Все статьи на QRZ.RU Экспорт статей с сервера QRZ.RU Все статьи
категории "Прочее"
Введение
Несмотря на то что пьезоэффект был открыт еще в XIX веке, а со второй половины XX активно развивалась теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика - один из перспективных материалов века XXI.
Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями. Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в 60-70 годах XX века.
Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей. В настоящее время пьезокерамика широко используется для ультразвуковой диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефтегазовом комплексе; силовая пьезокерамика - в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении и т. д. В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов и в комбинированных системах. Вместе с тем современные требования по энергосбережению, миниатюризации, адаптивности к компьютерным системам управления и контроля, все чаще заставляют производителей техники и оборудования обращаться к поиску тех или иных технологических решений с помощью пьезокерамики. В результате появляются новые типы пьезокерамики, создаются новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты.
Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств.
Применение пьезокерамических элементов в изделиях коммутации электрических сигналов привело к качественно новому уровню производства кнопок, клавиатур, выключателей, переключателей и интегрированных изделий на их основе.
Начиная с 1990 года началось массовое производство пьезокоммутационных изделий зарубежными фирмами. В России (СССР) первые опытные изделия появились еще в 1984-1985 году, но из-за низкого качества собственных пьезоэлектрических элементов и невозможности покупки их за рубежом, эта технология не получила должного развития.
В настоящее время объемы выпуска пьезокоммутационных изделий распределились между фирмами:
PSD (США) - 4%,
T.H. tschudin& heid ad (Швеция) - 9%,
ALGRA (Швеция) - 26%,
SHURTER (Германия) - 25%
Baran Advanced Technologies (Израиль) - 36%
Пьезокнопки.
Достаточно простыми средствами достигнута:
высокая надежность;
небольшие габариты;
современный дизайн;
возможность работы в агрессивных средах: в воде, песке, металлической стружке;
искробезопасная бесконтактная коммутация, не имеющая аналогов по количеству коммутационных циклов;
широкий диапазон рабочих температур, токов и напряжений;
антивандальное исполнение;
разумная стоимость.
В отличие от существующих сенсоров, емкостных, индуктивных и других пьезокнопки не требуют дополнительного источника питания, а также позволяют размещать на одном металлическом листе неограниченное количество кнопок, что позволяет объединять их в клавиатуры с различными схемами соединений.
Основные технические характеристики
Напряжение до 1000 и более вольт;
ток постоянный/переменный, до 10 и более ампер;
сопротивление электрического контакта « вкл» 0,01 Ом;
сопротивление электрического контакта «выкл» более 5 Мом;
емкость 25 пикофарад;
количество коммутационных циклов более 50 миллионов;
диапазон рабочих температур -40°C до +125°С;
усилие нажатия 3-5 Ньютон;
материал корпуса: нержавеющая сталь, алюминий, латунь, пластмассы и другие материалы.
Принцип работы пьезокнопки
Принцип работы основан на прямом физическом пьезоэффекте, т.е. при давлении на пьезоэлемент происходит его деформация и на его обкладках (электродах) возникает напряжение достаточное для надежного управления бесконтактными транзисторными ключами.
Конструкция пьезокнопки.
На обратной стороне корпуса кнопки, который может выполняться из металла или пластмассы, установлен пьезоэлемент 3. Напряжение с его выводов подается на печатную плату, затем снимается токосъемником 4, который, как правило, выполняется из токопроводящей резины.
На печатную плату 5 смонтирована электронная схема, коммутирующая внешнее напряжение (ток) в нагрузке. Вся конструкция залита герметиком 6, а выводы 7 могут быть выполнены разъемом, проводами или кабелем. металлический корпус;
мембрана;
пьезоэлемент;
токосъемник;
печатная плата с управляющей электронной схемой;
герметик;
выводы.
Функциональное подразделение простых пьезокнопок
Импульсные пьезо-кнопки.
Бывают как нормально-замкнутые, так и нормально-разомкнутые. При нажатии происходит размакание (замыкание) контакта на 120-1500 миллисекунд;
Пьезо-кнопки продолжительного действия.
При нажатии происходит замыкание или размыкание контакта на время до 30 и более секунд.
Все эти кнопки выпускаются с вышеуказанными электрическими параметрами, а также с индикацией, со светодиодом или светодиодным кольцом.
Корпуса пьезокнопок выполняются из нержавеющей стали, анодированного алюминия красного, зеленого, голубого, черного, желтого и натурального цвета, а также из пластмасс и других материалов. Надписи выполняются фотохимическим способом, лазерной или механической гравировкой.
Установочные размеры: диаметр от 16 мм с резьбой М16 до 40 мм, длиной от 8 до 20 мм, в исполнении для наружной и внутренней установки на панель.
Выводы выполняются стандартным кабелем, проводом или разъемом.
Кнопки могут выполнятся с тактильным эффектом обратной связи. То есть "щелкать" при нажатии.
