Хондраш Семен Захарович,
Головний конструктор і технолог фірми EVERSWITCH Baran Advanced Technologies.
Незважаючи на те що п'єзоефект був відкритий ще в XIX столітті, а з другої половини XX активно розвивалася теорія і технологія створення пьезокерамических матеріалів, вважається, що п'єзокераміка - один з перспективних матеріалів століття XXI.
Причиною такого погляду є те, що чудові властивості, властиві п'єзокераміка, до сих пір не в повній мірі затребувані наукою, технікою і технологіями. Активне використання п'єзокераміки в різних областях почалося в 60-70 роках XX століття.
Досить добре були вивчені і використані властивості п'єзокерамічних датчиків і п'єзокерамічних перетворювачів. В даний час п'єзокераміка широко використовується для ультразвукової діагностики в медицині, авіаційному і залізничному транспорті, енергетиці, нафтогазовому комплексі; силова п'єзокераміка - в ультразвукової зварюванні, чищенні поверхонь, нанесенні покриттів, свердління і т. д. У той же час п'єзокераміка ще недостатньо використовується для створення генераторів, актюаторів і в комбінованих системах. Разом з тим сучасні вимоги з енергозбереження, мініатюризації, адаптивності до комп'ютерних систем управління і контролю, все частіше змушують виробників техніки і обладнання звертатися до пошуку тих чи інших технологічних рішень за допомогою п'єзокераміки. В результаті з'являються нові типи п'єзокераміки, створюються нові й удосконалюються відомі пьезокерамические елементи і компоненти.
П'єзоелектричні елементи ідеальні при використанні як електромеханічні перетворювачі. Вони досить широко використовуються для виготовлення п'єзокерамічних компонентів, вузлів і пристроїв.
Застосування п'єзокерамічних елементів у виробах комутації електричних сигналів призвело до якісно нового рівня виробництва кнопок, клавіатур, вимикачів, перемикачів і інтегрованих виробів на їх основі.
В даний час обсяги випуску пьезокоммутаціонних виробів розподілилися між фірмами:
- PSD (США) - 4%,
- T.H. tschudin heid ad (Швеція) - 9%,
- ALGRA (Швеція) - 26%,
- SHURTER (Німеччина) - 25%
- Baran Advanced Technologies (Ізраїль) - 36%
Досить простими засобами досягнута:
На відміну від існуючих сенсорів, ємнісних, індуктивних та інших пьезокнопкі не вимагають додаткового джерела живлення, а також дозволяють розміщувати на одному металевому листі необмежену кількість кнопок, що дозволяє об'єднувати їх в клавіатури з різними схемами з'єднань.
Основні технічні характеристики
- Напруга до 1000 і більше вольт;
- струм постійний / змінний, до 10 і більше ампер;
- опір електричного контакту «вкл» 0,01 Ом;
- опір електричного контакту «викл» більше 5 Мом;
- ємність 25 пикофарад;
- кількість комутаційних циклів понад 50 мільйонів;
- діапазон робочих температур -40 ° C до + 125 ° С;
- зусилля натискання 3-5 Ньютон;
- матеріал корпусу: нержавіюча сталь, алюміній, латунь, пластмаси та інші матеріали.
Принцип роботи пьезокнопкі
Принцип роботи заснований на прямому фізичному п'єзоефекті, тобто при тиску на п'єзоелемент відбувається його деформація і на його обкладках (електродах) виникає напруга достатня для надійного управління безконтактними транзисторними ключами.
На зворотному боці корпусу кнопки, який може виконуватися з металу або пластмаси, встановлений п'єзоелемент 3. Напруга з його висновків подається на друковану плату, потім знімається струмознімачем 4, який, як правило, виконується з струмопровідної гуми.
На друковану плату 5 змонтована електронна схема, коммутирующая зовнішня напруга (струм) в навантаженні. Вся конструкція залита герметиком 6, а висновки 7 можуть бути виконані роз'ємом, проводами або кабелем.
- металевий корпус;
- мембрана;
- п'єзоелемент;
- струмознімач;
- друкована плата з керуючою електронною схемою;
- герметик;
- висновки.
Функціональне підрозділ простих пьезокнопок
Імпульсні пьезо-кнопки.
Бувають як нормально-замкнуті, так і нормально-розімкнуті. При натисканні відбувається размаканіе (замикання) контакту на 120-1500 мілісекунд;
Пьезо-кнопки тривалої дії.
При натисканні відбувається замикання або розмикання контакту на час до 30 і більше секунд.
Всі ці кнопки випускаються з вищевказаними електричними параметрами, а також з індикацією, з світлодіодом або світлодіодним кільцем.
Корпуси пьезокнопок виконуються з нержавіючої сталі, анодованого алюмінію червоного, зеленого, блакитного, чорного, жовтого і натурального кольору, а також з пластмас та інших матеріалів. Написи виконуються фотохімічним способом, лазерної або механічної гравіюванням.
Установчі розміри: діаметр від 16 мм з різьбою М16 до 40 мм, довжиною від 8 до 20 мм, у виконанні для зовнішньої і внутрішньої установки на панель.
Висновки виконуються стандартним кабелем, проводом або роз'ємом. Кнопки можуть виконуватися з тактильним ефектом зворотного зв'язку. Тобто "клацати" при натисканні.
