干簧開關的工作原理，如何制作簡單的干簧開關電

在這篇文章中，我們將全面了解干簧開關的工作原理，以及如何制作簡單的干簧開關電路。

什么是干簧開關

干簧開關也稱為干簧繼電器，是一種低電流磁性開關，具有一對隱藏的觸點，響應其附近的磁場而關閉和打開。觸點隱藏在玻璃管內，其末端端出玻璃管以進行外部連接。

這些設備具有大約十億個操作規范，其功能壽命也令人印象深刻。

此外，干簧開關價格便宜，因此適用于所有類型的電氣、電子應用。

簧片開關是什么時候發明的

干簧開關是在1945年由W.B.埃爾伍德博士發明的，當時他受雇于美國西部電氣公司。這項發明似乎比它發明的時期先進得多。

電子工程師一直沒有注意到其巨大的應用優勢，直到最近磁簧開關成為許多關鍵電子和電氣實現的一部分。

磁簧開關的工作原理

從根本上說，磁簧開關是一種磁機械繼電器。更準確地說，當磁力靠近磁簧開關時，簧片開關就會啟動工作，從而產生所需的機械開關動作。

如上圖所示，可以看到標準的干簧繼電器開關。它由一對扁平的鐵磁條（簧片）組成，這些鐵磁條（簧片）密封在一個微小的玻璃管中。

簧片牢固地夾在玻璃管的兩端，使其自由端在中心略微重疊，間隔約0.1毫米。

在密封過程中，管內的空氣被抽出并燥的氮氣取代。這對于確保觸點在惰性氣氛中工作至關重要，這有助于保持觸點無腐蝕，消除空氣阻力并使其持久。

工作原理

磁簧開關的基本工作原理可以從下面的說明中理解

當磁簧開關附近從永磁體或電磁鐵引入磁場時，作為鐵磁的磁簧變成磁源的一部分。這導致簧片的末端獲得相反的磁極性。

如果磁通量足夠強，則相互吸引簧片以克服其夾緊剛度的程度，并且它們的兩端在玻璃管的中心建立電接觸。

當磁場被移除時，簧片失去保持力，條帶彈回其原始位置。

干簧開關遲滯

眾所周知，滯后是系統無法在特定固定點激活和停用的現象。

例如，對于12 V繼電器，激活點可能是11 V，但其停用點可能在8.5 V左右，激活點和停用點之間的時間滯后稱為遲滯。

同樣，對于磁簧開關，其簧片的停用可能需要將磁體移動到離其最初激活點更遠的地方。

下圖清楚地說明了情況

通常，當磁體距離磁體 1 英寸時，磁簧開關將閉合，但由于磁滯，磁力開關可能需要將磁體移動 3 英寸以將觸點打開到其原始形式。

糾正磁簧開關中的遲滯效應

只需在磁簧開關的另一側引入另一個具有倒置 N/S 極的磁體，即可在一定程度上減少上述遲滯問題，如下所示：

確保左側固定磁鐵不在簧片開關的拉入范圍內，而是在一定距離內，否則簧片將保持關閉狀態，并且只有在右側磁鐵離簧片太近時才打開。

因此，必須對固定磁體的距離進行一些試驗和錯誤試驗，直到達到正確的差分，并且簧片在移動磁體的固定點處急劇激活。

創建“常閉”型干簧開關

從上面的討論中我們知道，簧片開關的觸點通常是“常開”型。

如果磁鐵靠近設備主體，簧片會關閉。但是，在某些應用中，可能需要“常閉”或打開簧片，并在存在磁場的情況下關閉。

這可以通過使用附近的補充磁鐵偏置設備（如下所示）或使用 3 端子 SPDT 類型的干簧開關（如下圖所示）輕松實現。

在大多數系統中，干簧開關通過“永磁體”操作，磁體安裝在移動元件上，磁簧安裝在固定或恒定的平臺上。

但是，您可能會發現幾個程序，其中磁鐵和簧片都必須放置在固定平臺上。在這種情況下，簧片的ON/OFF操作是通過在外部移動的黑色金屬試劑的幫助下扭曲磁場來實現的，如下段所述。

