在這篇文章中，我們將全面了解干簧開(kāi)關(guān)的工作原理，以及如何制作簡(jiǎn)單的干簧開(kāi)關(guān)電路。

什么是干簧開(kāi)關(guān)

干簧開(kāi)關(guān)也稱為干簧繼電器，是一種低電流磁性開(kāi)關(guān)，具有一對(duì)隱藏的觸點(diǎn)，響應(yīng)其附近的磁場(chǎng)而關(guān)閉和打開(kāi)。觸點(diǎn)隱藏在玻璃管內(nèi)，其末端端出玻璃管以進(jìn)行外部連接。

這些設(shè)備具有大約十億個(gè)操作規(guī)范，其功能壽命也令人印象深刻。

此外，干簧開(kāi)關(guān)價(jià)格便宜，因此適用于所有類型的電氣、電子應(yīng)用。

簧片開(kāi)關(guān)是什么時(shí)候發(fā)明的

干簧開(kāi)關(guān)是在1945年由W.B.埃爾伍德博士發(fā)明的，當(dāng)時(shí)他受雇于美國(guó)西部電氣公司。這項(xiàng)發(fā)明似乎比它發(fā)明的時(shí)期先進(jìn)得多。

電子工程師一直沒(méi)有注意到其巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，直到最近磁簧開(kāi)關(guān)成為許多關(guān)鍵電子和電氣實(shí)現(xiàn)的一部分。

磁簧開(kāi)關(guān)的工作原理

從根本上說(shuō)，磁簧開(kāi)關(guān)是一種磁機(jī)械繼電器。更準(zhǔn)確地說(shuō)，當(dāng)磁力靠近磁簧開(kāi)關(guān)時(shí)，簧片開(kāi)關(guān)就會(huì)啟動(dòng)工作，從而產(chǎn)生所需的機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

如上圖所示，可以看到標(biāo)準(zhǔn)的干簧繼電器開(kāi)關(guān)。它由一對(duì)扁平的鐵磁條（簧片）組成，這些鐵磁條（簧片）密封在一個(gè)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(guò)程中，管內(nèi)的空氣被抽出并燥的氮?dú)馊〈＿@對(duì)于確保觸點(diǎn)在惰性氣氛中工作至關(guān)重要，這有助于保持觸點(diǎn)無(wú)腐蝕，消除空氣阻力并使其持久。

工作原理

磁簧開(kāi)關(guān)的基本工作原理可以從下面的說(shuō)明中理解

當(dāng)磁簧開(kāi)關(guān)附近從永磁體或電磁鐵引入磁場(chǎng)時(shí)，作為鐵磁的磁簧變成磁源的一部分。這導(dǎo)致簧片的末端獲得相反的磁極性。

如果磁通量足夠強(qiáng)，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(dāng)磁場(chǎng)被移除時(shí)，簧片失去保持力，條帶彈回其原始位置。

干簧開(kāi)關(guān)遲滯

眾所周知，滯后是系統(tǒng)無(wú)法在特定固定點(diǎn)激活和停用的現(xiàn)象。

例如，對(duì)于12 V繼電器，激活點(diǎn)可能是11 V，但其停用點(diǎn)可能在8.5 V左右，激活點(diǎn)和停用點(diǎn)之間的時(shí)間滯后稱為遲滯。

同樣，對(duì)于磁簧開(kāi)關(guān)，其簧片的停用可能需要將磁體移動(dòng)到離其最初激活點(diǎn)更遠(yuǎn)的地方。

下圖清楚地說(shuō)明了情況

通常，當(dāng)磁體距離磁體 1 英寸時(shí)，磁簧開(kāi)關(guān)將閉合，但由于磁滯，磁力開(kāi)關(guān)可能需要將磁體移動(dòng) 3 英寸以將觸點(diǎn)打開(kāi)到其原始形式。

糾正磁簧開(kāi)關(guān)中的遲滯效應(yīng)

只需在磁簧開(kāi)關(guān)的另一側(cè)引入另一個(gè)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(wèn)題，如下所示：

確保左側(cè)固定磁鐵不在簧片開(kāi)關(guān)的拉入范圍內(nèi)，而是在一定距離內(nèi)，否則簧片將保持關(guān)閉狀態(tài)，并且只有在右側(cè)磁鐵離簧片太近時(shí)才打開(kāi)。

因此，必須對(duì)固定磁體的距離進(jìn)行一些試驗(yàn)和錯(cuò)誤試驗(yàn)，直到達(dá)到正確的差分，并且簧片在移動(dòng)磁體的固定點(diǎn)處急劇激活。

創(chuàng)建“常閉”型干簧開(kāi)關(guān)

從上面的討論中我們知道，簧片開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)通常是“常開(kāi)”型。

如果磁鐵靠近設(shè)備主體，簧片會(huì)關(guān)閉。但是，在某些應(yīng)用中，可能需要“常閉”或打開(kāi)簧片，并在存在磁場(chǎng)的情況下關(guān)閉。

