Cápsula piezoelétrica

Quando se pensa em produzir som a partir da eletricidade, pensa-se me primeiro lugar no onipresente alto-falante. Entretanto há alternativas, como a cápsula piezoelétrica ou diafragma piezoelétrico. 

Piezoeletricidade é uma propriedade em que um material sofre deformação quando se aplica uma tensão elétrica (voltagem) sobre sua superfície ou o contrário, isto é, que se gera diferença de potencial quando é aplicada uma pressão que o deforma. Certos tipos de materiais cerâmicos apresentam esta propriedade que é aproveitada para gerar vibração que é transmitido pelo ar, na forma de som.

Cerâmicas em geral não conduzem eletricidade e, para aplicar uma tensão elétrica, é necessário fazer contato com um condutor elétrico. Nas cápsulas piezoelétricas, um disco de cerâmica é intercalado entre dois discos de material condutor, conhecidos como eletrodos. Na foto acima, o disco menor de cor cinza metálica é um dos eletrodos (o outro está oculto) e o disco intermediário, de cor verde acinzentada, é o material piezoelétrico. O disco maior, amarelo por ser feito de latão, é o diafragma que é colado sobre o eletrodo que não está visível. A aplicação de uma tensão elétrica entre os dois eletrodos distorce a cerâmica e assim o diafragma é deformado, causando deslocamento de ar. Portanto a aplicação de corrente alternada faz com que o diafragma vibre e produza som.

Para aplicar sinal elétrico é necessário soldar fios no eletrodo e no diafragma, porém cometi dois erros na montagem da foto acima. Um é o uso de fios muito grossos que dificultam mecanicamente a vibração da cápsula. Outro foi a demora excessiva para soldar o fio no eletrodo, que perdeu aderência; a recomendação é de um tempo de 0,5 s ou menor. Puxando levemente o fio, a solda soltou-se do disco e não consegui mais soldar nada no eletrodo.

Peguei uma outra cápsula e fiz o procedimento correto, soldagem breve e com fio fino (fio de wire-wrap).

Para excitar uma cápsula piezoelétrica não é necessário um circuito complicado pois, por ser de material cerâmico, sua impedância é extremamente alta. O circuito acima é sugerido no datasheet do fabricante Murata, fazendo uso de um transistor de uso geral. Embora seja possível excitar diretamente da saída de um circuito integrado, a possibilidade de haver uma elevada tensão elétrica nos eletrodos devido a deformação mecânica faz necessário certos cuidados (uso de clamp de diodos Zener), para evitar a destruição do semicondutor. Na prática, o circuito sugerido é o mais simples e seguro.

Este componente geralmente é montado dentro de invólucro com um ou mais orifícios, para aumentar a pressão do ar deslocado e, consequentemente, a intensidade do som. Há outros detalhes quanto a montagem mecânica do dispositivo que devem ser vistos nos manuais dos fabricantes. Advirto ainda que esta postagem refere-se a dispositivos cujo funcionamento deve ser garantido por um oscilador interno, entretanto há um outro tipo em que o próprio componente fornece uma frequência de ressonância para manter sua oscilação (o formato é um pouco diferente ao da foto).

A cápsula piezoelétrica presta-se melhor para gerar frequência numa estreita faixa, como sirenes e bipes, por possuir uma frequência característica de ressonância. Em comparação com os alto-falantes, tem impedância elevadíssima, as suas dimensões são muito menores e o seu custo é irrisório (na faixa de centavos por unidade).