БЕСКОНТАКТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к бесконтактным пьезоэлектрическим выключателям, которые могут быть использованы для импульсной коммутации в цепях постоянного и переменного тока.
Бесконтактные пьезоэлектрические выключатели имеют ряд преимуществ: высокую надежность, небольшие габариты, возможность работы в химически агрессивных средах, искробезопасность, широкий диапазон рабочих температур, токов и напряжений, низкую стоимость. При этом в отличие от сенсорных (емкостных, индуктивных и др.) выключателей, кнопки пьезовыключателей не требуют дополнительного источника питания.
Из уровня техники известны бесконтактные пьезовыключатели (см. Каталог ”Пьезокоммутационные устройства” ASB Holding http://www.vniir.ru/production/cat/cat/ads-vniir-pku.pdf), содержащие металлический корпус, в котором установлен пьезоэлемент, соединенный через токосъемник с печатной платой, на которой размещены элементы схемы управления выключателем, а также электрические выводы для соединения с управляющей сетью. В качестве элементов, осуществляющих управление выключателем, используют бесконтактные транзисторные ключи.
Недостатком данных устройств является наличие прямой электрической связи между схемой управления выключателем и цепью управления исполнительным устройством (входом и выходом), а также сравнительно высокое сопротивление транзисторных ключей в открытом состоянии.
Задачей заявленной полезной модели является создание электрического выключателя, обладающего малым весом, высокой надежностью и безопасностью работы, а также обеспечением развязки схемы управления выключателем и цепей исполнительных устройств при значительном снижении сопротивления выходного сопротивления выключателя в открытом состоянии (увеличение КПД).
Технический результат заявленной полезной модели заключается в уменьшении электрического сопротивления выключателя в открытом состоянии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что бесконтактный пьезоэлектрический выключатель содержит цилиндрический корпус, пьезоэлемент, установленный в корпусе и электрически соединенный с элементами схемы управления, размещенными на печатной плате, и электрические выводы для соединения с управляющей сетью, отличающийся тем, что пьезоэлемент размещен на мембране, установленной в торцевой части корпуса, при этом в качестве элемента схемы управления выключатель содержит твердотельное реле с оптической развязкой.
Кроме того, указанный технический результат достигается в предпочтительных вариантах реализации полезной модели за счет того, что:
- выключатель содержит световой индикатор работы, установленный со стороны торцевой поверхности корпуса,
- корпус выполнен из алюминия или стали.
В заявленном выключателе в качестве элемента, обеспечивающего развязку цепей коммутации, использовано твердотельное реле с оптической развязкой - оптоэлектронный коммутатор переменного тока с нормально разомкнутыми (замкнутыми) выходными контактами. За счет этого полностью исключается влияние схемы управления выключателем на управляемые цепи, одновременно обеспечено минимальное сопротивление исполнительного элемента в открытом состоянии, что также значительно улучшает параметры работы управляемых цепей.
Конструкция заявленного устройства схематично показана на фиг. 1.
Устройство включает цилиндрический корпус 1, выполненный, например, из алюминия или нержавеющей стали. С торца корпуса (в его «донышке») размещена гибкая мембрана 2 толщиной 0,5-1 мм. На мембране с внутренней стороны закреплен пьезоэлемент 3, который через токосъемники 4 и полевой транзистор 5 электрически соединен с твердотельным реле 6 с оптической развязкой (оптореле), размещенном на печатной плате 7. Устройство также имеет гибкие электрические выводы 8 для подключения управляющей сети. Кроме того, устройство может содержать световой индикатор 9 работы, установленный со стороны торцевой поверхности корпуса 1.
Твердотельное реле 6 с оптической развязкой представляет собой, в частности, пластмассовый 4-х выводной SOP корпус, в котором размещены элементы интегральной оптоэлектронной гибридной микросхемы (выполненной в соответствии с ГОСТ 18725-83 и КЕНС.421156.091 ТУ).
Общая компоновка схемы реле 6 показана на фиг. 2.
Реле имеет два входных контакта 10 и 11 (являющихся анодом и катодом соответственно), соединенных с излучающим светодиодом 12, а также принимающие излучение фотогальванические ячейки 13, электрически соединенные с элементом 14, замыкающим выходные контакты 15 и 16.
Заявленный выключатель работает следующим образом.
При нажатии на мембрану 2 происходит деформация пьезоэлемента 3, что приводит к появлению напряжения на токосъемниках 4 в результате прямого физического пьезоэффекта. Электрический сигнал поступает на полевой транзистор 5, который усиливает сигнал и подает его на контакты 10 и 11 твердотельного реле 6. Светодиод 12 преобразует протекающий через него ток в инфракрасное излучение, которое проходя в корпусе некоторое расстояние, попадает на матрицу фотогальванических ячеек 13. При этом происходит преобразование падающего света в напряжение и получаемый электрический сигнал поступает в элемент 14, замыкающий выходные контакты 15 и 16.
Заявленный выключатель обладает следующими характеристиками:
- масса не более 10 г,
- число коммутационных циклов без разрушения не менее 1 млн.,
- длительность коммутирующего импульса 0,15-0,40 с,
- напряжение питания около 5 В,
- рассеиваемая мощность не более 0,2 Вт,
- коммутируемое напряжение не более 60 В,
- коммутируемы ток (постоянный) не более 350 мА,
- сопротивление выключателя в открытом состоянии не более 1,6 Ом,
- усилие срабатывания выключателя 3-5 Н
- ток утечки на выходе в закрытом состоянии при напряжении 60 В 1 мкА.
Таким образом, заявленная конструкция обеспечивает уменьшение потерь на электрическое сопротивление, а также улучшении показателей работы выключателя.