淺談干簧管開(kāi)關(guān)與干簧管繼電器

作者：Littelfuse客戶(hù)經(jīng)理Rambo Liu

干簧管相比于阻容感以及二三極管來(lái)說(shuō)屬于小眾產(chǎn)品，沒(méi)有接觸或應(yīng)用到的對(duì)于其名字都很陌生，但是其年銷(xiāo)售以?xún)|為單位的銷(xiāo)售數(shù)量又體現(xiàn)其所在應(yīng)用領(lǐng)域的普遍性。

干簧管結(jié)構(gòu)

干簧管又叫磁簧開(kāi)關(guān)，是通過(guò)所施加磁場(chǎng)來(lái)動(dòng)作的電開(kāi)關(guān)。主要6個(gè)部分構(gòu)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(gòu)成，比例約為51%與49%，引腳表面鍍錫，接觸涂層在幾個(gè)微米以?xún)?nèi)，觸點(diǎn)上鍍由銠或釕來(lái)提升其切換壽命，在銠里面還會(huì)鍍有錳、鈦等涂層。

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

密封氣體：一般是干燥的氮?dú)?，大部分充氮能承?00V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(kāi)關(guān)電壓至1000V。

玻璃管：熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)線(xiàn)匹配；保持密封；顏色偏綠是因?yàn)閰㈦s鐵，目的是增加紅外線(xiàn)吸收能力便于密封。

工作原理

干簧管工作原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，兩片端點(diǎn)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(diǎn)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(shù)及產(chǎn)品壽命。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體(如氮?dú)?，部份干簧開(kāi)關(guān)為了提升其高壓性能，更會(huì)把內(nèi)部做成真空狀態(tài)。

對(duì)于常開(kāi)式干簧管，簧片的作用相當(dāng)與一個(gè)磁通導(dǎo)體，在尚未操作時(shí)，兩片簧片并未接觸。在通過(guò)永久磁鐵或電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，外加的磁場(chǎng)使兩片簧片端點(diǎn)位置附近產(chǎn)生不同的極性, 當(dāng)磁力超過(guò)簧片本身的彈力時(shí)，這兩片簧片會(huì)吸合導(dǎo)通電路。當(dāng)磁場(chǎng)減弱或消失后,干簧片由于本身的彈性而釋放，觸面就會(huì)分開(kāi)從而斷開(kāi)電路。

如下圖所示干簧管周?chē)拇艌?chǎng)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(shù)語(yǔ)?

干簧管是磁動(dòng)作器件，因此其單位用AT值，指的是測(cè)試線(xiàn)圈匝數(shù)乘以電流值。

PI(Pull-in)值：是使兩個(gè)簧片由斷開(kāi)轉(zhuǎn)閉合時(shí)的AT值，即閉合值

DO(Drop-out)值：兩個(gè)簧片由閉合轉(zhuǎn)斷開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的AT值，即釋放值。

接觸電阻：簧片閉合時(shí)構(gòu)成導(dǎo)通路徑，其接觸阻抗通常為毫歐或者歐姆。

下圖是一個(gè)典型的開(kāi)合狀態(tài)示意，當(dāng)磁鐵靠近時(shí)簧片閉合，磁鐵遠(yuǎn)離時(shí)簧片斷開(kāi)。

干簧管優(yōu)勢(shì)?

無(wú)接觸感應(yīng)

零功耗

可帶負(fù)載

高可靠性

性?xún)r(jià)比高

無(wú)EMC

?開(kāi)關(guān)次數(shù)?

不同于其它機(jī)電式開(kāi)關(guān)，干簧管機(jī)械壽命可達(dá)10億次以上。

壽命取決于：電子負(fù)載、開(kāi)關(guān)方式、開(kāi)關(guān)靈敏度、磁力傳動(dòng)

典型壽命在千萬(wàn)次以上。

嚴(yán)苛負(fù)載也能承受萬(wàn)次以上。

典型應(yīng)用

柜門(mén)位置檢測(cè)，比如冰箱門(mén)位置傳感，當(dāng)冰箱門(mén)打開(kāi)時(shí)，冰箱里面的燈會(huì)打開(kāi)來(lái)照亮其內(nèi)隔室，為了完成該動(dòng)作，需要一個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)可以由干簧管或霍爾開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。安裝方式為干簧管放置于冰箱框架上，磁觸發(fā)器放置于門(mén)上。當(dāng)門(mén)打開(kāi)時(shí)，磁場(chǎng)原理干簧管本體，干簧管斷開(kāi)，此時(shí)微控制器利用反向邏輯打開(kāi)燈。