這可以通過(guò)使用附近的補(bǔ)充磁鐵偏置設(shè)備（如下所示）或使用 3 端子 SPDT 類型的干簧開(kāi)關(guān)（如下圖所示）輕松實(shí)現(xiàn)。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，干簧開(kāi)關(guān)通過(guò)“永磁體”操作，磁體安裝在移動(dòng)元件上，磁簧安裝在固定或恒定的平臺(tái)上。

但是，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)程序，其中磁鐵和簧片都必須放置在固定平臺(tái)上。在這種情況下，簧片的ON/OFF操作是通過(guò)在外部移動(dòng)的黑色金屬試劑的幫助下扭曲磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如下段所述。

實(shí)現(xiàn)固定簧片/磁體操作

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

另一方面，可以應(yīng)用相同的概念來(lái)獲得完全相反的結(jié)果。在這里，磁鐵被調(diào)整到足以使簧片保持在常開(kāi)位置的位置。

一旦外部鐵質(zhì)劑在簧片和磁體之間移動(dòng)，磁力就會(huì)被鐵質(zhì)劑增強(qiáng)和增強(qiáng)，鐵質(zhì)試劑會(huì)立即拉入簧片開(kāi)關(guān)并激活它。

干簧開(kāi)關(guān)的工作平面

下圖顯示了磁簧開(kāi)關(guān)的不同線性工作平面。如果我們?cè)赼-a，b-b和c-c的任何平面上移動(dòng)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(dāng)關(guān)鍵。

此外，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)由于磁體磁場(chǎng)模式曲線的負(fù)峰值而導(dǎo)致雜散或假簧片觸發(fā)。

在負(fù)峰值較高的情況下，當(dāng)磁體穿過(guò)簧片的端到端長(zhǎng)度時(shí)，簧片可能會(huì)多次打開(kāi)/關(guān)閉。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)激活簧片也可以成功實(shí)現(xiàn)。

為此，您可以在下面顯示的許多設(shè)置中使用：

圖一

圖B

圖C

也可以使用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)觸發(fā)簧片開(kāi)關(guān)設(shè)置。在圖A和B中，磁簧開(kāi)關(guān)安裝在固定位置，而磁鐵與旋轉(zhuǎn)盤相連，旋轉(zhuǎn)盤使磁體在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)移過(guò)簧片開(kāi)關(guān)，相應(yīng)地打開(kāi)/關(guān)閉簧片。

在圖C中，磁鐵和簧片開(kāi)關(guān)都是固定的，而一個(gè)特殊雕刻的磁屏蔽凸輪在它們之間旋轉(zhuǎn)，使得凸輪在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)交替切割磁場(chǎng)，導(dǎo)致簧片以相同的順序打開(kāi)和關(guān)閉

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也可用于驅(qū)動(dòng)簧片開(kāi)關(guān)，在A和B中，開(kāi)關(guān)是靜止的，磁鐵旋轉(zhuǎn)。在示例C和D中，開(kāi)關(guān)和磁鐵都是靜止的，只要磁屏蔽的切口部分位于磁鐵和開(kāi)關(guān)之間，開(kāi)關(guān)就會(huì)工作。

只需改變旋轉(zhuǎn)盤速度，開(kāi)關(guān)速率即可調(diào)整一秒至每分鐘 2000 次以上。

干簧開(kāi)關(guān)的工作壽命

干簧開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)具有極高的工作壽命，范圍從 100 億次到 1000 億次打開(kāi)/關(guān)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(guò)干簧觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電流超過(guò)最大額定值，則同一干簧可能在幾次操作內(nèi)失效。

通常，磁簧開(kāi)關(guān)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(duì)純阻性負(fù)載指定的。如果負(fù)載是容性或電感性的，在這種情況下，簧片開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)必須大幅降額，或者在磁簧端子上應(yīng)用適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)和反電動(dòng)勢(shì)保護(hù)，如下所示：

增加對(duì)電感尖峰的保護(hù)

上述四種簡(jiǎn)單方法中的任何一種都用于保護(hù)磁簧開(kāi)關(guān)免受電感或電容電流尖峰的影響。

對(duì)于感性負(fù)載，例如帶直流電源的繼電器線圈，一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)勢(shì)的影響，如圖A所示。

雖然這可能會(huì)略微增加簧片中的空閑電流，但這無(wú)論如何都不會(huì)損害簧片。

也可以用電容器代替，以實(shí)現(xiàn)類似的保護(hù)，如圖B所示。

通常，如果電源是交流電，則應(yīng)用如圖C所示的電阻電容保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。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(jīng)成功地使簧片免受超過(guò)一百萬(wàn)次電機(jī)起動(dòng)器切換的影響。

值 R 和 C 可以通過(guò)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(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓。

在圖C中，我們可以看到一個(gè)二極管連接在簧片上。這種保護(hù)在具有感性負(fù)載的直流電路中效果很好，盡管必須正確實(shí)現(xiàn)二極管的極性。

大電流簧片轉(zhuǎn)換

在需要使用磁簧開(kāi)關(guān)進(jìn)行大電流切換的應(yīng)用中，采用三端雙向可控硅電路切換大電流負(fù)載，使用磁簧開(kāi)關(guān)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(fù)載電流，磁簧開(kāi)關(guān)將高效工作，并允許三端雙向可控硅在大電流負(fù)載下切換。即使是微小的簧片開(kāi)關(guān)也可以在這里應(yīng)用，并且可以毫無(wú)問(wèn)題地工作。

