干簧管開(kāi)關(guān)與干簧管繼電器

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)有接觸或應用到的對于其名字都很陌生，但是其年銷(xiāo)售以?xún)|為單位的銷(xiāo)售數量又體現其所在應用領(lǐng)域的普遍性。

干簧管結構

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)?，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，但其承受的負載能力越強；反之，間隙越小靈敏度越高，負載能力越弱。

密封氣體：一般是干燥的氮氣，大部分充氮能承受200V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：熱膨脹系數與導線(xiàn)匹配；保持密封；顏色偏綠是因為參雜鐵，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及產(chǎn)品壽命。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體(如氮氣)，部份干簧開(kāi)關(guān)為了提升其高壓性能，更會(huì )把內部做成真空狀態(tài)。

對于常開(kāi)式干簧管，簧片的作用相當與一個(gè)磁通導體，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, 當磁力超過(guò)簧片本身的彈力時(shí)，這兩片簧片會(huì )吸合導通電路。當磁場(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，指的是測試線(xiàn)圈匝數乘以電流值。

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

●  DO(Drop-out)值：兩個(gè)簧片由閉合轉斷開(kāi)時(shí)對應的AT值，即釋放值。

●  接觸電阻：簧片閉合時(shí)構成導通路徑，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，當磁鐵靠近時(shí)簧片閉合，磁鐵遠離時(shí)簧片斷開(kāi)。

干簧管優(yōu)勢

●  無(wú)接觸感應

●  零功耗

●  可帶負載

●  高可靠性

●  性?xún)r(jià)比高

●  無(wú)EMC

開(kāi)關(guān)次數

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

●  壽命取決于：電子負載、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。

●  嚴苛負載也能承受萬(wàn)次以上。

典型應用

柜門(mén)位置檢測，比如冰箱門(mén)位置傳感，當冰箱門(mén)打開(kāi)時(shí)，冰箱里面的燈會(huì )打開(kāi)來(lái)照亮其內隔室，為了完成該動(dòng)作，需要一個(gè)檢測開(kāi)關(guān)，此開(kāi)關(guān)可以由干簧管或霍爾開(kāi)關(guān)實(shí)現。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。

洗衣機柜門(mén)開(kāi)關(guān)檢測也是一樣道理，無(wú)需供電端口的特性使其能夠減少對于電路的要求。洗衣機的一個(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)可以感應干簧管，從而起到位置檢測的作用。對于不同水位檢測的要求可以在杠上布置幾組干簧管來(lái)實(shí)現。該水位檢測方式同樣適用于油箱液位檢測。

通過(guò)外包封的方式可以做成干簧管傳感器，同時(shí)可以提高其機械應力，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，把磁鐵包封在執行器內。

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

電動(dòng)汽車(chē)應用

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

對于電動(dòng)車(chē)應用，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，里面有對于電壓等級進(jìn)行了定義。對于電氣元件或電路，其最大工作電壓直流在60-1500Vdc，交流30-1000Vac定義為B級電壓，應防止人員與B級電壓電路的帶電部分直接接觸。防護方式為：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體也可以是絕緣體。

關(guān)于絕緣電阻檢測

檢測電壓為回路鐘最大工作電壓，因此對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。

傳導連接到電網(wǎng)的組件試驗電壓，應使用50-60Hz交流試驗電壓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，等效直流試驗電壓為交流電源的1.414倍。

連接到電網(wǎng)的試驗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)試驗電壓的要求可以看出來(lái)，絕緣檢測對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)就需要搭配機電繼電器或者干簧管繼電器。

相比于機電繼電器，干簧管主要優(yōu)勢有：

·        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

機電繼電器是絕緣檢測回路里面最常用的器件，對于可靠性與壽命要求高的應用，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(hù)經(jīng)理Rambo Liu