В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов и в комбинированных системах. Современные же 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 коммутационных изделий: кнопок, клавиатур, выключателей, переключателей и интегрированных изделий на их основе.
Пьезокерамика обладает многими достоинствами:
— простая технология производства ведет к снижению стоимости изделий;
— высокая радиационная стойкость ставит вне конкуренции устройства на их базе, которые рассчитаны на работу в условиях радиационной стойкости;
— исключительная стойкость к действию различных агрессивных сред. Из известных в настоящее время химических соединений только плавиковая кислота способна оказать разрушающее действие на пьезокерамику. Это позволяет использовать устройства в различных химических производствах;
— диэлектрическая природа пьезоэлемента, работа за счет действия электрического поля, практически отсутствие тока и связанных с этим тепловыделений обеспечивают ему качество взрывобезопасного элемента, КПД которого близок к 100%. Это свойство позволяет использовать изделия на базе пьезотехнологии на взрывоопасных предприятиях, к числу которых относятся все нефтехимические и газохимические предприятия.
С 1990 г. началось массовое производство пьезокоммутационных изделий зарубежными фирмами.
В России первые опытные изделия появились еще в 1984–1985 г., но из-за низкого качества собственных пьезоэлектрических элементов и невозможности покупки их за рубежом эта технология не получила должного развития. В настоящее время производителями пьезокоммутационных изделий являются зарубежные фирмы: PSD (США), T.H. (Швеция), ALGRA (Швеция), SHURTER (Германия), Baran Advanced Technologies (Израиль). В России ООО «ВНИИР-Прогресс, на базе разработок Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского технологического института релестроения с опытным производством.
Достаточно простыми средствами достигнуты высокая надежность; небольшие габариты; современный дизайн; возможность работы в химически агрессивных средах, в воде, песке, металлической стружке; искробезопасная бесконтактная коммутатация с количеством коммутационных циклов, не имеющая аналогов (50 млн. циклов); широкий диапазон рабочих температур, токов и напряжений; возможность антивандального исполнения; низкая стоимость. В отличие от существующих сенсоров, емкостных, индуктивных и др., пьезокнопки не требуют дополнительного источника питания.
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 500 Ом.
Емкость 25 пикофарад.
Количество коммутационных циклов более 50 млн.
Диапазон рабочих температур
— 40 до + 125 °С
Усилие нажатия 3–5N
Степень защиты IP 68
Материал корпуса нержавеющая сталь, алюминий, латунь, пластмассы
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 электродов, снимаемое токосъемником (4), подается на печатную плату (5), на которой смонтирована электронная схема бесконтактных транзисторных ключей, коммутирующих внешнее напряжение (ток) в нагрузке. Вся конструкция залита герметиком (6), а выводы (7) могут быть выполнены разъемом, проводами или кабелем.
Пьезокнопки функционально подразделяются на:
1) импульсные Н.О. или Н.З. контактом
— замыкание или размыкание контакта 120–500 миллисек.;
2) продолжительные Н.О. или Н.З.
— замыкание или размыкание контакта до 10 сек.
Эти кнопки выпускаются с указанными выше электрическими параметрами в исполнении с индикацией со светодиодом и светодиодным кольцом. Корпуса пьезокнопок выполняются из нержавеющей стали, анодированного алюминия красного, зеленого, голубого, черного, желтого и натурального цветов, а также из пластмасс и других материалов. Надписи выполняются фотохимическим способом, лазерной или механической гравировкой.
Установочные размеры: диаметр от 16 мм до 40 мм с резьбой М16, длиной от 8 до 20 мм, в исполнении для наружной и внутренней установок на панель. Выводы выполняются стандартным кабелем, проводом или разъемом. Кнопки могут выполняться с тактильным эффектом.
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 или отключение и сложные циклически повторяемые программы, а с появлением дешевых программируемых микроконтроллеров появилась возможность создания программируемых и перепрограммируемых пьезокнопок. Стало возможным создание кнопок повышенной секретности с защитой от случайных срабатываний, специальных слайдкнопок, которые срабатывают при нажатии и движении пальца в определенном направлении, скорости и т. д.
Функционально интегрированные пьезокнопки подразделяются на:
1) продолжительные Н.О. или Н.З.
