ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОММУТАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОММУТАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА:
ИНТЕЛЛЕКТ И ВЫНОСЛИВОСТЬ
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.
Основные преимущества:
•
•
•
•
•
•
Высокий ресурс: 50 млн. циклов включения / выключения (подтверждено испытаниями).
Вандалоустойчивость и стойкость к агрессивным средам.
Искро- и взрывобезопасность.
Отсутствие вторичного источника питания (аналог механической кнопки).
Уникальные возможности по программированию алгоритма работы.
Высокая надёжность за счёт интеграции пьзеэлемента и электронной схемы в едином
монолитном модуле.
Особенности продуктовой линейки EVERSWITCH:
•
•
•
•
•
•
•
•
Возможность коммутации больших токов и напряжения.
Возможная реализация чувствительности к скорости и направлению движения пальца.
Возможность изготовления панелей на заказ мелкими партиями.
Конкурентноспособные цены.
Отсутствие механических движущихся частей.
Стойкость к вибрационным нагрузкам.
Полное отсутствие электромагнитных помех.
Проверено в составе военной техники.
Компания BaranAT является технологическим лидером на мировом рынке пьезокерамических
коммутационных изделий с долей рынка около 40%.
Конструкция пьезокнопки:
1 – металлический корпус
2 – мембрана
3 – пьезоэлемент
4 – токосъёмник
5 – печатная плата с управляющей электронной схемой
6 – герметик
7 – выводы
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.
На обратной стороне корпуса кнопки, который может выполняться из металла или пластмассы,
установлен пьезоэлемент. Напряжение с его электродов, снимаемое токосъемником, которые могут
выполнятся проводами, токопроводящей резиной и другими способами, подается на печатную плату,
на которой смонтирована электронная схема коммутирующая внешнее напряжение (ток) в нагрузке.
Вся конструкция залита герметиком, а выводы могут быть выполнены разъемом, проводами или
шлейфом.
Основные технические характеристики:
Номинальное напряжение, В
Номинальная сила тока, А
Сопротивление выключателя в открытом состоянии
Сопротивление выключателя в закрытом состоянии
Емкость
Количество коммутационных циклов
Усилие нажатия
Рабочая температура
Степень защищённости
Материал корпуса
Постоянный и переменный
0 - 24
0-2
не более 10 Ом
не менее 5 МОм
25 пФ
более 50 миллионов
3-5 Н
от -40° до +125°
IP68
нержавеющая сталь, алюминий,
пластмассы и другие материалы
латунь,
Электрическая схема простой пьезокнопки. Управление
производится простейшим транзисторным ключом.
Простые пьезокнопки:
•
•
•
•
•
•
Материал корпуса: нержавеющая сталь, анодированный алюминий
различных цветов, бронза, пластик и др.
Индикация: светодиод, светодиодное кольцо.
Лазерная гравировка, фотохимическая и анодированная печать.
Диаметр от 16 до 40 мм., длина корпуса от 8 до 20 мм.
Исполнение как для наружной, так и внутренней установки на панель.
Выводы: стандартный провод, разъём, плоский кабель (шлейф).
Функционально, простые пьезокнопки можно разделить на следующие виды:
•
Импульсные нормально разомкнутые (Н.О.) или нормально замкнутые (Н.З.) – замыкание
или размыкание контакта 120-500 миллисекунд.
•
Продолжительные Н.О. или Н.З. – замыкание или размыкание контакта до 10 секунд.
Программируемые пьезокнопки:
С появлением недорогих микроконтроллеров стало возможным создание программируемых и
перепрограммируемых пользователем кнопок. Добавлением дополнительной управляющей
электроники можно получить «умную» пьезокнопку, самостоятельно реализующую сложные наборы
действий.
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 возможность создания программируемых
и перепрограммируемых пьезокнопок. Стало возможно создание кнопок
повышенной секретности, с защитой от случайных срабатываний, специальных
слайд-кнопок, которые срабатывают при нажатии и движении пальца в
определенном направлении, скорости и так далее.
Функционально, программируемые пьезокнопки подразделяются на следующие виды:
•
•
•
•
•
•
•
Продолжительные Н.О. или Н.З. – замыкание или размыкание контакта до 30 и более секунд.
Вкл. / выкл. Н.О или Н.З. – при нажатии – включение и повторном нажатии – отключение.
