測試測量(2)-舌簧繼電器 (Reed relays)​基礎介紹

舌簧繼電器(reed relays)

舌簧繼電器原理

舌簧繼電器的原理看起來非常簡單,舌簧繼電器的核心動作器件由兩片鐵磁材料的簧片和密封玻璃管構成的干簧管,一般情況下簧片的構成成分是鎳:鐵=50 :50。金屬密封管內通常會充入惰性氣體,隔絕了外界環境的污染物和氧氣,可以有效的延長觸點的使用壽命。一般來說乾簧管是處於常開的狀態,但是也有常閉的版本。

如下圖,如果沿著簧片的軸線方向施加一個磁場,當磁場增大到一定的強度的時候,簧片由於鐵磁效應,會帶有磁性,兩個觸點會吸在一起,使兩端導通。如下圖,如果沿著簧片的軸線方向施加一個磁場,當磁場增大到一定的強度的時候,簧片由於鐵磁效應,會帶有磁性,兩個觸點會吸在一起,使兩端導通。

磁場的構建

要想使乾簧管閉合,需要建立一個外部的磁場,有的干簧管會跟永磁體結合使用,用作接近開關,或者用來檢測而門窗的開閉等位置信息。但是對於舌簧繼電器來說,閉合觸點所需要的磁場是由線圈產生的,這樣就實現了通過控制縣全力的電流來控制觸點閉合或者斷開的功能。如圖所示,線圈纏繞在幹簧管玻璃管外側,提供軸向的磁場。

不同的干簧管需要的磁場強度是不同的,這個指標一般用“磁勢”來表示,其單位是AT(ampere-turn,安培匝數),簡單理解就是流過線圈的電流和線圈匝數的乘積。這就引出了舌簧繼電器的特性,一般來說乾簧管的承載功率或者電壓越大,那麼久意味著簧片更硬而且簧片的間距更大,這也就意味著需要更高的磁勢,所以繼電器線圈的功率也就越大。

磁場屏蔽

由於舌簧繼電器是採用磁場驅動的,這就會帶來一些隱患。首先我們需要明白一個概念,線圈形成的磁場是一個閉環,,即磁場通過乾簧管的簧片,由外部返回,即在線圈以外的空間內也會存在磁場,並且磁場是可以疊加的。當舌簧繼電器需要在PCB上密集的排列的時候,由於不同的磁場會相互疊加,在一部分區域是增強的狀態,而在另一部分是削弱的狀態,這樣就會導致有一部分我們不想讓閉合的舌簧繼電器自己閉合了,而另一部分我們想要其閉合的繼電器由於磁場因為疊加而削弱導致未能成功閉合,這就造成了嚴重的干擾現象,導致設備無法正常工作。一些繼電器的製造商建議通過將繼電器按照不同的極性排列來盡量避免出現這種狀況,但是這就意味著用戶必須要考慮磁場的干擾情況,而且對於大規模密集使用繼電器的場景來說增加了不少機械結構的設計的麻煩。另一種方法就是在繼電器外殼增加磁屏蔽,這樣就隔絕了磁場外洩,那麼用戶就可以自由的佈局,不需要考慮繼電器之間相互的干擾。

材料和机械寿命

舌簧繼電器最可靠的結構是單刀單擲(SPST)開關即(FormA)。單刀雙擲(SPDT)開關(FormC)因為製造的技術難度和產品公差問題,通常情況下會比SPST的壽命更短。如果想要更長壽命的SPDT,需要考慮將兩個SPST繼電器組合成一個SPDT的繼電器。舌簧繼電器的壽命通常來說很長,Pickering公司生產的應用於中小電流的繼電器可以達到10的9次方次。舌簧繼電器的觸點使用玻璃管做了密封,其中充入了惰性氣體或者抽成了真空,因此不會跟外界的污染物接觸,並且在觸點上採用了貴金屬材料,整個器件中唯一的活動部件就是簧片的偏轉,沒有轉軸或者滑動部件,這就使得它具有很長的壽命,並且不會造成與外界直接接觸的電弧火花等現象,因此可以在一些安全等級要求較高的場合使用。

觸點上的貴金屬鍍層對於繼電器的性能來說有著至關重要的作用。一些性能優良的鍍層可以減少繼電器在熱切換的時候發生的侵蝕現象。最常用的觸點材料是釕,銠和銥-這些都是相對稀有的鉑族貴金屬,鎢通常用於高功率或者高電壓的舌簧繼電器觸點,因為鎢的熔點極高。不同用途的繼電器會依照需求在觸點上鍍不同的圖層,圖層對繼電器的性能影響是巨大的,同時其也影響著繼電器的製造成本。舌簧繼電器根據其成本和性能分為不同的等級。低質量的商用繼電器一般採用銠觸點,事實上銠觸點由於其觸點上會生成一層聚合物薄膜,導致不太適合用於切換較小的信號。一般情況下更適合切換低電平信號的是濺射釕觸點,這種觸點不會出現像採用銠觸點的繼電器一樣的聚合物薄膜的問題。如果在應用中要求切換低電平的信號且對質量有一定要求,採用儀器級的釕觸點舌簧繼電器無疑是更好的選擇。

ChiLin Lee

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