Электростатическое реле Советский патент 1976 года по МПК H01H59/00 

(54) ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ РЕЛЕ

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в переключательных трактах, системах перенастройки, требующих функциональной совместимости механических и твердотельных компонентов.

Известны конструкции пленочных электростатических реле, в которых гибкая пленка выполнена в виде мембраны, закрепленной иа двух концах с предварительным натягом, а неподвижный управляющий электрод выполнен в виде пластины с вырезом в средней части, где расположен выступающий неподвижный контакт 1.

Однако указанные реле имеют сложную технологию изготовления, весьма ограниченный диапазон коммутируемых токов и напряжений, недостаточно высокую эксплуатационную надежность, обусловленную наличием движущихся механических частей.

Известны также электростатические реле, выполненные на основе управляемых ртутных микроконтактов. Утравляемый элемент такого типа представляет собой микрообъем ртути, частично смачивающий электроды, которые удерживают его в пространстве капиллярными силами. Переключение такого контакта связано с преодолением потенциального барьера и требует для

своего осуществления сообщения ей дополнительной энергии, при этом согласование источника управляющего сигнала с приводом контакта сводится к преобразованию внещпего воздействия в механическое усилие, приложенное непосредственно к жидкости.

Наиболее -близким к предлагаемому является устройство, содержащее корпус, выполненный из диэлектрика, с капилляром конусообразной формы, управляющие обкладки, расположенные на стенках корпуса и смещенные в сторону более узкой его части, ПОДВИЖНЫЙ контакт, выполненный из жидкого несмачивающего капиллярпроводпика, и неподвижные контакты 2.

Однако указанное реле имеет сравнительно больщие габариты, поскольку объем внутренней полости капилляра должен быть примерно в два раза больще объема жидкого проводника, велика потребляемая им мощность и невысоко быстродействие, что обусловлено необходимостью перемещать каплю лсидкого проводника из щирокой части капилляра в более узкую его часть и на расстояние, примерно равное диаметру капли.

Цель изобретения - уменьщеиие габаритов электростатического реле,

,3

потребляемой энергии и повышение быстродейетвия.

Цель достигаетея тем, что внутренняя полость капилляра выполнена в виде усеченного конуса, описанного вокруг жидкого проводника, имеющего в поле массовых сил минимум свободной поверхностной энергии. Кроме того, с целью расширения функциональных возможностей электростатического реле корпус выполнен из сегнетоэлектрика.

На чертеже схематически изображено предлагаемое электростатическое реле.

Реле содержпт корпус /, выполненный из диэлектрика (стекла или сегнетоэлектрика, например титаната бария), с капилляром в виде усеченного конуса, управляющие обкладкп 2 п 3, нанесенные непосредственно на внешнюю поверхность корнуса в его более узкой части, подвижный контакт 4, представляющий собой каплю жидкого металла, например ртути, галлия или эвтектики, взятого в таком количестве, чтобы в гравитационном поле земли он имел минимум свободной поверхностной энергии, т. е. обеспечивалась его сферическая форма. Объем полости капилляра выбирают таким, чтобы сферический контакт 4 был вписан в полость, т. е. касался образуюш,ей и оснований усеченного конуса, пли, что то же самое, усеченный конус описан вокруг контакта 4.

Реле содержит также неподвижные исполнительные контакты 5 и 6, вмонтированные в основание капилляра, а также один или несколько дополнительных контактов 7, вмонтированных по периметру основания. В случае, если контакт 7 один, он может быть выиолнен в виде кольца, закрепленного на поверхности капилляра. В исходном состоянии контакты 5 и 6 погружены в жидкий проводник, а контакты 7 с жидким проводником не соприкасаются. Управляющие обкладки 2 я 3 могут быть заменены одной обкладкой, выполненной в виде кольца. В этом случае роль второй управляющей обкладки будет выполнять контакт 5.

Электростатическое реле работает следующим образом.

При отсутствии напряжения на зшравляющих обкладках 2 и 3 контакт 4 под действием капиллярного давления, которое при малых размерах контакта 4 (менее I мм в диаметре) значительно превосходит гразптационное давление, имеет сферическую форму и прочно удерживается в полости капи.тляра, замыкая контакты 5 и 5. При этом виброудароустойчивость такого контакта максимальна, так как внутреннее пространство капилляра использовано наиболее рационально.

При подаче напряжения на управляющие обкладки 2 и 3 контакт 4 под действием электростатических сил стремится пе4

реместиться вниз, однако этому препятствует нижнее основание капилляра, в результате чего происходит деформация контакта 4 и масса его заполняет всю нижнюю

часть полости капилляра (на чертеже показано в виде защтрихованной области). При этом от контакта 6 отключается контакт 5 и подключаются контакты 7.

Применение в качестве диэлектрика для

капилляра реле сегнетоэлектриков, обладаюпп-1х сверхвысокими значениями электрической проницаемости в определенном диапазоне температур, придает реле дополнительные преимущества, поскольку сегнетоэлектрики выгодно отличаются в отношении потребляемой мощности по сравнению с ферромагнитными средами. Кроме того, реле с сегнетоэлектриком обладает свойствами памяти: три снятии напряжения с управляющих обкладок 2 и 3 деформация поверхности контакта 4 сохраняется длительное время, вследствие чего цепь 5-6 остается разомкнутой, а цепь 6-7 замкнутой. Это обеспечивается тем, что благодаря больщой электрической постояииой сегнетоэлектрика в конденсаторе накапливается значительная энергия, которая соизмерима с энергией, деформирующей жидкий металл.

Чтобы снять заряд с сегнетоэлектрика, применяют разрядную цепь (на чертеже не показана), состоящую из ключа и резистора.

Одна из важных задач, которую необходимо решить при конструировании электростатического реле с сегнетоэлектриком, - это устранение с поверхности сегнетоэлектрика электрических зарядов, искажающих или ослабляющих поле, необходимое для деформации контакта 4. Удовлетворительные результаты достигаются при добавке в сегнетоэлектрик незначительных количеств металла (например, титанат бария с добавкой бария). В этом случае сегнетоэлектрик обладает незначительной проводимостью, не влияющей на электрическое поле между внещним электродом и ртутью, однако достаточной, чтобы отводить паразитные заряды с поверхности сегнетоэлектрика. Реле герметизировано, три этом полость его может -быть вакуумирована, либо заполнена инертным газом, например аргоном или водородом. Ртуть, помещенная в атмосферу водорода, обладает хорощими переключательиыми свойствами: при работе реле не образует химически вредных для действия контактов побочных продуктов. При этом увеличивается величина коммутируемых токов. Поскольку в предлагаемом электростатическом реле время на переме цение всей массы между исполни-тельными электродами не затрачивается, то быстродействие его значительно выще и зависит в основном лишь от глубины погружения контактов 5 и 7 в ртуть и от емкости конденсатора, образованного контактами 2 и 3, стенками капилляра и газовым промежутком внутренней нолости.

Формула .изобретен и я

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

системам, вып. 5,Новосибирск, «Наука, 1968, с. 159-175.

2.Авторскоесвидетельство СССР Ль 425238, кл. Н 01Н 59/00, 1974.