Piezoelektrik adalah salah satu komponen elektronika yang sering digunakan untuk perangkat yang berhubungan dengan bunyi (tone) atau sebagai tranduser yang bisa mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Pengertian piezoelektrik yaitu sebuah komponen elektronika yang bisa mengubah energi mekanik menjadi energi listrik atau sebaliknya berdasarkan efek piezoelektrik.

Piezoelektrik yang dipakai dalam mengubah energi listrik menjadi getaran suara (bunyi) disebut dengan piezoelektrik buzzer.

Piezoelektrik sendiri sebagai sistem yang terdiri dari bahan material tertentu yang akan menghasilkan tegangan listrik karena tekanan atau kekuatan mekanik yang diberikan di kedua bidang.

Lebih jelasnya lagi simak bahasan Piezoelektrik Adalah berikut.

Pengertian Piezoelektrik

Sensor piezoelektrik adalah sebuah komponen elektronika yang menggunakan efek piezoelektrik untuk mengubah energi mekanik berupa tekanan menjadi energi listrik.

Sensor ini sering digunakan untuk mengubah energi listrik menjadi getaran suara (bunyi) yang disebut dengan piezoelektrik buzzer.

Piezoelektrik merupakan sistem yang terdiri dari bahan tertentu, seperti Barium titanat dan berbagai jenis keramik yang dapat menghasilkan tegangan listrik saat ditambah tekanan atau kekuatan mekanik di kedua bidangnya.

Efek piezoelektrik terbilang unik, karena material yang dapat bergetar dan menghasilkan bunyi saat diberikan tegangan listrik.

Hanya ketika diberikan tekanan tertentu, material tersebut akan menghasilkan tegangan listrik.

Baca juga: PTC Adalah : Pengertian, Karakteristik, Fungsi, dan Cara Kerja

Sejarah Penemuan Piezoelektrik

Efek piezoelektrik pertama kali ditemukan di perancis pada tahun 1880, dan ditemukan oleh dua orang fisikawan yang bernama Pierre Curie dan Jacques Curie.

Istilah “piezo” berasal dari kata Yunani yang artinya tekanan.

Dengan seiring perkembangan ilmu pengetahuan, piezoelektrik mulai dikembangkan oleh salah satu perusahaan jepang di tahun 1970an.

Efek piezoelektrik akan menghasilkan kemampuan sebuah benda material tertentu untuk bergetar saat diberikan tegangan listrik.

Tapi sebaliknya saat di bidang material tersebut diberikan tekanan tertentu, maka dari material tersebut bisa menghasilkan tegangan listrik.

Sensor piezoelektrik paling mudah ditemukan di perangkat buzzer seperti bel listrik.

Fenomena yang terlihat yaitu polarisasi secara listrik atas regangan mekanik pada beberapa bahan berbentuk kristal dengan nilai yang sama.

Dimana, saat tegangan listrik diberikan pada kristal-kristal tersebut, maka tiap-tiapnya akan mengalami perubahan bentuk.

Istilah piezoleketrik sendiri dari gabungan dua kata dalam bahasa Yunani, yaitu piezo atau piezein.

Penamaan pertama dilakukan setahun setelah Paul-Jacques Curie dan Pierre Curie menemukan fenomena efek piezoelektrik ini.

Gabriel Lippmann lalu mengusulkan pada keduanya untuk melakukan uji coba terhadap efek kebalikan dengan efek piezoelektrik.

Dan memberikan usulan berdasarkan pada prinsip-prinsip dasar dari termodinamika yang menjelaskan jika sebuah efek seharusnya memiliki efek kebalikan dengannya.

Kedua sosok ini kemudian mengadakan percobaan dan menemukan kebalikan dari efek tersebut.

Pada tahun 1917, seorang dari Prancis bernama Paul Langevin berhasil menemukan dan mendeteksi suara di dalam air menggunakan sebuah lempengan kuarsa.

