Как работает пьезокнопка

Пьезокнопки и пьезопанели для особо тяжелых условий эксплуатации

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.

1. металлический корпус;
2. мембрана;
3. пьезоэлемент;
4. токосъемник;
5. печатная плата с управляющей электронной схемой;
6. герметик;
7. 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 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, пожаро — взрывоопасная среда.

Как работает механический кнопочный пьезоэлемент (пьеза), откуда электричество для искры?

Пьезоэлемент, который в быту чаще всего встречается в пьезозажигалках для газовых плит, вырабатывает электричество за счет формирования удара (или давления) по пьезопластинке, входящей в состав его конструкции. Пластинка деформируется и на ее поверхности генерируется электрический заряд. Вот этот заряд мы и наблюдаем, когда на конце птезозажигалки появляется искра, если нажать на кнопку зажигалки. Искра возникает можду проводом, закрепленном на конце пьезоэлемента и рассекателем, который расположен на верхнем клапане в конце зажигалки. С помощью этого рассекателя создается газовоздушная смесь, которая и служит средой для образования искры.

Это теоретическое объяснение работы механического кнопочного пьезоэлемента, а наглядное – в прилагаемом видеоролике.

Восемь пьезокнопок по трём проводам

В производственных помещениях, где перерабатывается влажная слизистая продукция, рабочие мокрыми руками с помощью кнопок управляют различными механизмами: транспортёрами, вакуумниками, мясорубками и т. п. Ремонтному персоналу приходится сталкиваться с определённым недугом: электромеханические кнопки управления перестают функционировать, часто заедают, контакты загрязняются. Для защиты таких электромеханических кнопок применяют защитные силиконовые колпачки, но и они служат недолго. Практика показала, что спустя какое то время в силиконе образовываются трещины, через которые попадает жижа и кнопки снова приходят в негодность.Чтобы модифицировать данный процесс пришлось применить пьезокнопки. Эти кнопки хороши тем, что могут эксплуатироваться в условиях экстремальных воздействий окружающей среды. Для управления несколькими исполнительными механизмами на расстоянии, возникает необходимость устанавливать соответствующее количество пьезокнопок и тянуть пучок проводов. Тем более если пьезокнопка с подсветкой, то нужно обеспечить питание для индикаторного светодиода, который встроен в кнопку. И чем больше кнопок, тем больше нужно протягивать жил, проводов для работы этих кнопок. В этой статье речь пойдёт об устройстве, с помощью которого можно будет организовать связь между кнопками и реле по трём проводам, тем самым убавить количество проводов до минимума! Связь между пультом управления и блоком исполнительного реле осуществляется с помощью трёхжильного кабеля. 1 — питание, 2 — сигнал, 3 — общий.

См. структурную схему устройства: при нажатии на первую верхнюю зелёную кнопку срабатывает первое верхнее реле и его контакты удерживаются в течении 500 мс, затем отпускаются. Все кнопки и реле идентичны. Питается пульт управления через кабель напряжением 5в.

Пульт управления состоит из восьми пьезокнопок, заключённых в герметичную коробку из нержавеющей стали, из которой через гермоввод выходит трёхжильный провод.

Коротко о пьезокнопке: функционально пьезокнопка является аналогом механической кнопки, не требующего источника питания. Она представляет собой твёрдотельный корпус, в котором отсутствуют движущиеся части. Под передней её частью находится пьезоэлемент, который реагирует на сжатие. Коммутация выполняется с помощью транзисторов, которые находятся внутри кнопки. Кроме этого в кнопке расположен индикаторный светодиод с ограничительным резистором. см. рис:

Исполнительный блок реле изготовлен на печатной плате с электронными компонентами и выходными реле.

Рассмотрим электрическую принципиальную схему пульта управления:

Сердцем пульта управления является микроконтроллер PIC16F628A. Пъезокнопки подключены к соответствующим входам МК и зашунтированы помехозащищёнными конденсаторами 0,1 мк. Светодиоды пьезокнопок подключены к соответствующим выходам МК. Так как ограничительные резисторы для светодиодов находятся непосредственно внутри кнопок, поэтому на схеме отсутствуют. При нажатии на какую либо из кнопок на входах МК появляется низкий уровень. МК обрабатывает сигнал и посылает на соответствующий индикаторный светодиод прерывистый импульс, который вызывает кратковременное мерцание светодиода, в знак того, что сигнал от кнопки получен, а c вывода (выв. 16) снимается сигнал — закодированная пачка импульсов, см рис:

Сигнал через развязку, выполненную на оптопаре PC817, поступает на базу транзистора КТ209А, коллектор которого подключен к выходной клемме устройства. Питается схема через кабель от блока исполнительного реле.

