干簧开关的工作原理，如何制作简单的干簧开关电

在这篇文章中，我们将全面了解干簧开关的工作原理，以及如何制作简单的干簧开关电路。

什么是干簧开关

干簧开关也称为干簧继电器，是一种低电流磁性开关，具有一对隐藏的触点，响应其附近的磁场而关闭和打开。触点隐藏在玻璃管内，其末端端出玻璃管以进行外部连接。

这些设备具有大约十亿个操作规范，其功能寿命也令人印象深刻。

此外，干簧开关价格便宜，因此适用于所有类型的电气、电子应用。

簧片开关是什么时候发明的

干簧开关是在1945年由W.B.埃尔伍德博士发明的，当时他受雇于美国西部电气公司。这项发明似乎比它发明的时期先进得多。

电子工程师一直没有注意到其巨大的应用优势，直到最近磁簧开关成为许多关键电子和电气实现的一部分。

磁簧开关的工作原理

从根本上说，磁簧开关是一种磁机械继电器。更准确地说，当磁力靠近磁簧开关时，簧片开关就会启动工作，从而产生所需的机械开关动作。

如上图所示，可以看到标准的干簧继电器开关。它由一对扁平的铁磁条（簧片）组成，这些铁磁条（簧片）密封在一个微小的玻璃管中。

簧片牢固地夹在玻璃管的两端，使其自由端在中心略微重叠，间隔约0.1毫米。

在密封过程中，管内的空气被抽出并燥的氮气取代。这对于确保触点在惰性气氛中工作至关重要，这有助于保持触点无腐蚀，消除空气阻力并使其持久。

工作原理

磁簧开关的基本工作原理可以从下面的说明中理解

当磁簧开关附近从永磁体或电磁铁引入磁场时，作为铁磁的磁簧变成磁源的一部分。这导致簧片的末端获得相反的磁极性。

如果磁通量足够强，则相互吸引簧片以克服其夹紧刚度的程度，并且它们的两端在玻璃管的中心建立电接触。

当磁场被移除时，簧片失去保持力，条带弹回其原始位置。

干簧开关迟滞

众所周知，滞后是系统无法在特定固定点激活和停用的现象。

例如，对于12 V继电器，激活点可能是11 V，但其停用点可能在8.5 V左右，激活点和停用点之间的时间滞后称为迟滞。

同样，对于磁簧开关，其簧片的停用可能需要将磁体移动到离其最初激活点更远的地方。

下图清楚地说明了情况

通常，当磁体距离磁体 1 英寸时，磁簧开关将闭合，但由于磁滞，磁力开关可能需要将磁体移动 3 英寸以将触点打开到其原始形式。

纠正磁簧开关中的迟滞效应

只需在磁簧开关的另一侧引入另一个具有倒置 N/S 极的磁体，即可在一定程度上减少上述迟滞问题，如下所示：

确保左侧固定磁铁不在簧片开关的拉入范围内，而是在一定距离内，否则簧片将保持关闭状态，并且只有在右侧磁铁离簧片太近时才打开。

因此，必须对固定磁体的距离进行一些试验和错误试验，直到达到正确的差分，并且簧片在移动磁体的固定点处急剧激活。

创建“常闭”型干簧开关

从上面的讨论中我们知道，簧片开关的触点通常是“常开”型。

如果磁铁靠近设备主体，簧片会关闭。但是，在某些应用中，可能需要“常闭”或打开簧片，并在存在磁场的情况下关闭。

这可以通过使用附近的补充磁铁偏置设备（如下所示）或使用 3 端子 SPDT 类型的干簧开关（如下图所示）轻松实现。

在大多数系统中，干簧开关通过“永磁体”操作，磁体安装在移动元件上，磁簧安装在固定或恒定的平台上。

但是，您可能会发现几个程序，其中磁铁和簧片都必须放置在固定平台上。在这种情况下，簧片的ON/OFF操作是通过在外部移动的黑色金属试剂的帮助下扭曲磁场来实现的，如下段所述。

