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. Технический результат - уменьшение электрического сопротивления выключателя и обеспечение электрической развязки (изоляции) цепи выключателя и цепи управления. 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 сеть. При этом пьезоэлемент размещен на мембране, установленной в торцевой части корпуса, а в качестве элементов схемы управления выключатель содержит твердотельное реле с оптической развязкой. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

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.

1. Бесконтактный пьезоэлектрический выключатель, содержащий 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 элементов схемы управления выключатель содержит твердотельное реле с оптической развязкой.

2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит световой индикатор работы, установленный со стороны торцевой поверхности корпуса.

3. Выключатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что корпус выполнен из алюминия или стали.