Схема исполнительного блока реле так же выполнена на микроконтроллере PIC16F628A, изображена на рисунке:

Питается схема исполнительного блока реле от источника стабилизированного напряжения 12 в, 500 мА. Это напряжение необходимо для питания электромагнитных реле постоянного тока. Напряжение с питающей клеммы поступает на блокировочный конденсатор и на шину питающую реле, а от туда на линейный стабилизатор напряжения, выполненный на микросхеме L7805. С выхода стабилизатора, преобразованное напряжение 5 в поступает на (выв. 14) микроконтроллера PIC16F628A. В состоянии покоя схема находится в ждущем режиме. Как только на пульте управления будет нажата любая кнопка, закодированный сигнал поступит на вход устройства, через защитную оптопару на вход микросхемы (выв.4). Микроконтроллер опознает посланный сигнал, откроется транзистор, сработает соответствующее реле и своими контактами включит исполнительный механизм — магнитный пускатель, например. Вспыхнет индикаторный светодиод.

Печатная плата исполнительного блока реле выполнена из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, размеры 85х115 мм:

Печатная плата пульта управления выполнена из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, размеры 40х60 мм:

Для удобства подключения пьезокнопок в плату впаяны зажимные клеммники, которые снял с использованных плат ПРА люминесцентных ламп:

Подключение кнопок к блоку управления: очевидно, что у пьезокнопок очень много проводов и тянуть такой пучок до щита управления было бы не целесообразно.

Схема подключения исполнительного блока реле, практическое применение: в данном блоке используются реле NRP07-C12D с переключающей контактной группой. На примере показана пусковая схема двигателя транспортёра. В состоянии покоя катушки реле находятся в обесточенном состоянии. В нижнем реле с зелёным светодиодом используется открытый контакт, а в верхнем реле (на рисунке второе с низу) с красным светодиодом используется закрытый контакт. При нажатии на кнопку «пуск» пульта управления на исполнительном блоке срабатывает нижнее реле и вспыхивает зелёный светодиод. Фазное напряжение через нормально закрытый контакт верхнего реле, затем через замкнувшийся контакт нижнего реле поступает на катушку магнитного пускателя, который срабатывает и своим блок-контактом блокируется. Запускается транспортёр. При нажатии на кнопку «стоп» пульта управления срабатывает верхнее реле, вспыхивает красный светодиод, контакт размыкается, цепь рвётся, пускатель возвращается в исходное состояние и двигатель транспортёра останавливается.

Особое внимание следует уделить цепочке защиты от индуктивных выбросов. Параллельно катушкам реле подключены защитные диоды 1N4004, которые защищают выходные транзисторы от импульсного всплеска в момент отключения реле. Также немаловажно установить снабберную цепь параллельно катушке магнитного пускателя — резистор 39 Ом последовательно с конденсатором 0,1мк. В противном случае система может дать сбой.

Пульт управления с кнопками установлен в цехе:

Детали

Все выводные компоненты размещены на основной лицевой стороне печатных плат. Со стороны дорожек припаяны планарные резисторы и конденсаторы. Если вас не пугают габариты печатных плат, то можно использовать компоненты других типов, но тогда придётся изменить чертежи печатных плат. Вместо диодов 1N4004 подойдут диоды 1N4004-1N4007 или отечественные аналоги КД243Г, Д226Б. Транзисторы КТ815 можно заменить на КТ817, BD135, BD137, BD139. Транзистор КТ209А заменим на КТ361Б. Электролитические конденсаторы на напряжение не ниже 16в. В качестве соединительного кабеля можно использовать трёхжильный провод ПВС 3Х0,75. В качестве блока питания использовал импульсный источник 220/12в — выходной ток 1,25А

Правильно собранная конструкция после прошивки МК начинает работать сразу и в настройке не нуждается.

Как работает пьезоэлемент и что это такое пьезоэффект

Пьезоэлектрический эффект был открыт французскими учёными братьями Кюри ещё в конце XIX века. На тот момент о практическом применении обнаруженного явления говорить было ещё рано, но в настоящее время пьезоэлементы широко применяются как в технике, так и в быту.

Сущность пьезоэффекта

Знаменитые физики установили, что при деформации некоторых кристаллов (горный хрусталь, турмалин и т.д.) на их гранях возникают электрические заряды. При этом разность потенциалов была невелика, но её уверенно фиксировали существовавшие в то время приборы, а соединив участки с разнополярными зарядами с помощью проводников, удавалось получить электрический ток. Явление фиксировалось только в динамике, в момент сжатия или растяжения. Деформация в статическом режиме пьезоэффект не вызывала.

Вскоре был теоретически обоснован и открыт на практике обратный эффект – при подаче напряжения кристалл деформировался. Выяснилось, что оба явления взаимосвязаны – если вещество проявляет прямой пьезоэффект, то ему присущ и обратный, и наоборот.

Явление наблюдается в веществах с кристаллической решеткой анизотропного типа (у которых физические свойства различны в зависимости от направления) с достаточной асимметрией, а также некоторые поликристаллические структуры.

В любом твердом теле приложенные внешние силы вызывают деформацию и механические напряжения, а в веществах, обладающих пьезоэффектом ещё и поляризацию зарядов, причём поляризация зависит от направления приложенной силы. При смене направления воздействия меняется и направление поляризации, и полярность зарядов. Зависимость поляризации от механического напряжения линейна и описывается выражением P=dt, где t – механическое напряжение, а d – коэффициент, называемый пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем).

