Pengertian Piezoelektrik dan Prinsip Kerja Piezoelektrik

Piezoelektrik merupakan salah satu komponen elektronika yang banyak digunakan untuk perangkat yang berhubungan dengan bunyi (tone) ataupun sebagai tranduser yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Pada pembahasan kali ini akan dibahas mengenai pengertian piezoelektrik, cara kerja piezoelektrik beserta kelebihan dan kekurangannya.

Pengertian piezoelektrik adalah sebuah komponen elektronika yang dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik atau sebaliknya berdasarkan efek piezoelektrik. Piezoelektrik yang digunakan untuk mengubah energi listrik menjadi getaran suara (bunyi) disebut juga dengan piezoelektrik buzzer. Lalu apa itu efek piezoelektrik?

Piezoelektrik merupakan sistem yang terdiri dari bahan material tertentu yang akan menghasilkan tegangan listrik akibat tekanan atau kekuatan mekanik yang diberikan pada kedua bidang. Efek piezoelektrik ini pertama kali ditemukan di perancis pada tahun 1880. Nama penemunya adalah dua orang fisikawan yang bernama Pierre Curie dan Jacques Curie. Nama “piezo” sendiri berasal dari kata Yunani yang artinya tekanan. Seiring dengan perkembangan ilmu pengetahuan, piezoelektrik mulai dikembangkan oleh salah satu perusahaan jepang pada tahun 1970an.

Efek piezoelektrik ini akan menghasilkan kemampuan suatu benda material tertentu untuk bergetar ketika diberikan tegangan listrik. Namun sebaliknya ketika pada bidang material tersebut diberikan tekanan tertentu, maka dari material tersebut akan menghasilkan tegangan listrik.

Prinsip kerja piezoelektrik

Seperti diketahui pada penjelasan sebelumnya, bahwa piezoelektrik berasal dari bahan atau material yang menggunakan prinsip efek piezoelektrik. Prinsip kerja piezo elektrik sendiri pada dasarnya adalah terdiri dari 2 bidang yang berdempet. Yang mana diantara bidang tersebut akan menghasilkan dipole yang terinduksi molekul yang terdiri dari berbagai struktur kristal tergantung dari bahan pada bidang tersebut.

Ketika piezoelektrik mengalami tekanan yang disengaja, makan akan menghasilkan gaya listrik pada bidang piezo sehingga akan menghasilkan tegangan listrik pada kedua bagian tersebut. Secara lebih mudah dapat dikatakan bahwa prinsip kerja piezoelektrik akan menghasilkan gerakan mekanis berupa getaran suara ketika kedua bidang pada piezo dialiri arus listrik. Sebaliknya ketika bidang piezo diberikan tekanan berupa ketukan misalnya, maka energi mekanik tersebut akan diubah menjadi energi listrik.

Karakteristik dasar piezoelektrik

Piezoelektrik merupakan komponen yang terdiri dari bahan yang bersifat sensitif terhadap tekanan tertentu (mekanik). Ketika piezoelektrik diberikan tekanan, maka pada kedua ujung pelat akan menghasilkan listrik sesuai dengan besarnya ketukan atau tekanan yang diberikan. Hal ini karena terjadinya perubahan dimensi bahan yang ada pada komponen tersebut.

Sebaliknya, ketika piezoelektrik diberikan arus listrik dengan sinyal tertentu, makan akan menghasilkan frekuensi nada (beep tone) tertentu sesuai dengan sinyal yang diberikan. Untuk menghasilkan sinyal ini diperlukan sebuah driver berupa transistor untuk memperkuat sinyal yang diberikan. Piezoelektrik yang bersifat sebagai output ini disebut juga sebagai piezoelektrik buzzer. Biasanya piezoelektrik buzzer yang beredar dipasaran sudah terdapat driver tersendiri didalamnya. Sehingga kita tinggal mengalirkan arus pada buzzer tersebut.

Dari penjelasan diatas dapat disimpulkan terdapat dua karakteristik dasar dari piezoelektrik. Yaitu piezoelektrik dapat mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dan sebaliknya. Dengan demikian komponen ini dapat digunakan sebagai input ataupun sebagai output.

