El plasma de descarga directa piezoeléctrica ( PDD ) es un tipo de plasma frío fuera de equilibrio , generado por una descarga directa de gas de un transformador piezoeléctrico de alto voltaje. Puede encenderse en aire u otros gases en un amplio rango de presiones, incluida la atmosférica. Debido a la compacidad y la eficiencia del transformador piezoeléctrico, este método de generación de plasma es particularmente compacto, eficiente y económico. Permite un amplio espectro de aplicaciones industriales, médicas y de consumo.
Los plasmas fríos a presión atmosférica que no están en equilibrio se pueden producir mediante descargas de alto voltaje en las atmósferas de varios gases de trabajo. Los siguientes tres tipos de descargas eléctricas son los que se utilizan más en los procesos industriales:
Todos estos tipos de descargas eléctricas requieren electrónica de alto voltaje y cableado de alto voltaje. Estos son voluminosos, costosos y, en el caso de la alimentación de CA, pueden ser muy ineficientes debido a las pérdidas dieléctricas. Además, las aplicaciones industriales a menudo requieren una alta potencia del orden de 1 kW. Esto impone estrictos requisitos de seguridad en los recintos de alto voltaje con electrodos abiertos. Una construcción basada en múltiples módulos de alto voltaje de baja potencia podría mejorar los aspectos de seguridad. Asimismo, la incorporación del generador de alto voltaje y el electrodo de descarga en un solo módulo debería reducir las pérdidas dieléctricas en los cables. Sin embargo, hasta ahora no se ha encontrado una solución rentable para el sistema basado en módulos de baja potencia.
La descarga directa piezoeléctrica utiliza un transformador piezoeléctrico como generador de alto voltaje de CA. El lado de alto voltaje de este transformador actúa como un electrodo que genera descargas eléctricas en el aire u otros gases activos, produciendo plasmas a presión atmosférica. [1] [2] El transformador piezoeléctrico es muy compacto y solo requiere una fuente de CA de bajo voltaje y baja potencia. Esto permite que todo el generador de plasma sea excepcionalmente compacto y económico, lo que permite la construcción de generadores de plasma portátiles o conjuntos de generadores de plasma rentables.
Los transformadores piezoeléctricos del tipo Rosen, que pueden estar hechos de zirconato titanato de plomo , convierten la energía eléctrica en forma de CA de bajo voltaje en oscilaciones mecánicas. [3] [4] En consecuencia, estas oscilaciones mecánicas producen CA de alto voltaje en el otro extremo del transformador. La amplitud más alta se logra en resonancias mecánicas, que ocurren en las frecuencias típicamente entre 10 kHz y 500 kHz. Las dimensiones del cristal piezoeléctrico definen la frecuencia de resonancia, mientras que su entorno dieléctrico puede causar pequeños cambios de la resonancia. La electrónica de bajo voltaje ajusta continuamente la frecuencia para mantener el transformador operando dentro de la resonancia. En la resonancia, estos transformadores ofrecen factores de conversión de voltaje muy altos de hasta 1000 con voltajes de 5 – 15 kV.
Las descargas eléctricas producidas en el gas desde el lado de alta tensión del transformador piezoeléctrico tienen propiedades que se encuentran también en las descargas de corona y en las descargas de barrera dieléctrica. Mientras que el primer modo se produce cuando el lado de alta tensión del transformador piezoeléctrico se hace funcionar lejos de las tomas de tierra eléctricas, el segundo modo se produce cuando se hace funcionar cerca de las tomas de tierra eléctricas separadas por un dieléctrico. Cerca de las tomas de tierra eléctricas abiertas, el transformador piezoeléctrico produce chispas periódicas. La transición al arco eléctrico no se produce debido a la potencia limitada del transformador. La potencia típica de tales transformadores es del orden de 10 W. La eficiencia de la generación de plasma alcanza el 90%, mientras que el 10% restante de la potencia se pierde debido al calentamiento mecánico y dieléctrico del transformador piezoeléctrico.
Debido a las bajas corrientes eléctricas, típicas de la barrera dieléctrica y las descargas de corona, la descarga directa piezoeléctrica produce un plasma en desequilibrio. Esto significa que sus electrones, iones y partículas de gas neutro que lo componen tienen diferentes distribuciones de energía cinética. La temperatura del gas neutro dentro del volumen de plasma permanece por debajo de los 50 °C. Al mismo tiempo, los electrones y los iones alcanzan energías de 1 a 10 eV. Esto es 300 a 3000 veces mayor que la energía media de las partículas de gas neutro. Las densidades de los electrones y los iones alcanzan 10 16 – 10 14 m −3 . Dado que la mayor parte del volumen de plasma consiste en el gas neutro frío, el plasma es frío. Sin embargo, los electrones e iones muy energéticos excitan átomos y moléculas produciendo grandes cantidades de especies químicas de vida corta, lo que hace que este plasma sea químicamente muy activo.
Las propiedades de los plasmas piezoeléctricos de descarga directa permiten un amplio espectro de aplicaciones en tecnología médica, microbiología e investigación clínica. [5] Las aplicaciones industriales típicas incluyen la limpieza ultrafina y la activación por plasma de superficies de metal, cerámica, vidrio y plástico. Este procesamiento por plasma aumenta la energía de la superficie mejorando la humectabilidad y la adhesión de la superficie . Esto último aumenta la calidad de la impresión o el pegado posteriores. [6]
Las dimensiones muy compactas del generador de plasma PDD amplían aún más el ámbito de posibles aplicaciones a dispositivos compactos para trabajo de laboratorio, aplicaciones portátiles, generadores de ozono e incluso productos de consumo.