Кейс: «Солнечный будильник»
Доброе утро, ребята! Сегодня мы с вами познакомимся с новым элементом электрической цепи – это зуммер. Для этого, сначала прочитайте теорию, а потом приступите к выполнению практической части.
Теория
Слово «зуммер» происходит от немецкого «summen» - жужжать. По сути это — звукоизлучающее устройство, традиционно используемое в качестве сигнального. На сегодняшний день зуммеры бывают электромеханическими и пьезоэлектрическими. И те и другие находят применение в разных устройствах.
Исторически первым появился электромеханический зуммер, представляющий собой электромеханическое реле с нормально замкнутыми контактами, через которые катушка данного реле подключается к источнику тока.
Принцип работы зуммера прост до нельзя. Когда в рабочей цепи зуммера течет ток, обмотка реле возбуждается, а значит, в ее сердечнике увеличивается магнитный поток, под действием которого тут же размыкаются контакты, через которые сама обмотка только что питалась.
При размыкании контактов, обмотка реле перестает получать питание, магнитный поток в сердечнике исчезает, а значит — отпускается подвижный контакт, который только что замыкал цепь питания реле, и пружина переводит цепь в изначально замкнутое состояние.
И вот, контакты снова замкнуты, катушка опять получает питание, и сердечник снова притягивает подвижный контакт реле, опять же размыкая собственную питающую цепь. Так процесс повторяется снова и снова. Колебания якоря реле издают звук, похожий на жужжание.
Основной недостаток электромеханического зуммера очевиден: наличие подвижного элемента изнашивает механизм, а пружина со временем слабеет, в связи с чем, наработка зуммера на отказ составляет не более 5000 часов.
Тем не менее, внимания заслуживает первое применение зуммера, изобретенного Иоганном Вагнером в 1839 году, и доработанного позже Джоном Мирандом, который добавил к вибрирующему молоточку колокол. Получился электрический звонок, производящий звук ударом молоточка по колоколу. Молоточек звонка был связан с якорем реле, которое непосредственно и работало в режиме зуммера.
Более современный вариант зуммера — пьезоэлектрический звуковой излучатель, относящийся к электроакустическим устройствам, и производящий слышимый звук или ультразвук с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта.
Пьезоэлектрик нанесен здесь на тонкую металлическую пластину. На обратной стороне пьезоэлектрического слоя имеется токопроводящее напыление. Напыление и сама пластина служат контактами, на которые подается питание. Для усиления амплитуды распространяющихся звуковых колебаний, к пластине может быть прикреплен небольшой рупор с отверстием.
Питается пьезоэлектрический зуммер переменным током при напряжении от 3 до 10 вольт, а частота тока определяет частоту звука. Характерная резонансная частота пьезоэлектрических звуковых излучателей лежит в диапазоне от 1 до 4 кГц, что и приводит к легко узнаваемому жужжанию со звуковым давлением достигающим 75 дБ на расстоянии в 1 метр от излучателя. Такие зуммеры способны работать как микрофоны или датчики.
Пьезоэлектрические зуммеры применяются в будильниках, игрушках, бытовой технике, телефонных аппаратах. Ультразвук получаемый с их помощью нередко используют в отпугивателях против грызунов, в увлажнителях воздуха, в ультразвуковой очистке и т. д.
Наверное, возник вопрос, а что же такое пьезоэлектрический эффект?
Есть у вас какие-нибудь ассоциации при слове пьезоэлемент? У большинства это зажигалка или электроподжиг. На самом деле пьезоэффект используется в гораздо больших областях. Данный эффект был открыт еще в 1880 году братьями Кюри. В результате проведенных экспериментов ими было установлено, что при сжатии либо растяжении отдельных кристаллов естественного происхождения на их гранях формируется электрические заряды.
Открытый эффект ученые назвали «пьезоэлектричество» (от греческого «piezo» в буквальном переводе –«давить»), а кристаллы, которые обладают такими свойствами, стали называть пьезоэлектрическими.