Penemuan yang mengawali pengembangan teknologi sonar, du tahun 1927, Krzysztof Antoni Meissner berhasil membuat bentuk model sederhana dari efek piezoleketrik.

Dan memberikan model heliks pada kristal kuarsa. Bahan yang dipakai pada pembentukan heliks adalah satu unsur Silikon dan dua unsur Oksigen yang dicampur bergantian pada bentuk heliks.

Pemotongan kristal kuarsa pada 3 bagian yang berbeda, dimana satu sel kristal tunggal memiliki atom silikon berjumlah 3 atom dan atom oksigen sebanyak 6 atom.

Tiap-tiap oksigen d isatukan berpasangan, dan tiap 4 muatan positif dibawa pada tiap atom silikon, sementara 4 muatan negatif dibawa satu pasang atom oksigen.

Pengaturan yang membuat sel kuarsa memiliki muatan yang netral selama tidak mendapatkan tekanan sama sekali.

Muatan listrik dapat dikurangi lewat pemasangan 2 elektrode yang bersifat sebagai penghantar listrik.

Elektrode harus dipasang pada sisi yang berlawanan dengan potongan kristal. Bahan dielektrik yang tersedia di antara 2 pelat logam membuat sensor piezoelektrik menjadi kapasitor.

Peran bahan dielektrik pada kondisi sebagai pembangkit muatan listrik dengan tegangan listrik pada nilai tertentu yang melalui kapasitor.

Sifat kapasitor tidak sensitif karena muatan listrik selalu diseimbangkan oleh elektrode. Pada penyusunan elektrode logam dengan posisi yang rumit, posisi gaya bisa dipastikan untuk menghasilkan tanggapan pada elektrode dan menetapkan lokasi tekanan yang mengisi kapasitor.

Baca juga: Spesifikasi Diameter Seher Tiger Terlengkap

Prinsip Kerja Piezoelektrik

Seperti penjelasan sebelumnya, piezoelektrik berasal dari efek piezoelektrik bahan atau material tertentu.

Struktur sensor piezoelektrik terdiri dari bahan piezoelektrik dengan didukung oleh 2 lempeng besi.

Di mana di antara lempeng yang ada akan menciptakan dipole yang terinduksi molekul dari berbagai struktur kristal tergantung bahan yang dipakai.

Saar sebuah piezoelektrik diberi tekanan, maka bidang piezo akan menghasilkan gaya listrik sehingga menghasilkan tegangan listrik pada kedua bagian tersebut sesuai dengan besarnya tekanan yang diberikan.

Hal ini terjadi karena adanya perubahan dimensi bahan piezoelektrik. Menariknya, saat piezoelektrik diberikan arus listrik dengan sinyal tertentu, komponen tersebut nisa menghasilkan frekuensi nada (beep tone) sesuai dengan sinyal yang diberikan.

Umumnya, untuk memperkuat sinyal yang ada, dan untuk menghasilkan sinyal ini dibutuhkan sebuah driver berupa transistor.

Piezoelektrik seperti inilah yang disebut piezoelektrik buzzer. Umumnya piezoelektrik buzzer yang banyak beredar di pasaran sudah dilengkapi driver di dalamnya. Sehingga sudah siap pakai, kamu hanya tinggal mengalirkan arus dan buzzer pun akan menghasilkan bunyi.

Dan jika dijelaskan secara mudah, cara kerja piezoelektrik yaitu saat dialiri listrik di bidang akan membuat gerakan mekanis berupa getaran suara.

Dan kebalikannya, saat bidang piezo diberi tekanan, seperti di tekan atau diketuk maka tekanan atau energi mekanik yang diberikan akan diubah menjadi energi listrik.

Kelebihan dan Kekurangan Piezoelektrik

Seperti yang sudah diketahui, setiap alat elektronika memiliki kelebihan dan kekurangan berupa keterbatasan-keterbatasan tertentu.