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

干簧開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)

干簧開(kāi)關(guān)的一大優(yōu)點(diǎn)是，在切換低幅度電流和電壓時(shí)，它能夠非常高效地工作。當(dāng)使用常規(guī)開(kāi)關(guān)時(shí)，這可能是一個(gè)重大問(wèn)題。這是因?yàn)槿狈ψ銐虻碾娏鱽?lái)消除通常與標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)相關(guān)的電阻表面層。

相反，由于其鍍金接觸面和惰性氣氛，簧片開(kāi)關(guān)可以成功用于超過(guò)十億次操作，沒(méi)有任何問(wèn)題。

在一家著名的美國(guó)公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)際測(cè)試中，四個(gè)簧片開(kāi)關(guān)通過(guò) 120 微伏和 500 微安直流負(fù)載以每秒 100 個(gè)開(kāi)/關(guān)序列供電。

在測(cè)試中，每個(gè)簧片可以持續(xù)完成50萬(wàn)次閉合，沒(méi)有一次顯示超過(guò)5歐姆的開(kāi)關(guān)電阻。

干簧開(kāi)關(guān)故障

雖然磁簧開(kāi)關(guān)非常高效，但如果在較高電流輸入下工作，則可能會(huì)表現(xiàn)出失效的趨勢(shì)。高電流會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)腐蝕，這在常規(guī)開(kāi)關(guān)中也很常見(jiàn)。

這種侵蝕導(dǎo)致微小的顆粒也具有磁性，聚集在觸點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致短路，簧片似乎永久熔斷。

所以實(shí)際上不是由于觸點(diǎn)熔化，而是由于侵蝕顆粒的收集而導(dǎo)致短路，導(dǎo)致簧片觸點(diǎn)看起來(lái)像是已經(jīng)熔化和融合。

標(biāo)準(zhǔn)通用干簧開(kāi)關(guān)規(guī)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(diǎn)電容 = 1.5 pF

振動(dòng) = 10G 在 10-55Hz

沖擊 = 15G 迷你微米

額定負(fù)載下的壽命 = 5 x 10^6 次操作

零負(fù)載壽命 = 500 x 10^6 次操作

應(yīng)用領(lǐng)域

液壓制動(dòng)液位指示器，其可行性從根本上依賴于簡(jiǎn)單性和易用性。

接近計(jì)數(shù)，提供了一種非常簡(jiǎn)單的方法來(lái)記錄鐵質(zhì)物體通過(guò)設(shè)定的預(yù)定點(diǎn)。

安全聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)，為復(fù)雜的機(jī)械化設(shè)計(jì)提供非凡的穩(wěn)定性和易用性。在這里，嵌入式干簧開(kāi)關(guān)用于連接電路以點(diǎn)亮警示燈或提示下一階段的操作。

易燃環(huán)境中的密封開(kāi)關(guān)，規(guī)避燃燒的可能性;在難以依賴標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)路開(kāi)關(guān)的塵埃密集的環(huán)境中;特別是在寒冷的天氣里，常規(guī)開(kāi)關(guān)可能會(huì)凍結(jié)。

在放射性環(huán)境中，磁性工作有助于保持屏蔽的可信度。

本網(wǎng)站上公布的其他一些應(yīng)用電路

浮控開(kāi)關(guān)：干簧開(kāi)關(guān)可用于有效的無(wú)腐蝕浮控開(kāi)關(guān)水位控制器。由于干簧開(kāi)關(guān)是密封的，因此避免了水接觸，系統(tǒng)可以無(wú)限工作，沒(méi)有任何問(wèn)題。

患者滴漏報(bào)警：當(dāng)連接到患者的滴水包變空時(shí)，該電路使用簧片開(kāi)關(guān)激活報(bào)警。警報(bào)使護(hù)士能夠立即了解情況，并用新包裝替換空點(diǎn)滴。

磁性門報(bào)警：在此應(yīng)用中，當(dāng)相鄰的磁鐵因門的打開(kāi)或關(guān)閉而移動(dòng)時(shí)，簧片開(kāi)關(guān)會(huì)激活或停用。警報(bào)提醒用戶有關(guān)門的操作。

變壓器繞組計(jì)數(shù)器：在這里，簧片開(kāi)關(guān)由安裝在旋轉(zhuǎn)繞線輪上的磁鐵操作，該磁鐵允許計(jì)數(shù)器從簧片激活中獲得每次繞組旋轉(zhuǎn)的時(shí)鐘信號(hào)。

閘門打開(kāi)/關(guān)閉控制器：干簧開(kāi)關(guān)也可以用作固態(tài)限位開(kāi)關(guān)。在該柵極控制器電路中，簧片開(kāi)關(guān)通過(guò)在柵極達(dá)到其最大滑動(dòng)限值時(shí)關(guān)閉電機(jī)來(lái)限制柵極的打開(kāi)或關(guān)閉。