實現固定簧片/磁體操作

在這種設置中，磁體和簧片保持明顯靠近，這使得磁簧觸點處于常閉狀態，并且一旦外部變形的鐵劑在簧片和磁體之間移動，它就會打開。

另一方面，可以應用相同的概念來獲得完全相反的結果。在這里，磁鐵被調整到足以使簧片保持在常開位置的位置。

一旦外部鐵質劑在簧片和磁體之間移動，磁力就會被鐵質劑增強和增強，鐵質試劑會立即拉入簧片開關并激活它。

干簧開關的工作平面

下圖顯示了磁簧開關的不同線性工作平面。如果我們在a-a，b-b和c-c的任何平面上移動磁鐵，將使簧片正常工作。但是，如果工作模式跨越b-b平面，則選擇磁鐵可能相當關鍵。

此外，您可能會發現由于磁體磁場模式曲線的負峰值而導致雜散或假簧片觸發。

在負峰值較高的情況下，當磁體穿過簧片的端到端長度時，簧片可能會多次打開/關閉。

通過旋轉運動激活簧片也可以成功實現。

為此，您可以在下面顯示的許多設置中使用：

圖一

圖B

圖C

也可以使用旋轉運動來觸發簧片開關設置。在圖A和B中，磁簧開關安裝在固定位置，而磁鐵與旋轉盤相連，旋轉盤使磁體在每次旋轉時移過簧片開關，相應地打開/關閉簧片。

在圖C中，磁鐵和簧片開關都是固定的，而一個特殊雕刻的磁屏蔽凸輪在它們之間旋轉，使得凸輪在每次旋轉時交替切割磁場，導致簧片以相同的順序打開和關閉

旋轉運動也可用于驅動簧片開關，在A和B中，開關是靜止的，磁鐵旋轉。在示例C和D中，開關和磁鐵都是靜止的，只要磁屏蔽的切口部分位于磁鐵和開關之間，開關就會工作。

只需改變旋轉盤速度，開關速率即可調整一秒至每分鐘 2000 次以上。

干簧開關的工作壽命

干簧開關設計具有極高的工作壽命，范圍從 100 億次到 1000 億次打開/關閉操作。

但是，只有在電流較低的情況下，才可能如此，如果通過干簧觸點的開關電流超過最大額定值，則同一干簧可能在幾次操作內失效。

通常，磁簧開關的額定電流范圍為 100 mA 至 3 安培，具體取決于器件的尺寸。

最大容許值是針對純阻性負載指定的。如果負載是容性或電感性的，在這種情況下，簧片開關的觸點必須大幅降額，或者在磁簧端子上應用適當的緩沖保護和反電動勢保護，如下所示：