洗衣機(jī)柜門(mén)開(kāi)關(guān)檢測(cè)也是一樣道理，無(wú)需供電端口的特性使其能夠減少對(duì)于電路的要求。洗衣機(jī)的一個(gè)重要功能就是知道什么時(shí)候送水，什么時(shí)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(gè)產(chǎn)品，在桿上裝干簧管，在浮板上嵌入磁鐵，當(dāng)水位改變時(shí)，浮板可以上下移動(dòng)，通過(guò)磁鐵的上下移動(dòng)可以感應(yīng)干簧管，從而起到位置檢測(cè)的作用。對(duì)于不同水位檢測(cè)的要求可以在杠上布置幾組干簧管來(lái)實(shí)現(xiàn)。該水位檢測(cè)方式同樣適用于油箱液位檢測(cè)。

通過(guò)外包封的方式可以做成干簧管傳感器，同時(shí)可以提高其機(jī)械應(yīng)力，改善玻璃管碰撞易碎的問(wèn)題，下圖把干簧管包封于傳感器內(nèi)，把磁鐵包封在執(zhí)行器內(nèi)。

如前面所提，干簧管是磁感應(yīng)產(chǎn)品，磁鐵感應(yīng)是其一，另外一種就是通電線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)，可以用于做干簧管繼電器。

電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用?

之前有篇文章介紹過(guò)高壓絕緣檢測(cè)方法與與固態(tài)繼電器方案，詳細(xì)介紹了絕緣檢測(cè)方案與固態(tài)繼電器的應(yīng)用。固態(tài)繼電器作為半導(dǎo)體產(chǎn)品，其相應(yīng)速度較快，沒(méi)有機(jī)械老化問(wèn)題，但是作為半導(dǎo)體有其局限性，主要體現(xiàn)在絕緣耐壓環(huán)節(jié)，通常其內(nèi)部MOSFET耐壓在1500V以下。

對(duì)于電動(dòng)車(chē)應(yīng)用，GB/T 18384.3-2015電動(dòng)汽車(chē)安全要求第3部分:人員觸電防護(hù)，里面有對(duì)于電壓等級(jí)進(jìn)行了定義。對(duì)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(jí)電壓，應(yīng)防止人員與B級(jí)電壓電路的帶電部分直接接觸。防護(hù)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(dǎo)體也可以是絕緣體。

關(guān)于絕緣電阻檢測(cè)?

檢測(cè)電壓為回路鐘最大工作電壓，因此對(duì)于繼電器的要求是能正常開(kāi)關(guān)最大工作電壓，通常在1000Vdc以下。

傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的組件試驗(yàn)電壓，應(yīng)使用50-60Hz交流試驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)電壓為交流電源的1.414倍。

連接到電網(wǎng)的試驗(yàn)電壓要求繼電器在斷開(kāi)時(shí)能承受該電壓而不被擊穿，即對(duì)于繼電器的斷開(kāi)時(shí)的觸點(diǎn)擊穿耐壓要求。

從上面兩個(gè)試驗(yàn)電壓的要求可以看出來(lái)，絕緣檢測(cè)對(duì)于電壓要求主要分為工作電壓開(kāi)關(guān)與擊穿電壓的要求，因此單純的固態(tài)繼電器能滿(mǎn)足絕緣電阻電壓，但是沒(méi)能滿(mǎn)足擊穿高電壓的要求，此時(shí)就需要搭配機(jī)電繼電器或者干簧管繼電器。

相比于機(jī)電繼電器，干簧管主要優(yōu)勢(shì)有：

· 高擊穿電壓

· 百萬(wàn)次壽命

· 動(dòng)作時(shí)間短，1ms以下

· 極低漏電流

機(jī)電繼電器是絕緣檢測(cè)回路里面最常用的器件，對(duì)于可靠性與壽命要求高的應(yīng)用，固態(tài)繼電器與干簧管繼電器是比較好的方案。

審核編輯：湯梓紅