Простой и оригинальный переключатель на основе трибоэлектрического эффекта

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2016

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.
Материал Относительная величина статического заряда Бумага (немелованная) 0.5 Силикон II 0.3 Акрил (полиметилметакрилат) –0.5 Эпоксидный компаунд –1.7 Полиэтилентерефталат (майлар) –2.1 Полистирол –3.7 Полиимид (каптон) –3.7 Винипласт (гибкий) –3.9 Нитроцеллюлоза –4.9 ПВХ (жесткий винил) –5.3 Латексный каучук –5.5 Фторопласт (тефлон) –10.0

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.

Материалы по теме