淺談干簧管開關與干簧管繼電器

作者：Littelfuse客戶經理Rambo Liu

干簧管相比于阻容感以及二三極管來說屬于小眾產品，沒有接觸或應用到的對于其名字都很陌生，但是其年銷售以億為單位的銷售數量又體現其所在應用領域的普遍性。

干簧管結構

干簧管又叫磁簧開關，是通過所施加磁場來動作的電開關。主要6個部分構成，分別為：玻璃管、簧片、接觸片、密封氣體、引腳玻璃密封、引腳。

簧片：由鐵鎳兩種金屬構成，比例約為51%與49%，引腳表面鍍錫，接觸涂層在幾個微米以內，觸點上鍍由銠或釕來提升其切換壽命，在銠里面還會鍍有錳、鈦等涂層。

接觸間隙：兩個簧片間隙通常在幾個微米到幾十微米之間，間隙的大小與其靈敏度相關，越大的間隙靈敏度越低，但其承受的負載能力越強；反之，間隙越小靈敏度越高，負載能力越弱。

密封氣體：一般是干燥的氮氣，大部分充氮能承受200V直流，部分加壓的干簧管可以承受250V，真空干簧管可以大幅提高開關電壓至1000V。

玻璃管：熱膨脹系數與導線匹配；保持密封；顏色偏綠是因為參雜鐵，目的是增加紅外線吸收能力便于密封。

工作原理

干簧管工作原理相對比較簡單，兩片端點處重疊的可磁化的簧片密封于一玻璃管中，兩簧片呈交疊狀且間隔有一小段空隙，這兩片簧片上的觸點上鍍有層很硬的金屬，通常都是銠或釕，這層硬金屬大大提升了切換次數及產品壽命。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體(如氮氣)，部份干簧開關為了提升其高壓性能，更會把內部做成真空狀態。

對于常開式干簧管，簧片的作用相當與一個磁通導體，在尚未操作時，兩片簧片并未接觸。在通過永久磁鐵或電磁線圈產生的磁場時，外加的磁場使兩片簧片端點位置附近產生不同的極性, 當磁力超過簧片本身的彈力時，這兩片簧片會吸合導通電路。當磁場減弱或消失后,干簧片由于本身的彈性而釋放，觸面就會分開從而斷開電路。

如下圖所示干簧管周圍的磁場磁化干簧管的引腳，引腳被磁化后形成磁極相反的兩極（北極和南極），北極南極簧片互相吸合。

常用術語?

干簧管是磁動作器件，因此其單位用AT值，指的是測試線圈匝數乘以電流值。

PI(Pull-in)值：是使兩個簧片由斷開轉閉合時的AT值，即閉合值

DO(Drop-out)值：兩個簧片由閉合轉斷開時對應的AT值，即釋放值。

接觸電阻：簧片閉合時構成導通路徑，其接觸阻抗通常為毫歐或者歐姆。

下圖是一個典型的開合狀態示意，當磁鐵靠近時簧片閉合，磁鐵遠離時簧片斷開。

干簧管優勢?

無接觸感應

零功耗

可帶負載

高可靠性

性價比高

無EMC

?開關次數?

不同于其它機電式開關，干簧管機械壽命可達10億次以上。

壽命取決于：電子負載、開關方式、開關靈敏度、磁力傳動

典型壽命在千萬次以上。

嚴苛負載也能承受萬次以上。

典型應用

柜門位置檢測，比如冰箱門位置傳感，當冰箱門打開時，冰箱里面的燈會打開來照亮其內隔室，為了完成該動作，需要一個檢測開關，此開關可以由干簧管或霍爾開關實現。安裝方式為干簧管放置于冰箱框架上，磁觸發器放置于門上。當門打開時，磁場原理干簧管本體，干簧管斷開，此時微控制器利用反向邏輯打開燈。

洗衣機柜門開關檢測也是一樣道理，無需供電端口的特性使其能夠減少對于電路的要求。洗衣機的一個重要功能就是知道什么時候送水，什么時候抽水，不同是清洗方式取決于水位。干簧管作為漂浮傳感的一個產品，在桿上裝干簧管，在浮板上嵌入磁鐵，當水位改變時，浮板可以上下移動，通過磁鐵的上下移動可以感應干簧管，從而起到位置檢測的作用。對于不同水位檢測的要求可以在杠上布置幾組干簧管來實現。該水位檢測方式同樣適用于油箱液位檢測。

通過外包封的方式可以做成干簧管傳感器，同時可以提高其機械應力，改善玻璃管碰撞易碎的問題，下圖把干簧管包封于傳感器內，把磁鐵包封在執行器內。

如前面所提，干簧管是磁感應產品，磁鐵感應是其一，另外一種就是通電線圈產生的磁場感應，可以用于做干簧管繼電器。

電動汽車應用?

之前有篇文章介紹過高壓絕緣檢測方法與與固態繼電器方案，詳細介紹了絕緣檢測方案與固態繼電器的應用。固態繼電器作為半導體產品，其相應速度較快，沒有機械老化問題，但是作為半導體有其局限性，主要體現在絕緣耐壓環節，通常其內部MOSFET耐壓在1500V以下。

對于電動車應用，GB/T 18384.3-2015電動汽車安全要求第3部分:人員觸電防護，里面有對于電壓等級進行了定義。對于電氣元件或電路，其最大工作電壓直流在60-1500Vdc，交流30-1000Vac定義為B級電壓，應防止人員與B級電壓電路的帶電部分直接接觸。防護方式為：帶電部分的基本絕緣；遮攔或外殼，防止接近帶電部分，其中遮攔或外殼可以是導體也可以是絕緣體。

關于絕緣電阻檢測?

檢測電壓為回路鐘最大工作電壓，因此對于繼電器的要求是能正常開關最大工作電壓，通常在1000Vdc以下。

傳導連接到電網的組件試驗電壓，應使用50-60Hz交流試驗電壓1min。

采用基本絕緣，施加(2U+1000)Vrms交流電壓。

采用雙重絕緣或加強絕緣，施加(2U+3250)Vrms交流電壓。

其中U為組件工作最大電壓，等效直流試驗電壓為交流電源的1.414倍。

連接到電網的試驗電壓要求繼電器在斷開時能承受該電壓而不被擊穿，即對于繼電器的斷開時的觸點擊穿耐壓要求。

從上面兩個試驗電壓的要求可以看出來，絕緣檢測對于電壓要求主要分為工作電壓開關與擊穿電壓的要求，因此單純的固態繼電器能滿足絕緣電阻電壓，但是沒能滿足擊穿高電壓的要求，此時就需要搭配機電繼電器或者干簧管繼電器。

相比于機電繼電器，干簧管主要優勢有：

· 高擊穿電壓

· 百萬次壽命

· 動作時間短，1ms以下

· 極低漏電流

機電繼電器是絕緣檢測回路里面最常用的器件，對于可靠性與壽命要求高的應用，固態繼電器與干簧管繼電器是比較好的方案。

審核編輯：湯梓紅