Інтегровані пьезокнопкі вимагають додаткового харчування, але в той же час значно розширені їх функціональні можливості. Шляхом додавання додаткової електроніки можна отримати багатоканальну пьезокнопку з вбудованими таймерами на включення - відключення і складні циклічно повторювані програми, а з появою дешевих програмованих мікроконтролерів - можливість створення програмованих і перепрограмованих пьезокнопок. Стало можливим створення кнопок підвищеної секретності, з захистом від випадкових спрацьовувань, спеціальних слайд-кнопок, які спрацьовують при натисканні та рух пальця в певному напрямку і / або з певною швидкістю і так далі.
Функціональне підрозділ інтегрованих пьезокнопок
Тривалої дії.
Замикання або розмикання контакту на час до 30 і більше секунд.
Включено / вимкнено
При натисканні - включення і при повторному натисканні - відключення.
C таймером часу
Включення або відключення на заданий проміжок часу.
З таймером часу / стоп
Включення або відключення на заданий проміжок з можливістю перервати витримку.
Лише один раз програмовані
В даних кнопках може бути реалізована будь-яка складна програма на одноразове або циклічне включення або відключення навантаження з витягами на включення і відключення. Наприклад, після натискання на кнопку включити навантаження 1 на 5 хвилин, заборонити можливість переривати програму протягом 6 хвилин, після відпрацювання 5-хвилинної витримки і через 24 години включити навантаження 2 на час 3 хвилини і надалі повторювати програму через кожні 48 годин. Програма записується за допомогою програматора;
багаторазово програмовані
Такі ж як і одноразово програмовані, але з можливістю запису нової версії або іншої програми.
Мультипрограмні
На згадку мікроконтролера одночасно за допомогою програматора записується п'ять і більше складних програм і користувач може вибрати і активізувати потрібну за допомогою нескладних маніпуляцій. Наприклад, для активізації програми 3 зняти напругу харчування з кнопки і подати знову, в цей час спалахує додатковий світлодіод, який показує зі зворотного боку кнопки, що користувач може активізувати будь-яку програму шляхом натискання на кнопку. Щоб активізувати програму 3 - необхідно протягом трьох секунд з моменту подачі напруги натиснути три рази. Через дві секунди кнопка виходить з режиму активізації, світлодіод гасне і кнопка залишається в режимі програми 3, тобто якщо тепер натиснути на кнопку - запуститься програма 3, і при кожному подальшому натисканні буде запускатися програма 3.
Для активізації іншої програми необхідно виконати всі операції ще раз. При випадковому зникненні напруги живлення, зберігається остання настройка.
перепрограмувальні
Дані кнопки дозволяють користувачеві записати і перезаписати програму в пам'ять мікроконтролера кнопки без програматора за допомогою нескладних маніпуляцій перерахованих вище, що дуже важливо для польових умов експлуатації.
спеціальні
На згадку мікроконтролера записуються спеціальні програми, що дозволяють перетворити функцію часу натискання в послідовний стандартний сигнал більше або менше. Включення навантаження відбудеться після певної комбінації натискань і пауз.
До спеціальних належать так звані слайд - кнопки. - група кнопок із загальною мембраною дозволяє створювати кнопки, які включають навантаження тільки при натисканні і ви проводите пальцем в строго визначеному напрямку і, якщо потрібно, швидкості (екстрене відкриття дверей в літаку, електропоїзді і інших об'єктах, де потрібно виключити помилкове спрацьовування).
Технічні характеристики спеціальних пьезокнопок
- Напруга харчування кнопок універсальне від 9 до 24 вольт змінного або постійного струму.
- Кнопка споживає 1-2 міліампера в режимі очікування, і до 10 міліампер, в режимі відпрацювання програми.
- Випускаються кнопки, які не споживають енергію в режимі очікування, що дуже важливо при батарейному харчуванні.
- Захищені від впливу статичної електрики.
- Гальванічна розв'язка виходів з джерелом живлення.
- При необхідності виконуються із захистом від перевантаження і короткого замикання.
- Зберігання програми при відсутності напруги гарантується протягом 10 років.
- Комутаційні параметри перераховані вище в основних технічних характеристиках.
- Установчі розміри: діаметр від 16 мм з різьбою М16 до 40 мм довжиною від 30 до 35 мм у виконанні для зовнішньої і внутрішньої установки на панель.
Сучасний дизайн і невеликі габарити дозволяють використовувати кнопки і в офісі банку, і на прокатному стані. Для управління технологічними процесами з важкими і особливо важкими умовами експлуатації: висока вологість або вода, пил, пісок, металева стружка, хімічно агресивне середовище, великі перепади температури, пожежо - вибухонебезпечне середовище.
Кнопки є найкращим вибором для використання:
- на електротехнічних підприємствах;
- на підприємствах нафтової, газової та хімічної промисловості;
- в приладобудуванні;
- в морському і залізничному транспорті;
- в авіаційному та космічному обладнанні;
- в автомобільній промисловості і обладнанні автозаправних станцій;
- в ліфтовому і шахтному обладнанні;
- в телекомунікаційній галузі, галузі зв'язку;
- на підприємствах харчової, зернопереробної і борошномельної промисловості.