增加對電感尖峰的保護

上述四種簡單方法中的任何一種都用于保護磁簧開關免受電感或電容電流尖峰的影響。

對于感性負載，例如帶直流電源的繼電器線圈，一個簡單的電阻分流器，其額定值是繼電器線圈的8倍，足以使干簧繼電器免受繼電器線圈反電動勢的影響，如圖A所示。

雖然這可能會略微增加簧片中的空閑電流，但這無論如何都不會損害簧片。

也可以用電容器代替，以實現類似的保護，如圖B所示。

通常，如果電源是交流電，則應用如圖C所示的電阻電容保護網絡。電阻可以是 150 歐姆 1/4 瓦，電容可以是 0.1 uF 到 1 uF

之間的任何值。

這種方法已被證明是最有效的，并且已經成功地使簧片免受超過一百萬次電機起動器切換的影響。

值 R 和 C 可以通過以下公式確定

C = I^2 / 10 uF， 和 R = E / 10I（ 1 + 50/E）

其中E是閉路電流，E是網絡的開路電壓。

在圖C中，我們可以看到一個二極管連接在簧片上。這種保護在具有感性負載的直流電路中效果很好，盡管必須正確實現二極管的極性。

大電流簧片轉換

在需要使用磁簧開關進行大電流切換的應用中，采用三端雙向可控硅電路切換大電流負載，使用磁簧開關控制三端雙向可控硅的柵極切換，如下所示

柵極電流明顯小于負載電流，磁簧開關將高效工作，并允許三端雙向可控硅在大電流負載下切換。即使是微小的簧片開關也可以在這里應用，并且可以毫無問題地工作。

可選的 0.1 uF 和 100 歐姆 RC 是一個緩沖器網絡，用于保護三端雙向可控硅免受高電流電感尖峰的影響（如果負載是感性負載）。

干簧開關的優點

干簧開關的一大優點是，在切換低幅度電流和電壓時，它能夠非常高效地工作。當使用常規開關時，這可能是一個重大問題。這是因為缺乏足夠的電流來消除通常與標準開關觸點相關的電阻表面層。

相反，由于其鍍金接觸面和惰性氣氛，簧片開關可以成功用于超過十億次操作，沒有任何問題。

在一家著名的美國公司實驗室進行的一項實際測試中，四個簧片開關通過 120 微伏和 500 微安直流負載以每秒 100 個開/關序列供電。

在測試中，每個簧片可以持續完成50萬次閉合，沒有一次顯示超過5歐姆的開關電阻。

干簧開關故障

雖然磁簧開關非常高效，但如果在較高電流輸入下工作，則可能會表現出失效的趨勢。高電流會導致觸點腐蝕，這在常規開關中也很常見。

這種侵蝕導致微小的顆粒也具有磁性，聚集在觸點間隙附近，并以某種方式在間隙上形成橋梁。間隙的這種橋接會導致短路，簧片似乎永久熔斷。

所以實際上不是由于觸點熔化，而是由于侵蝕顆粒的收集而導致短路，導致簧片觸點看起來像是已經熔化和融合。

標準通用干簧開關規格

最大電壓 = 150 V

最大電流 = 2 安培

最大功率 = 25 瓦

最大初始電阻 = 50 毫歐

最大壽命終止電阻 = 2 歐姆

峰值擊穿電壓 = 500 V

閉合率 = 400 Hz

絕緣電阻 = 5000 毫歐

溫度范圍 = -55 攝氏度至 +150 攝氏度

觸點電容 = 1.5 pF

振動 = 10G 在 10-55Hz

沖擊 = 15G 迷你微米

額定負載下的壽命 = 5 x 10^6 次操作

零負載壽命 = 500 x 10^6 次操作

應用領域

液壓制動液位指示器，其可行性從根本上依賴于簡單性和易用性。

接近計數，提供了一種非常簡單的方法來記錄鐵質物體通過設定的預定點。

安全聯鎖開關，為復雜的機械化設計提供非凡的穩定性和易用性。在這里，嵌入式干簧開關用于連接電路以點亮警示燈或提示下一階段的操作。

易燃環境中的密封開關，規避燃燒的可能性;在難以依賴標準開路開關的塵埃密集的環境中;特別是在寒冷的天氣里，常規開關可能會凍結。

在放射性環境中，磁性工作有助于保持屏蔽的可信度。

本網站上公布的其他一些應用電路

浮控開關：干簧開關可用于有效的無腐蝕浮控開關水位控制器。由于干簧開關是密封的，因此避免了水接觸，系統可以無限工作，沒有任何問題。

患者滴漏報警：當連接到患者的滴水包變空時，該電路使用簧片開關激活報警。警報使護士能夠立即了解情況，并用新包裝替換空點滴。

磁性門報警：在此應用中，當相鄰的磁鐵因門的打開或關閉而移動時，簧片開關會激活或停用。警報提醒用戶有關門的操作。

變壓器繞組計數器：在這里，簧片開關由安裝在旋轉繞線輪上的磁鐵操作，該磁鐵允許計數器從簧片激活中獲得每次繞組旋轉的時鐘信號。

閘門打開/關閉控制器：干簧開關也可以用作固態限位開關。在該柵極控制器電路中，簧片開關通過在柵極達到其最大滑動限值時關閉電機來限制柵極的打開或關閉。