— замыкание или размыкание контакта до 30 и более секунд;
2) включено\выключено Н.О. или Н.З.: при нажатии — включение и повторном нажатии — отключение;
3) с таймером времени — на включение или отключение выдержки времени;
4) с таймером времени\стоп
— на включение или отключение выдержки времени с возможностью прервать выдержку;
5) 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 мин., запретить возможность прерывать программу в течение 6 мин. после отработки 5-минутной выдержки и через 24 часа включить нагрузку 2 на время 3 мин. и далее повторять программу через каждые 48 часов. Программа записывается с помощью программатора;
6) многократно программируемые
— то же, но с возможностью записи новой версии или другой программы;
7) мультипрограммные
— в память микроконтроллера одновременно с помощью программатора записывается пять и более сложных программ, а 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 в течение трех секунд загорается дополнительный светодиод с обратной стороны кнопки, показывающий, что пользователь может активизировать любую программу путем нажатия на кнопку, чтобы активизировать программу 3, нажать три раза и подождать две секунды. Через две секунды кнопка выходит из режима активизации светодиод гаснет и кнопка остается в режиме программы 3. Т.е. если теперь нажать на кнопку, запустится программа 3, и при каждом дальнейшем нажатии будет запускаться эта программа. Для активизации другой программы выполнить все операции еще раз. При случайном пропадании напряжения питания сохраняется последняя настройка;
8) 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;
9) 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 слайдкнопки — группа кнопок с общей мембраной позволяет создавать кнопки, которые включают нагрузку только при нажатии и перемещении пальца, в строго определенном направлении и, если нужно, и скорости (экстренное открытие дверей в самолете, электропоезде и других объектах, где нужно исключить ошибочное срабатывание).
Напряжение питания кнопок — универсальное, от 9 до 24 В 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. Также кнопки защищены от воздействия статического электричества. Имеется гальваническая развязка выходов с источником питания.
При необходимости изготавливаются кнопки 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 до 40 мм с резьбой М16, длиной от 30 до 35 мм, в исполнении для наружной и внутренней установок на панель.
Пьезоклавиатуры и панели
Пьезотехнология позволяет объединять пьезокнопки в клавиатуры. В отличие от существующих сенсоров (емкостных, индуктивных), пьезосенсоры клавиатур не нужно изолировать друг от друга. Это позволяет размещать на одном металлическом листе неограниченное количество кнопок, объединять их в клавиатуры с различными схемами соединений.
Конструкция пьезоклавиатуры
На листе металла химическим способом (анодированная фотопечать или металлофото), лазерной или механической гравировкой наносится рисунок клавиатуры или мнемосхема технологического процесса, а с обратной стороны расположены пьезоэлементы и электронные ключи, залитые герметиком. Выводы выполняются стандартным кабелем или разъемом. Конструктивно клавиатуры подразделяются: для внутренней и наружной установки, а также настольные или переносные, примером которых может быть компьютерная клавиатура с встроенным интерфейсом PS.2, USB и др.
Принцип работы пьезоклавиатуры
Принцип работы основан на прямом физическом пьезоэффекте. При прикосновении пальцем к рисунку на клавиатуре происходит деформация пьезоэлемента, и на его обкладках возникает напряжение, достаточное для надежного управления бесконтактными транзисторными ключами. Клавиатура не требует дополнительного источника питания. Высокая надежность достигнута за счет полного отсутствия движущихся частей и полной герметизации. В зависимости от схемы соединения клавиатуры могут быть матричными, с общим проводом и смешанной схемой соединения.
Универсальные бесконтактные пьезопереключатели (командоаппараты)
В корпус пьезоклавиатуры добавлен микроконтроллер с программой. При наборе кода доступа, который в дальнейшем можно изменять, потребитель может самостоятельно:
перепрограммировать переключатель с клавиатуры изделия с помощью несложных манипуляций;
задать любой клавише любую комбинацию выходов;
если при переключении требуются дополнительные выдержки времени на включение или отключение, их можно ввести программно;
В случае аварийного отключения напряжения, система может запоминать последнее состояние или переходить в состояние „сброс“. Каждое нажатие сопровождается звуковой и световой индикацией. Если изменить базовую программу, можно получить новое изделие
— универсальный программируемый 12-программный, 12-канальный командоаппарат. Такое решение позволяет быстро перенастраивать и модернизировать любое оборудование.
Сфера применения бесконтактных пьезокоммутационных изделий
Современный дизайн, небольшие габариты пьезокоммутационных изделий позволяют их внедрение как в офисе банка, так и на прокатном стане. Они пригодны для управления технологическими процессами с тяжелыми и особо тяжелыми условиями эксплуатации: наличие высокой влажности или воды, пыли, песка, металлической стружки, химически агрессивной среды, больших перепадов температуры, пажаровзрывоопасной среды. Возможно применение на предприятиях:
— нефтяной, газовой и химической промышленности;
— энергетики, приборостроения, атомной промышленности;
— морского и железнодорожного транспорта, метро;
— авиационного и космического оборудования;
— автомобильной промышленности и оборудования автозаправочных комплексов;
— лифтового, шахтного оборудования;
— связи;
— пищевой, зерноперерабатывающей, и мукомольной промышленности;
— оборонного комплекса.