实现固定簧片/磁体操作

在这种设置中，磁体和簧片保持明显靠近，这使得磁簧触点处于常闭状态，并且一旦外部变形的铁剂在簧片和磁体之间移动，它就会打开。

另一方面，可以应用相同的概念来获得完全相反的结果。在这里，磁铁被调整到足以使簧片保持在常开位置的位置。

一旦外部铁质剂在簧片和磁体之间移动，磁力就会被铁质剂增强和增强，铁质试剂会立即拉入簧片开关并激活它。

干簧开关的工作平面

下图显示了磁簧开关的不同线性工作平面。如果我们在a-a，b-b和c-c的任何平面上移动磁铁，将使簧片正常工作。但是，如果工作模式跨越b-b平面，则选择磁铁可能相当关键。

此外，您可能会发现由于磁体磁场模式曲线的负峰值而导致杂散或假簧片触发。

在负峰值较高的情况下，当磁体穿过簧片的端到端长度时，簧片可能会多次打开/关闭。

通过旋转运动激活簧片也可以成功实现。

为此，您可以在下面显示的许多设置中使用：

图一

图B

图C

也可以使用旋转运动来触发簧片开关设置。在图A和B中，磁簧开关安装在固定位置，而磁铁与旋转盘相连，旋转盘使磁体在每次旋转时移过簧片开关，相应地打开/关闭簧片。

在图C中，磁铁和簧片开关都是固定的，而一个特殊雕刻的磁屏蔽凸轮在它们之间旋转，使得凸轮在每次旋转时交替切割磁场，导致簧片以相同的顺序打开和关闭

旋转运动也可用于驱动簧片开关，在A和B中，开关是静止的，磁铁旋转。在示例C和D中，开关和磁铁都是静止的，只要磁屏蔽的切口部分位于磁铁和开关之间，开关就会工作。

只需改变旋转盘速度，开关速率即可调整一秒至每分钟 2000 次以上。

干簧开关的工作寿命

干簧开关设计具有极高的工作寿命，范围从 100 亿次到 1000 亿次打开/关闭操作。

但是，只有在电流较低的情况下，才可能如此，如果通过干簧触点的开关电流超过最大额定值，则同一干簧可能在几次操作内失效。

通常，磁簧开关的额定电流范围为 100 mA 至 3 安培，具体取决于器件的尺寸。

最大容许值是针对纯阻性负载指定的。如果负载是容性或电感性的，在这种情况下，簧片开关的触点必须大幅降额，或者在磁簧端子上应用适当的缓冲保护和反电动势保护，如下所示：