Подобное явление происходит и при обратном пьезоэффекте. При изменении направления приложенного электрического поля изменяется направление деформации. Здесь зависимость также линейна: r=dE, где E – напряжённость электрического поля, а r – деформация. Коэффициент d одинаков при прямом и обратном пьезоэффекте у всех веществ.

На самом деле приведенные уравнения лишь оценочны. Фактические зависимости намного сложнее и определяются ещё и направлением сил относительно кристаллических осей.

Вещества, обладающие пьезоэффектом

Впервые пьезоэффект был найден у кристаллов горного хрусталя (кварца). По сегодняшнее время этот материал очень распространен в производстве пьезоэлементов, но в производстве применяются не только природные материалы.

Много пьезоэлектриков изготавливается на основе веществ с формулой ABO₃, например BaTiO₃, РbТiO₃. Эти материалы обладают поликристаллической (состоящей из множества кристаллов) структурой, и чтобы придать им способность проявлять пьезоэффект они должны быть подвергнуты поляризации с помощью внешнего электрического поля.

Существую технологии, позволяющие получить плёночные пьезоэлектрики (поливинилиденфторид и т.п.). Чтобы придать им необходимые свойства, их также надо длительное время поляризовать в электрическом поле. Преимущество таких материалов – очень малая толщина.

Свойства и характеристики веществ, обладающих пьезоэффектом

Так как поляризация происходит только во время упругой деформации, важной характеристикой пьезоматериала является его способность изменять форму под действием внешних сил. Величину этой способности определяет упругая податливость (или упругая жесткость).

Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, обладают высокой упругостью – при снятии усилия (или внешнего напряжения) они возвращаются к первоначальной форме.

Также пьезокристаллам присуща собственная механическая резонансная частота. Если заставить кристалл колебаться на этой частоте, амплитуда будет особенно большой.

Так как пьезоэффект проявляют не только целые кристаллы, а и пластины из них, нарезанные с соблюдением определенных условий, то можно получать куски пьезовеществ с резонансом на различных частотах – в зависимости от геометрических размеров и направления реза.

Также колебательные свойства пьезоэлектрических материалов характеризует механическая добротность. Она показывает, во сколько раз возрастает амплитуда колебаний на резонансной частоте при равной приложенной силе.

Существует явная зависимость свойств пьезоэлектрика от температуры, которую надо учитывать при использовании кристаллов. Эту зависимость характеризуют коэффициенты:

• температурный коэффициент резонансной частоты показывает, насколько уходит резонанс при нагревании/охлаждении кристалла;
• температурный коэффициент расширения определяет, насколько изменяются линейные размеры пьезопластины при изменении температуры.

При определенной температуре пьезокристалл теряет свои свойства. Этот предел называется температурой Кюри. Эта граница индивидуальна для каждого материала. Например, для кварца она составляет +573 °C.

Практическое использование пьезоэффекта

Самое известное применение пьезоэлементов – в качестве элемента для зажигания. Пьезоэффект используется в карманных зажигалках или в кухонных воспламенителях для газовых плит. При нажатии на кристалл возникает разность потенциалов и в воздушном промежутке появляется искра.

Этим область применения пьезоэлементов не исчерпывается. Кристаллы, обладающие подобным эффектом, могут применяться в качестве датчиков деформации, но эту сферу использования ограничивает свойство пьезоэффекта проявляться только в динамике – если изменения остановились, сигнал перестает генерироваться.

Пьезокристаллы могут быть использованы в качестве микрофона – при воздействии акустических волн формируются электрические сигналы. Обратный пьезоэффект позволяет также (иногда одновременно) применять такие элементы в качестве звукоизлучателей. При подаче на кристалл электрического сигнала, пьезоэлемент начнет генерировать акустические волны.

Такие излучатели широко применяются для создания ультразвуковых волн, в частности, в медицинской технике. При этом можно использовать и резонансные свойства пластины. Она может применяться в качестве акустического фильтра, выделяющего волны только собственной частоты. Другой вариант – использование в звуковом генераторе (сирене, извещателе и т.п.) пьезоэлемента одновременно в качестве частотозадающего и звукоизлучающего элемента. В этом случае звук всегда будет генерироваться на резонансной частоте, и можно получить максимальную громкость с небольшими энергозатратами.

Резонансные свойства используются для стабилизации частот генераторов, работающих в радиочастотном диапазоне. Пластинки из кварца выполняют роль высокостабильных и высокодобротных колебательных контуров в частотозадающих цепях.

Существуют фантастические пока проекты преобразовывать энергию упругой деформации в электрическую энергию в промышленных масштабах. Можно использовать деформацию дорожного покрытия под действием тяжести пешеходов или автомобилей, например, для освещения участков трасс. Можно применять энергию деформации крыльев самолета для обеспечения бортсети. Такое использование сдерживается недостаточным КПД пьезоэлементов, но опытные установки уже созданы, и они показали перспективность дальнейшего совершенствования.

Что такое диэлектрическая проницаемость

Что такое симистор и как с его помощью управлять нагрузкой

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность