o primário do transformador e o outro o secundário. Entre eles existe um isolamento, o que garante que primário e secundário sejam eletricamente isolados.

Aplicando-se uma tensão alternada no primário ela faz com que o transdutor produza ondas sonoras (mecânicas) que se propagam até o segundo transdutor.

Podemos dizer que ele funciona como um microfone, convertendo essas ondas mecânicas num sinal elétrico que pode ser usado para alimentar um circuito externo.

Um circuito prático de aplicação é mostrado na figura 4, onde o resistor de entrada pode ter seu valor alterado em função da carga alimentada e das características dos transdutores usados.

 

Figura 4
Figura 4

 

Para uma carga de 1 M?, por exemplo, com uma entrada de 220 V pode-se ter uma tensão de saída de aproximadamente 6 V com o circuito indicado. Com cargas maiores, por exemplo, 10 k?, a tensão contínua obtida cai para algo em torno de 1 V.

Evidentemente, em função da aplicação, pode-se estudar o uso de transdutores diferentes, obtendo-se assim maior rendimento.

O máximo rendimento desse tipo de dispositivo é obtido quando a freqüência do sinal aplicado ao primário (virtual) é a freqüência de ressonância da cerâmica. Nessas condições as vibrações mecânicas têm a máxima amplitude e a transferência de energia é máxima.

 

Transformadores Comerciais

Dispositivos eletrônicos comerciais que consistem em transformadores piezoelétricos ou piezoelectric transformmers (PT) já estão disponíveis para aplicações práticas.

Na figura 5 temos a construção de um tipo comercial que é fabricado colocando-se eletrodos de prata em um disco único cerâmico que transmite a energia do primário para o secundário através de energia mecânica.

 

Figura 5
Figura 5

 

O circuito equivalente usado nesse dispositivo, que tem um terminal comum ao primário e secundário é mostrado na figura 6.

 

Figura 6
Figura 6

 

Na figura 7 mostramos um gráfico em que temos a eficiência em função da resistência de carga para um transformador típico desse tipo.

 

Figura 7
Figura 7

 

Veja que essa curva pode ser diferente em função dos materiais usados, sendo típica para os transformadores comuns existentes hoje no mercado.

 

Conclusão

Na alimentação de dispositivos de baixa tensão e muito baixo consumo a partir da alta tensão da rede de energia o uso de um transformador piezoelétrico pode ser uma solução interessante em substituição das soluções tradicionais como, por exemplo, as que fazem uso de fontes de transformador.

O transformador piezoelétrico, além de apresentar um rendimento maior tem dimensões menores que os próprios capacitores usados nessas fontes. Adicione-se a isso o fato de que esses transformadores podem proporcionar um isolamento entre rede e carga que as fontes sem transformadores não fornecem.

Da mesma forma, as vantagens em relação às fontes que fazem uso de transformadores convencionais são patentes, tanto pela dificuldade em se obter um transformador tradicional para potências muito baixas como pelo próprio custo desse componente.

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