Интегрированные пьезокнопки
Интегрированные пьезокнопки требуют дополнительного питания, но вместе с тем значительно расширены их функциональные возможности. Путем добавления дополнительной электроники можно получить многоканальную пьезокнопку со встроенными таймерами на включение - отключение и сложные циклически повторяемые программы, а с появлением дешевых программируемых микроконтроллеров - возможность создания программируемых и перепрограммируемых пьезокнопок. Стало возможным создание кнопок повышенной секретности, с защитой от случайных срабатываний,специальных слайд-кнопок, которые срабатывают при нажатии и движении пальца в определенном направлении и/или с определенной скоростью и так далее.
Функциональное подразделение интегрированных пьезокнопок
Продолжительного действия.
Замыкание или размыкание контакта на время до 30 и более секунд.
Включено/выключено
При нажатии - включение и при повторном нажатии - отключение.
C таймером времени
Включение или отключение на заданный промежуток времени.
С таймером времени/стоп
Включение или отключение на заданный промежуток с возможностью прервать выдержку.
Однократно программируемые
В данных кнопках может быть реализована любая сложная программа на однократное или циклическое включение или отключение нагрузки с выдержками на включение и отключение. Например, после нажатия на кнопку включить нагрузку 1 на 5 минут, запретить возможность прерывать программу в течение 6 минут, после отработки 5-минутной выдержки и через 24 часа включить нагрузку 2 на время 3 минуты и далее повторять программу через каждые 48 часов. Программа записывается с помощью программатора;
Многократно программируемые
Такие же как и однократно программируемые, но с возможностью записи новой версии или другой программы.
Мультипрограммные
В память микроконтроллера одновременно с помощью программатора записывается пять и более сложных программ и пользователь может выбрать и активизировать нужную с помощью несложных манипуляций. Например, для активизации программы 3 снять напряжение питания с кнопки и подать вновь, в это время загорается дополнительный светодиод, показывающий с обратной стороны кнопки, что пользователь может активизировать любую программу путем нажатия на кнопку. Чтобы активизировать программу 3 – необходимо в течение трех секунд с момента подачи напряжения нажать три раза. Через две секунды кнопка выходит из режима активизации, светодиод гаснет и кнопка остается в режиме программы 3, то есть если теперь нажать на кнопку - запустится программа 3, и при каждом дальнейшем нажатии будет запускаться программа 3.
Для активизации другой программы необходимо выполнить все операции еще раз. При случайном пропадании напряжения питания, сохраняется последняя настройка.
Перепрограммируемые
Данные кнопки позволяют пользователю записать и перезаписать программу в память микроконтроллера кнопки без программатора с помощью несложных манипуляций перечисленных выше, что очень важно для полевых условий эксплуатации.
Специальные
В память микроконтроллера записываются специальные программы, позволяющие преобразовать функцию времени нажатия в последовательный стандартный сигнал больше или меньше. Включение нагрузки произойдет после определенной комбинации нажатий и пауз.
К специальным относятся так называемые слайд - кнопки, – группа кнопок с общей мембраной позволяет создавать кнопки, которые включают нагрузку только при нажатии и перемещении пальца в строго определенном направлении и, если нужно, скорости (экстренное открытие дверей в самолете, электропоезде и других объектах, где нужно исключить ошибочное срабатывание).
Технические характеристики специальных пьезокнопок
Напряжение питания кнопок универсальное от 9 до 24 вольт переменного или постоянного тока.
Кнопка потребляет 1-2 миллиампера в режиме ожидания, и до 10 миллиампер, в режиме отработки программы.
Выпускаются кнопки, не потребляющие энергию в режиме ожидания, что очень важно при батарейном питании.
Защищены от воздействия статического электричества.
Гальваническая развязка выходов с источником питания.
При необходимости выполняются с защитой от перегрузки и короткого замыкания.
Хранение программы при отсутствии напряжения гарантируется в течение 10 лет.
Коммутационные параметры перечислены выше в основных технических характеристиках.
Установочные размеры: диаметр от 16 мм с резьбой М16 до 40 мм длиной от 30 до 35 мм в исполнении для наружной и внутренней установки на панель.
Сферы применения
Современный дизайн и небольшие габариты позволяют использовать кнопки и в офисе банка, и на прокатном стане. Для управления технологическими процессами с тяжелыми и особо тяжелыми условиями эксплуатации: высокая влажность или вода, пыль, песок, металлическая стружка, химически агрессивная среда, большие перепады температуры, пажаро - взрывоопасная среда.
Кнопки являются лучшим выбором для использования:
на электротехнических предприятиях;
на предприятиях нефтяной, газовой и химической промышленности;
в приборостроении;
на морском и железнодорожном транспорте;
в авиаиационном и космическом оборудовании;
в автомобильной промышленности и оборудовании автозаправочных станций;
в лифтовом и шахтном оборудовании;
в телекоммуникационной области, области связи;
на предприятиях пищевой, зерноперерабатывающей и мукомольной промышленности.
Об авторе:
Хондраш Семен Захарович,
Главный конструктор и технолог фирмы EVERSWITCH Baran Advanced Technologies.