Tanpa terkecuali sensor piezoelektrik, berikut ini beberapa kelebihan dan kekurangan dari penggunaan piezoelektrik yaitu:

Kelebihan Piezoelektrik

Adapun kelebihan Piezoelektrik adalah :

Frekuensi operasional yang tinggi. Piezoelektrik bisa bekerja di frekuensi tinggi, bahkan komponen ini dapat merespon frekuensi audio 20kHz dengan baik.
Respon transien yang tinggi. Output yang dihasilkan piezoelektrik linear dan ideal dalam sebuah komponen transduser sehingga bisa mendeteksi hingga mikrodetik.
Konsumsi daya rendah. Umumnya, piezoelektrik mengeluarkan output yang tinggi dengan konsumsi daya yang rendah.
Ukuran yang kecil. Ukuran menjadi kelebihan dari komponen piezoelektrik, ukurannya yang kecil sebagai sebuah transduser menjadikannya sesuai digunakan untuk perangkat-perangkat kecil.
Output tinggi. Piezoelektrik umumnya memiliki output yang tinggi dengan konsumsi daya yang rendah.

Kekurangan Piezoelektrik

Adapun kekurangan Piezoelektrik adalah :

Sinyal output dari piezoelektrik tranduser cenderung relatif sangat rendah, sehingga butuh pre-amp agar sinyal yang dikeluarkan lebih tinggi sesuai dengan yang dibutuhkan untuk men-drive sinyal ke rangkaian berikutnya.
Impedansi piezoelektrik tinggi. Hal ini mengharuskan dibuat rangkaian tambahan agar impedansi dari piezoelektrik sesuai. Baik itu saat digunakan sebagai output (buzzer) atau sebagai input.
Sinyal output yang rendah. Sinyal output yang dihasilkan komponen piezoelektrik transduser cukup rendah, hasilnya sering ditambahkan pre-amp untuk membuat sinyal keluaran bisa lebih tinggi supaya sesuai dengan yang dibutuhkan untuk men-drive sinyal ke rangkaian berikutnya.
Impedansi piezoelektrik tinggi. hal ini tidak sepenuhnya bisa dikatakan kelemahan. Hanya kondisi ini mengharuskan untuk menambahkan rangkaian untuk membuat impedansi dari piezoelektrik sesuai, baik saat komponen tersebut digunakan sebagai output (buzzer) atau sebagai input.

Aplikasi Piezoelektrik

Kegunaannya terbilang banyak, khususnya untuk diaplikasikan di perangkat atau rangkaian elektronika yang mengeluarkan bunyi nada (tone).

Untuk pengaplikasiannya yang paling sering digunakan adalah pada peralatan medis, alat ukur elektronika seperti multimeter dan osiloskop, bel rumah, alarm dan juga pada jam tangan.

1. Sebagai Output (Buzzer)

Penggunaan piezoelektrik buzzer di perangkat yang menghasilkan nada bunyi “beep” dan variasinya akan lebih efisien jika dibandingkan menggunakan loudspeaker pada umumnya.

Selain karena ukurannya yang sangat kecil, pula daya output audio yang dibutuhkan tidak besar, sehingga bisa menghemat konsumsi baterai.

Seiring dengan perkembangan teknologi, loudspeaker semakin berkembang dan mulai banyak digunakan di perangkat-perangkat kecil, meskipun konsumsi baterai dari buzzer tetap jauh lebih irit.

Umumnya piezoelektrik berfungsi sebagai buzzer yang bisa menghasilkan nada dengan frekuensi audio antara 1 kHz hingga 20 kHz, bahkan piezoelektrik bisa menjangkau frekuensi hingga 50 kHz.

Dan untuk tegangan yang dibutuhkan yaitu 3 Volt hingga 12 Volt dengan arus dibawah 50 mA.

Baca juga: Tachometer: Sejarah, 5 Macam & Cara Kerja (LENGKAP)

2. Sebagai Input (Sensor)

Selain dipakai sebagai output (buzzer) yang menghasilkan suara keluar, piezoelektrik juga bisa digunakan sebagai input.

