Transformadores Piezoelétricos
Para uma boa parte dos
componentes eletrônicos tradicionais, existe a possibilidade de obter 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, como um
transformador “de estado sólido” é justamente a apresentada neste
artigo: o transformador piezoelétrico.
Newton C. Braga
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.
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
Ao aplicar uma tensão em uma cerâmica piezoelétrica esta 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 01
Podemos aproveitar esse efeito piezoelétrico para converter tensões de uma forma muito simples.
De acordo com a
figura 2, o enrolamento primário
(virtual) de nosso transformador será formado por dois eletrodos
colocados em pontos apropriados de um pedaço de cerâmica piezoelétrica.
Figura 02
Noutra parte da mesma cerâmica teremos o enrolamento secundário
(virtual) que será formado por outros 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 causam
justamente a deformação do material entre as placas que formam o
secundário, onde então aparece uma tensão.
Uma outra possibilidade interessante de montagem é a exibida na
figura 3.
Figura 03
Dois transdutores piezoelétricos são colocados um ao lado do outro,
sendo um 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 visto 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 04
Para uma carga de 1 M ohms, 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, tais como 10 kohms, 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 alcançado 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 transformers (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, o qual transmite a energia do primário para o secundário
através de energia mecânica.
Figura 05
O circuito equivalente usado nesse dispositivo, que tem um terminal comum ao primário e secundário é mostrado na
figura 6.
Figura 06
Na
figura 7 ilustramos um gráfico em que temos a eficiência em função da resistência de carga para um transformador típico desses.
Figura 07
Veja que essa curva pode ser diferente em função dos materiais
utilizados, 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 às
soluções tradicionais como, por exemplo, aquelas 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.
*Artigo originalmente publicado na revista Saber Eletrônica - Ano 42 - Número 402- Julho de 2006
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