增加对电感尖峰的保护

上述四种简单方法中的任何一种都用于保护磁簧开关免受电感或电容电流尖峰的影响。

对于感性负载，例如带直流电源的继电器线圈，一个简单的电阻分流器，其额定值是继电器线圈的8倍，足以使干簧继电器免受继电器线圈反电动势的影响，如图A所示。

虽然这可能会略微增加簧片中的空闲电流，但这无论如何都不会损害簧片。

也可以用电容器代替，以实现类似的保护，如图B所示。

通常，如果电源是交流电，则应用如图C所示的电阻电容保护网络。电阻可以是 150 欧姆 1/4 瓦，电容可以是 0.1 uF 到 1 uF

之间的任何值。

这种方法已被证明是最有效的，并且已经成功地使簧片免受超过一百万次电机起动器切换的影响。

值 R 和 C 可以通过以下公式确定

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

其中E是闭路电流，E是网络的开路电压。

在图C中，我们可以看到一个二极管连接在簧片上。这种保护在具有感性负载的直流电路中效果很好，尽管必须正确实现二极管的极性。

大电流簧片转换

在需要使用磁簧开关进行大电流切换的应用中，采用三端双向可控硅电路切换大电流负载，使用磁簧开关控制三端双向可控硅的栅极切换，如下所示

栅极电流明显小于负载电流，磁簧开关将高效工作，并允许三端双向可控硅在大电流负载下切换。即使是微小的簧片开关也可以在这里应用，并且可以毫无问题地工作。

可选的 0.1 uF 和 100 欧姆 RC 是一个缓冲器网络，用于保护三端双向可控硅免受高电流电感尖峰的影响（如果负载是感性负载）。

干簧开关的优点

干簧开关的一大优点是，在切换低幅度电流和电压时，它能够非常高效地工作。当使用常规开关时，这可能是一个重大问题。这是因为缺乏足够的电流来消除通常与标准开关触点相关的电阻表面层。

相反，由于其镀金接触面和惰性气氛，簧片开关可以成功用于超过十亿次操作，没有任何问题。

在一家著名的美国公司实验室进行的一项实际测试中，四个簧片开关通过 120 微伏和 500 微安直流负载以每秒 100 个开/关序列供电。

在测试中，每个簧片可以持续完成50万次闭合，没有一次显示超过5欧姆的开关电阻。

干簧开关故障

虽然磁簧开关非常高效，但如果在较高电流输入下工作，则可能会表现出失效的趋势。高电流会导致触点腐蚀，这在常规开关中也很常见。

这种侵蚀导致微小的颗粒也具有磁性，聚集在触点间隙附近，并以某种方式在间隙上形成桥梁。间隙的这种桥接会导致短路，簧片似乎永久熔断。

所以实际上不是由于触点熔化，而是由于侵蚀颗粒的收集而导致短路，导致簧片触点看起来像是已经熔化和融合。

标准通用干簧开关规格

最大电压 = 150 V

最大电流 = 2 安培

最大功率 = 25 瓦

最大初始电阻 = 50 毫欧

最大寿命终止电阻 = 2 欧姆

峰值击穿电压 = 500 V

闭合率 = 400 Hz

绝缘电阻 = 5000 毫欧

温度范围 = -55 摄氏度至 +150 摄氏度

触点电容 = 1.5 pF

振动 = 10G 在 10-55Hz

冲击 = 15G 迷你微米

额定负载下的寿命 = 5 x 10^6 次操作

零负载寿命 = 500 x 10^6 次操作

应用领域

液压制动液位指示器，其可行性从根本上依赖于简单性和易用性。

接近计数，提供了一种非常简单的方法来记录铁质物体通过设定的预定点。

安全联锁开关，为复杂的机械化设计提供非凡的稳定性和易用性。在这里，嵌入式干簧开关用于连接电路以点亮警示灯或提示下一阶段的操作。

易燃环境中的密封开关，规避燃烧的可能性;在难以依赖标准开路开关的尘埃密集的环境中;特别是在寒冷的天气里，常规开关可能会冻结。

在放射性环境中，磁性工作有助于保持屏蔽的可信度。

本网站上公布的其他一些应用电路

浮控开关：干簧开关可用于有效的无腐蚀浮控开关水位控制器。由于干簧开关是密封的，因此避免了水接触，系统可以无限工作，没有任何问题。

患者滴漏报警：当连接到患者的滴水包变空时，该电路使用簧片开关激活报警。警报使护士能够立即了解情况，并用新包装替换空点滴。

磁性门报警：在此应用中，当相邻的磁铁因门的打开或关闭而移动时，簧片开关会激活或停用。警报提醒用户有关门的操作。

变压器绕组计数器：在这里，簧片开关由安装在旋转绕线轮上的磁铁操作，该磁铁允许计数器从簧片激活中获得每次绕组旋转的时钟信号。

闸门打开/关闭控制器：干簧开关也可以用作固态限位开关。在该栅极控制器电路中，簧片开关通过在栅极达到其最大滑动限值时关闭电机来限制栅极的打开或关闭。