【導(dǎo)讀】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)售以億為單位的銷(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)微米以內(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)線匹配;保持密封;顏色偏綠是因?yàn)閰㈦s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(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
● 性價(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)繼電器能滿足絕緣電阻電壓,但是沒(méi)能滿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。
作者:Littelfuse客戶經(jīng)理Rambo Liu
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