Ключевым компонентом любой системы пьезорозжига является пьезоэлектрический элемент. Конструктивно это цилиндрический или дисковый компонент, изготовленный из пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС, международное обозначение PZT).
Технические характеристики пьезоэлементов для систем розжига:
Коммерческое применение пьезоэффекта для розжига началось в 1958 году с использованием титаната бария, однако массовое распространение технология получила с 1962 года после внедрения более эффективных материалов на основе PZT (ЦТС).
Физика процесса генерации искры в пьезосистемах базируется на прямом пьезоэффекте и включает три последовательные стадии.
При механическом воздействии (удар бойка по торцевой поверхности цилиндрического элемента) кристаллическая решетка пьезокерамики деформируется. Происходит смещение центров положительных и отрицательных зарядов, что приводит к накоплению свободного заряда на противоположных поверхностях элемента.
Выходное напряжение рассчитывается по формуле:
V = g₃₃ × F × h / A
где:
Высоковольтный импульс передается по токопроводу на электрод, расположенный с зазором относительно корпуса горелки (массы). При достижении напряжения пробоя воздушного промежутка (зависит от влажности и состава среды) между электродом и массой возникает электрическая искра.
Для увеличения длительности разряда и повышения вероятности воспламенения в цепь может включаться резистор, растягивающий разряд во времени.
Энергия искры ионизирует молекулы газа и кислорода в зоне горения, локально повышая температуру до 2000-3000°С. При наличии в зоне искры горючей смеси стехиометрического состава происходит ее устойчивое воспламенение.
Промышленная система пьезоэлектрического розжига включает следующие элементы:
Принцип срабатывания: при воздействии на рычаг или кнопку кулачковый механизм сжимает пружину ударного бойка. При освобождении пружина с нормированным усилием воздействует на пьезоэлемент. Сгенерированный импульс поступает на свечу, где происходит искрообразование.
Параметр | Пьезоэлектрическая система | Электронная (импульсная) система |
|---|---|---|
Энергонезависимость | Полная, не требует внешнего питания | Требует батарейки или сетевого подключения |
Надежность в экстремальных условиях | Сохраняет работоспособность при низких температурах и высокой влажности | Чувствительна к влажности и перепадам температур |
Срок службы | Более 1 млн циклов, ограничен механикой | Ограничен ресурсом электроники и батарей |
Стоимость компонентов | Низкая (зрелая технология) | Выше (наличие электронной схемы) |
Развитие микроэлектроники привело к появлению устройств с энергопотреблением в десятки микроватт. Это открыло новое направление применения пьезоэлектрических систем — автономные генераторы энергии.
Энергии, вырабатываемой при нажатии на кнопку пьезозажигалки, достаточно для:
В данном применении пьезоэлемент работает не в режиме генерации искры, а в режиме накопления энергии с последующим выпрямлением и накоплением заряда.
Для инженеров и специалистов по закупкам при выборе компонентов критически важны следующие параметры:
Наличие жестких допусков по резонансной частоте (Fr 2-5%) в спецификации свидетельствует о высоком качестве изготовления и стабильности свойств от партии к партии.