Kelebihan dan kekurangan piezoelektrik

Setiap komponen memiliki keterbatasan-keterbatasan tertentu ketika dioperasikan. Begitu juga dengan komponen piezoelektrik. 

Berikut adalah beberapa kelebihan dari penggunaan piezoelektrik:

1. Tanggapan frekuensi yang tinggi. Piezoelektrik dapat bekerja dengan frekuensi tinggi pada parameter tertentu. Bahkan dapat merespon frekuensi audio tertinggi (20kHz) dengan sangat baik.

2. Respon transien yang tinggi. Piezoelektrik dapat memberikan output yang linear dan ideal untuk sebuah komponen tranduser yang dapat mendeteksi hingga mikrodetik.

3. Output tinggi. Piezoelektrik pada umumnya memiliki output yang tinggi dengan konsumsi daya yang rendah.

4. Ukurang yang kecil. Komponen piezoelektrik memiliki ukurang yang kecil untuk sebuah tranduser dan cocok digunakan pada perangkat-perangkat kecil.

Selain kelebihan yang dimiliki, beberapa kekurangan dari piezoelektrik tranduser adalah sebagai berikut:

1. Sinyal output dari piezoelektrik tranduser rata-rata relatif sangat rendah, sehingga diperlukan pre-amp agar sinyal yang dikeluarkan lebih tinggi sesuai dengan yang dibutuhkan untuk men-drive sinyal ke rangkaian berikutnya.

2. Impedansi piezoelektrik tinggi. Sebetulnya ini kurang tepat jika disebut sebagai kelemahan. Namun demikian hal ini mengharuskan dibuat lagi rangkaian tambahan agar impedansi dari piezoelektrik sesuai. Baik itu ketika digunakan sebagai output (buzzer) ataupun sebagai input.

Kegunaan piezoelektrik

Kegunaan komponen piezoelektrik (buzzer) sebenarnya cukup banyak, terutama pada perangkat atau rangkaian elektronika yang mengeluarkan bunyi nada (tone). Diantaranya adalah pada peralatan medis, alat instrumentasi elektronika seperti multimeter dan osiloskop, bel rumah, alarm, bahkan pada jam tangan pun banyak yang menggunakan piezoelektrik buzzer.

Pada perangkat yang hanya membutuhkan nada bunyi “beep” beserta variasinya, Penggunaan piezoelektrik buzzer akan lebih efisien jika dibandingkan dengan loudspeaker pada umumnya karena selain bentuknya yang menjadi sangat kecil, juga daya output audio yang dibutuhkan tidak besar. Hal ini tentu akan berpengaruh juga pada konsumsi baterai. Ini lah sebabnya mengapa pada perangkat-perangkat yang sangat kecil seperti jam tangan menggunakan buzzer.

Namun seiring dengan perkembangan teknologi saat ini, penggunaan loudspeaker juga semakin berkembang dan mulai banyak diterapkan pada perangkat-perangkat kecil seperti jam tangan gadget (smart watch). Meskipun begitu, konsumsi penggunaan baterai dari buzzer tetap jauh lebih hemat.

Selain digunakan sebagai output (buzzer), piezoelektrik juga dapat digunakan sebagai output yang mengubah energi gerak akustik atau instrumen menjadi energi listrik. Penggunaan tersebut diantaranya adalah pada sensor drum elektrik, sistem pendeteksi gelombang sonar, dan ala instrumen penguju akustik, mikrofon, dan lain sebagainya.

Pada umumnya sebuah piezoelektrik buzzer dapat menghasilkan nada antara 1 kHz hingga 20 kHz untuk frekuensi audio. Tidak hanya itu bahkan piezoelektrik dapat menjangkau frekuensi hingga 50 kHz. Yang mana frekuensi ini termasuk jenis ultrasonik. Sedangkan tegangan rata-rata yang dibutuhkan pada sebuah piezoelektrik adalah 3 Volt hingga 12 Volt dengan arus tidak lebih dari 50 mA.