Yang bersifat menghasilkan sinyal listrik saat diberi tekanan, membuat komponen ini sering dipakai untuk sensor yang mendeteksi tekanan.

Sering diaplikasikan untuk sensor drum elektrik, sistem pendeteksi gelombang sonar dan alat ukur elektronik, contohnya multimeter atau osiloskop dan lain-lainnya.

Karakteristik Dasar Piezoelektrik

Piezoelektrik adalah sebuah komponen yang terdiri dari bahan yang bersifat sensitif terhadap tekanan tertentu (mekanik).

Saat piezoelektrik diberikan tekanan, maka di kedua ujung pelat akan menghasilkan listrik sesuai dengan besarnya ketukan atau tekanan yang diberikan.

Hal ini karena adanya perubahan dimensi bahan yang ada pada komponen tersebut.

Sebaliknya, saat piezoelektrik diberikan arus listrik dengan sinyal tertentu, maka menghasilkan frekuensi nada (beep tone) tertentu sesuai dengan sinyal yang diberikan.

Untuk menghasilkan sinyal dibutuhkan sebuah driver berupa transistor dalam memperkuat sinyal yang diberikan.

Piezoelektrik bersifat sebagai output ini disebut sebagai piezoelektrik buzzer. Umumnya piezoelektrik buzzer beredar dipasaran sudah terdapat driver tersendiri didalamnya, tinggal mengalirkan arus pada buzzer tersebut.

Dari penjelasan diatas bisa disimpulkan terdapat dua karakteristik dasar dari piezoelektrik, yaitu piezoelektrik bisa mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dan sebaliknya.

Baca juga: Governor Adalah : Pengertian, Cara Kerja, Fungsi, dan Jenis

Kegunaan Piezoelektrik

Kegunaan komponen piezoelektrik (buzzer) cukup banyak, terutama pada perangkat atau rangkaian elektronika yang mengeluarkan bunyi nada.

Diantaranya pada peralatan medis, alat instrumentasi elektronika seperti multimeter dan osiloskop, bel rumah, alarm, bahkan pada jam tangan pun banyak yang menggunakan piezoelektrik buzzer.

Di perangkat yang hanya membutuhkan nada bunyi “beep” dan variasinya, penggunaan piezoelektrik buzzer jadi lebih efisien jika dibandingkan dengan loudspeaker umumnya karena selain bentuknya yang sangat kecil, juga daya output audio yang dibutuhkan tidak besar.

Hal ini akan berpengaruh pada konsumsi baterai, sebabnya mengapa pada perangkat-perangkat yang sangat kecil seperti jam tangan akan menggunakan buzzer.

Selain dipakai sebagai output (buzzer), piezoelektrik juga bisa digunakan untuk output yang mengubah energi gerak akustik atau instrumen menjadi energi listrik.

Penggunaan ini diantaranya yaitu pada sensor drum elektrik, sistem pendeteksi gelombang sonar, dan ala instrumen penguju akustik, mikrofon, dan sebagainya.

Umumnya sebuah piezoelektrik buzzer bisa menghasilkan nada antara 1 kHz hingga 20 kHz untuk frekuensi audio.

Bahkan piezoelektrik bisa menjangkau frekuensi hingga 50 kHz, yang mana frekuensi ini termasuk jenis ultrasonik.

Sedangkan tegangan rata-rata yang dibutuhkan sebuah piezoelektrik yaitu 3 Volt hingga 12 Volt dengan arus tidak lebih dari 50 mA.

1. Sentrosimetri

Piezoelektrik menjadi salah satu subkelas dari oksida yang tidak memiliki sentrosimetri.

Ini membuatnya memiliki sifat optik dengan kondisi linier yang kurang sempurna.

Kondisi ini digunakan pada bidang telekomunikasi optik dan pemrosesan sinyal, untuk sifat bahan dari piezoelektrik yaitu mampu memberikan tanggapan pada medan listrik yang timbul akibat perubahan dimensi.