С таймером времени – на включение или отключение выдержки времени.
С таймером времени / стоп – на включение или отключение выдержки времени 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.
Многократно программируемые – то же, 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.
•
•
•
•
•
•
•
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 и скорости. (Экстренное
открытие дверей в самолете, электропоезде и других объектах, где нужно исключить ошибочное
срабатывание).
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 течении 10 лет. Коммутационные
параметры перечислены выше в основных технических характеристиках.
Коммутационные панели:
Помимо кнопок, на основе описанной технологии выпускается большое количество коммутационных
клавишных панелей, клавиатур самого широкого класса применения. Все они отличаются, прежде
всего, высоким уровнем механической прочности, что обеспечивает вандалоустойчивость и
возможность работы в агрессивных условиях эксплуатации. Последнее делает коммутирующие
устройства EVERSWITCH незаменимыми для применения в аппаратуре промышленной автоматики в
ряде отраслей, где критичны требования по механической прочности, пыле- и влагозащищённости,
химической стойкости и другим отличным от обычных параметрам внешней среды.
На листе металла химическим способом или гравировкой наносится рисунок клавиатуры и мнемосхемы
технологического процесса. С обратной стороны металла расположены пьезоэлементы и электронные
ключи, залитые герметиком. При нажатии происходит срабатывание пьезоэлемента, вызывающее
открытие или закрытие электронных ключей. При этом клавиатурные панели не требуют
дополнительных источников питания. Конструкция полностью герметична.
Системы управления контролем доступа:
Также серийно выпускается широкий ряд устройств для считывания магнитных карт и и проксимитикарт различных стандартов, в т.ч. комбинированные устройства, использующие различные типы
идентефикации, биометрические системы, домофоны, интеркомы.
Устройство для считывания Proximity-карт с пьезоклавиатурой.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Вандалозащищённая конструкция
Не имеет внутри движущихся частей
Тип проксимити-карт: INDALA, HID, AWID
Проксимити-протокол: WIEGAND 26
Протокол передачи PIN-кода: 8 BIT BURST
Рабочее напряжение: 5-12 В
Потребление энергии: max 150 мА
Частота запроса: 125 КГц
Условия эксплуатации: IP68, 100% относительная влажность
Идеально для интенсивного траффика
Пожизненная гарантия производителя
Комбинированный терминал контроля доступа
(магнитная карта, Proximity-карта, клавиатура).
•
•
•
•
•
•
•
Вандалозащищённая конструкция
Тип проксимити-карт: INDALA, HID, AWID
Проксимити-протокол: WIEGAND 26
Протокол передачи PIN-кода: 8 BIT BURST, WIEGAND 26
Протокол вывода идентификатор магнитной карты: RAW, DATA
3 индикатора состояния системы
Пожизненная гарантия производителя
Номенклатура выпускаемых изделий постоянно расширяется.
Сфера применения:
В серийном производстве освоено более 400 различных типов пьезоэлектрических
коммутирующих устройств для разнообразных сфер применения. Применение кнопок, панелей и
клавиатур семейства EVERSWITCH – оптимальное решение для устройств управления
технологическими процессами с тяжелыми и особо тяжелыми условиями эксплуатации – наличие
высокой влажности или воды, пыли, песка, металлической стружки, химически агрессивной среды,
большие перепады температуры, пожаро-, взрывоопасная среда. В этой связи продукты EVERSWITCH
являются лучшим выбором для использования:
•
•
•
•
•
•
•
в военной технике и технике специального назначения;
в аппаратуре, применяемой на пожаровзрывоопасных производствах в химической и
нефтегазовой промышленной, на нефтебазах, газохранилищах, автозаправочных станциях,
на предприятиях пищевой и зерноперерабатывающей промышленности;
в составе систем управления транспортных средств и аэрокосмической техники;
в системах пожарной сигнализации;
в лифтовом и шахтном оборудовании;
в качестве вандалозащищённых панелей в системах контроля доступа (в частности, в
домофонах);
в оборудовании, применяемом в дорожном строительстве, на ГОКах.
Возможно производство мелкосерийных партий кнопок и клавишных панелей с заданными заказчиком
характеристиками. Ниже представлены варианты заказной продукции.
Панель управления на
мусороуборочной машине
Номеронаборная панель
таксофонов British Telecom
Панель управления на
промышленном
предприятии