Dev Gualtieri
Electronic Design
Простая сборка из фторопласта и полиимида образует переключатель, в котором при относительном смещении элементов образуется статическое электричество (трибоэлектричество), преобразуемое во всплеск напряжения, который, в свою очередь, переключает цифровую схему.
Трибоэлектричество – форма электричества, известная на протяжении тысячелетий. Это статическое электричество, из-за которого в зимний день, когда воздух сухой и влажность низкая, вылетают искры из вашего пальца в клавишу выключателя. Это также причина, по которой большинство микросхем хранится в антистатической упаковке.
Оно образуется, когда определенные комбинации материалов трутся друг о друга. Величина электрического заряда, который можно получить трением, зависит от того, насколько хорошо материалы могут генерировать или принимать электроны. Перечень распространенных трибоэлектрических материалов, упорядоченный по возрастанию их способности к образованию заряда, приведен в Таблице 1. Из перечисленных в таблице материалов наибольший электрический заряд создается при трении акрила и фторопласта.
| Таблица 1. | Трибоэлектрические материалы. | ||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||
Трибоэлектрический эффект можно использовать для создания простого переключателя (Рисунок 1). Металлическая пластина, обернутая фторопластовой лентой, зажата меду двумя кусками фольгированного медью стеклотекстолита и покрыта каптоновой лентой (полиимидной пленкой, разработанной фирмой DuPont в начале 1960-х годов, которая не меняет своих свойств в чрезвычайно широком диапазоне температур от –270 °C до +400 °C). Поверхности плотно контактируют друг с другом и соединены небольшим количеством силиконового адгезива. В качестве трибоэлектрической пары здесь используются фторопласт и полиимид, однако можно выбрать и другую комбинацию материалов.
 |
||
| Рисунок 1. | Трибоэлектрический переключатель имеет многослойную конструкцию, позволяющую его элементам тереться друг о друга, вырабатывая высокие напряжения. |
|
Силиконовый адгезив не препятствует трению элементов конструкции друг об друга, когда на сборку нажимают в направлениях, указанных стрелками – сверху или с торца. Генерируемый заряд собирается на металлической пластине и медных поверхностях печатной платы. При разряде через резистор с большим сопротивлением можно получить впечатляюще высокое напряжение (Рисунок 2). (Демонстрационный переключатель автора имел длину 100 мм и ширину 19 мм, однако конструкция может иметь и меньшие размеры).
 |
||
| Рисунок 2. | Величина пикового напряжения получаемого нажатием на переключатель, зависит от силы и скорости движения пальца, а также от величины нагрузочного сопротивления. (Импеданс устройства был равен 10 МОм). |
|
Такие переключатели вы можете использовать для активации КМОП цифровых схем (Рисунок 3), управляя входами установки и сброса D-триггера для включения и выключения светодиода. Диоды защищают входные транзисторы микросхемы CD4013 от повреждения высоким напряжением.
 |
||
| Рисунок 3. | В демонстрационной схеме трибопереключатель используется для зажигания простого светодиода; стандартные диоды 1N4148 ограничивают высоковольтные броски напряжения, защищая микросхему D-триггера от повреждений. |
|