2. Sensor Suara

Piezoelektrik bisa digunakan untuk pembuatan mikrofon dalam penerapan kejut suara dan pengukuran suara lewat ledakan akibat tekanan.

Sensor suara menggunakan jika piezoleketrik memiliki daya tahan yang lama terhadap pengukuran amplidtudo suara akibat tekanan.

Kelemahan penggunaan sensor suara berbahan piezoelektrik yaitu terlalu peka dalam mengukur tingkat kebisingan yang tinggi.

Keunggulan lain yang dimiliki mikrofon yang menggunakan prinsip piezoelektrik yaitu mampu digunakan pada wujud zat padat, cairan dan di udara.

Piezoelektrik pada mikrofon bekerja pada cairan yang tidak memiliki kemampuan dalam menghantarkan arus listrik.

Sensornya dapat digunakan pada frekuensi ultrasonik dengan mudah. Beberapa jenis mikrofon piezoleketrik bisa dipakai pada frekuensi dengan satuan MegaHertz.

Kondisi ini tercapai akibat susunan kristal di dalam piezoelektrik yang memiliki ion-ion terpisah secara asimetris saat peregangan pada kristal terjadi.

3. Sensor Getaran

Sensor getaran berbahan piezoleketrik adalah salah satu yang paling umum dalam pengukuran getaran atau percepatan rambat.

Pesaingnya dalam pengukuran cuma akselerometer. Pengukuran getaran ditentukan oleh faktor frekuensi alami, koefisien redaman, dan faktor skala.

Faktor skala berhubungan dengan getaran keluaran yang menuju ke akselerasi dan terkait dengan sensitivitas.

Faktor frekuensi alami dan koefisien redaman menjadi penentu untuk tingkat akurasi dari sensor getaran.

Sistem yang memiliki pegas dan massa terpasang mampu menghasilkan massa yang bergetar maju saat dilepaskan dan akan menjauh saat ditarik hingga posisi diam akibat keseimbangan massa.

Faktor koefisien menjadi penentu bagi nilai gesekan yang menyebabkan massa berhenti bekerja.

Sementara tingkat di mana massa bergetar maju dan mundur dipengaruhi karena frekuensi natural.

Penggunaan sensor getaran berprinsip piezoelektrik berbahan keramik bersifat serbaguna sehingga menjadi sensor yang sering digunakan.

Sensor getaran ini bisa digunakan untuk pengukuran kejut getaran yang meliputi ledakan dan tes gagal.

Selain itu, sensor getaran piezoelektrik bisa digunakan untuk pengukuran frekuensi tinggi, dan perlambatan frekuensi rendah pada pengukuran getaran.

Kemampuan sensor piezoelektrik keramik lebih tinggi jika dibandingkan pada frekuensi natural rata-rata.

Sedangkan kelemahannya yaitu memiliki tegangan listrik dengan skala millivolt sehingga membutuhkan masukan impedansi yang sangat tinggi.

Baca juga: Blower Adalah: Pengertian, Fungsi, Jenis dan Kelebihan Kekurangan

4. Pengeras Suara

Piezoelektrik juga bisa digunakan sebagai pengeras suara karena bisa menghasilkan bunyi.

Getaran mekanis akan dihasilkan selama tegangan listrik lewat piezoelektrik yang kemudian diubah menjadi bunyi.

Keluaran berupa bunyi atau suara masih dalam batas pendengaran manusia. Pembatasan dilakukan dengan bantuan diafragma dan resonator.

Piezoelektrik juga dipakai dalam pembuatan penyuara kuping. Di alat ini, piezoelektri mendekati sifat piroelektrik karena sifat kelistrikannya menjadi lebih peka terhadap suhu yang muncul pada lembaran plastik.

Kondisi ini menghasilkan diafragma yang fleksibel. Tegangan listrik yang diberikan di antara diafragma bisa menghasilkan dimensi yang menyusut dan membuat gelombang menjadi lebih luas.

Gelombang ini diubah menjadi gerakan lewat pembentukan diafragma yang menyebabkan udara menjadi bergerak.

Pergerakan terhadap massa sangat kecil tapi memiliki sensitivitas tinggi. Permukaan bahan dan karakteristik piezoleketrik menjadi penentu bagi perolehan linearitas suara.

5. Transduser Infrasonik

Transduser dari bahan piezoelektrik hanya bisa dibuat saat masukan sumber getaran frekuensi yaitu sebuah sinyal dengan tingkatan yang kuat.

Kristal di dalam piezoelektrik menggabungan diafragma berukuran besar dari masukan untuk menghasilkan keluaran yang terhubung langsung dengan penguat bertipe MOSFET.

Keluaran yang dihasilkan direkam lewat pita rekaman yang bergerak secara lambat. Penampilannya akan terjadi saat pita diputar dengan kecepatan yang lebih tinggi jika dibandingkan ketika perekaman.

Tampilan yang timbul adalah keluaran dari pengubahan bentuk gelombang.

6. Pembangkitan Energi Listrik

Piezoelektrik digunakan menjadi salah satu alat pembangkit energi listrik. Salah satu negara yang sudah menerapkan teknologi ini yaitu Jepang.

Contohnya di stasiun yang ada di Tokyo, lempeng piezoelektrik ditanam di bawah lantai gerbang tiket dan area lain di stasiun.

Sumber energi berasal dari manusia oleh penumpang yang melintas saat berjalan di stasiun.

Jumlah energi yang dihasilkan dengan metode ini ditentukan dari banyaknya gerakan, berat sebuah kendaraan yang melintas dan getarannya, juga perubahan suhu.

Kekurangan pembangkitan energi listrik dengan piezoelektrik yaitu harga pemasangannya yang mahal khususnya pemasangan di rumah.

Baca juga: Refrigerant: Pengertian, Karakteristik, 5 Jenis (Lengkap)

7. Kopling Magnetoeletrik

Efek magnetoelektrik diperbesar menggunakan transfer regangan antara konstituen piezoelektrik dengan magnetorestriktif tanpa ada nilai yang hilang.

Dalam artian, trasnfer regangan bersifat ideal. Efek magnetoelektrik umumnya dipakai untuk mengadakan pengaturan listrik pada frekuensi operasi.

Transfer regangan yang cocok umumnya tidak bisa terjadi pada bahan komposit karena pengaruh kualitas bahan di tiap lapisan dan kualitas antarmuka.

Proses transfer regangan berlangsung secara mekanis ke bahan magnet lewat proses induksi magnet di medan listrik.

Semua komponen pasif yang memiliki gelombang mikro bisa diatur secara kelistrikan jiapabila ka regangan dari bahan ferrimagnetik dikirimkan ke bahan ferimagnetik lain.

Kesimpulan

Efek piezoelektrik terbilang unik, karena material yang dapat bergetar dan menghasilkan bunyi saat diberikan tegangan listrik.

Prinsip kerja piezo elektrik pada dasarnya yaitu terdiri dari 2 bidang yang berdekatan. Dimana diantara bidang tersebut akan menghasilkan dipole yang terinduksi oleh molekul yang terdiri dari beragam struktur kristal tergantung dari bahan pada bidang tersebut.

Kegunaan komponen piezoelektrik (buzzer) cukup banyak, terutama pada perangkat atau rangkaian elektronika yang mengeluarkan bunyi nada.

Selain penjelasan Piezoelektrik Adalah, ada beberapa hal terkait seperti karakteristik dan sebagainya yang bisa diketahui seperti penjelasan di atas.

Piezoelektrik Adalah: Pengertian, Sejarah, Prinsip Kerja dan Kegunaan

Pengertian Piezoelektrik

Sejarah Penemuan Piezoelektrik

Prinsip Kerja Piezoelektrik