基本介紹
- 中文名：乾簧管
- 外文名：Reed Switch
- 又稱：舌簧管或磁簧開關
- 發明時間：1936年
- 發明者：沃爾特·埃爾伍德
- 專利號：2264746
簡介,工作原理,結構,簧片觸點,玻璃密封性,工作特性,觸點說明,觸點形式,觸點材料,分類,大氣性,觸點構造,機能,形狀,優點和缺點,優點,缺點,套用,乾簧繼電器,油位感測器,磁性感測器,高危環境,製造過程,
簡介
乾簧管乾簧管通常由兩個軟磁性材料做成的、無磁時斷開的金屬簧片觸點，有的還有第三個作為常閉觸點的簧片。這些簧片觸點被封裝在充有惰性氣體(如氖、氦等)或真空的玻璃管里，玻璃管內平行封裝的簧片端部重疊，並留有一定間隙或相互接觸以構成開關的常開或常閉觸點。乾簧管比一般機械開關結構簡單、體積小、速度高、工作壽命長；而與電子開關相比，它又有抗負載衝擊能力強等特點，工作可靠性很高。
工作原理
乾簧管的工作原理非常簡單，兩片端點處重疊的可磁化的簧片、密封於一玻璃管中，兩簧片分隔的距離僅約幾個微米，玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體，在尚未操作時，兩片簧片並未接觸、外加的磁場使兩片簧片端點位置附近產生不同的極性， 結果兩片不同極性的簧片將互相吸引並閉合。依此技術可做成非常小尺寸體積的切換組件，並且切換速度非常快速、且具有非常優異的信賴性。永久磁鐵的方位和方向確定何時以及多少次開關打開和關閉。
乾簧管工作原理如此形成一個轉換開關：當永久磁鐵靠近乾簧管或繞在乾簧管上的線圈通電形成的磁場使簧片磁化時，簧片的觸點部分就會被磁力吸引，當吸引力大於簧片的彈力時，常開接點就會吸合；當磁力減小到一定程度時，接點被簧片的彈力打開。
結構
簧片觸點
良好的電氣連線是通過對兩個簧片的接觸部分進行鍍一層很厚的非磁性貴金屬來實現的，低電阻率的銀比耐腐蝕的金更適合做為鍍層材料.同樣也有使用水銀的濕簧管，濕簧管的觸點必須成對安裝使用。
- 兩個簧導線製成鐵合金。
- 受影響的，通過磁場的磁簧引線必須是鐵磁性的。
- 三種最流行的材料性質，容易退火的鐵磁性：鐵，鈷和鎳。
- 兩個簧片觸點的尖端是鍍或濺射銠，釕或銥。
簧片觸點構造玻璃密封性
- 用於甲玻璃管的外封裝，其溫度膨脹係數（TCE）完全匹配的NiFe合金。
- 在玻璃管的兩端部被加熱和玻璃熔化，形成氣密密封涵蓋兩端。
- 在玻璃封接過程中玻璃腔通常是填充有惰性氣體（通常為氮氣）或腔體，可能會產生真空，抽真空。 該真空通常支持高電壓開關 （超過1000伏特）。
工作特性
- 吸合（PI,Pull In） 磁簧開關接觸點接近
- 斷開（DO,Drop Out）是打開磁簧開關接觸點
- 大多數公司測量安培匝（AT）的簧片開關
觸點說明
觸點形式
- “A”型（常開）
磁場存在時開關觸點將閉合 - “C”型（單級、雙投）
“C”型開關具有轉移型觸點。當施加一磁場時，公用觸點將從常閉（N.C.）觸點轉移至常開（N.O.）觸點。
乾簧管結構圖觸點材料
- 銠觸點
鍍銠觸點最常使用。這種觸點從低負荷至重負荷具有非常穩定的工作特性和很長的工作壽命，這是因為銠具有高熔點及高硬度的性能。 - 水銀接點
水銀接點乾簧管具有無跳動操作特點，因此不需要額外的抑制跳動電路。它們具有大功率開關能力、很低且穩定的接觸阻抗特性以及工作壽命長的特點。他們亦可以用於高浪涌電流的開關。 - 釕觸點
釕的硬度比銠更高。鍍銠觸點具有較好的機械磨損及熱損耗特性，但僅用於小負載的開關。這些雙鍍觸點自低負荷至重負荷均具有極良好的開關特性。
分類
乾簧管與一般之繼電器最大不同之點如下：
- 電氣電路與磁場迴路使用同一媒體(簧片)。
- 由於開關與線圈互相分離，故可利用永久磁場加以驅動，僅要將接點部封入時，極為容易進行。
按照不同的特性乾簧管按如下分類：
大氣性
- 封入型
- 開放型
觸點構造
- A型：屬於經常開離型簧片開關。 在施加外部磁場時接點才閉合，而在平常時，保持開離狀態。
- B型：屬於經常閉合型簧片開關。 在施加外部磁場時接點才開離，而在平常時，保持閉合狀態。
- C型：轉接開關型。
機能
- 非自行保持型：具有可依外部磁場之有無而起作用之特徵(單穩定型)。
- 自行保持型：一但起作用以後，即使除掉外部磁場，仍可保持原來狀態(雙穩定型)。
形狀
- 大型：玻璃管長30～60mm，玻璃管徑3.5～6mm。
- 中型：玻璃管長20～30mm，玻璃管徑2.5～3.5mm。
- 小型：玻璃管長5～20mm，玻璃管徑1.5～2.5mm。
另外，對於簧片之形狀，接點部之構造等，常有不同的設計，但只要是使用簧片，均屬於磁簧開關的範圍。
優點和缺點
優點
- 乾簧管的優點是其體積小、重量輕，這使得它們易於安裝且不顯眼。由於操作開關體積很小，因而無需複雜的凸輪或曲柄，所以不會出現金屬疲勞現象，保證了幾乎無限的使用壽命。並且能夠安裝在有限的空間裡，很適合用於微型設備。 磁簧開關和合適的磁鐵價格便宜且容易獲取。乾簧管最主要的是一種非接觸式的密封開關。
- 磁簧開關的開關元器件被密封於惰性氣體中，不與外界環境接觸，這樣就大大減少了接點在開、閉過程中由於接點火花而引起的接點氧化和碳化。並防止外界蒸氣和灰塵等雜質對接點的侵蝕。工作壽命長。
- 簧片細而短，有較高的固有頻率，提高了接點的通斷速度，其開關速度要比一般的電磁繼電器快5~10倍。
缺點
- 首先，觸點和簧片是相當小而精緻的，所以它們難以承受高壓或大電流。 電流過大時，簧片會因過熱失去彈性。即開關容量小，接點易產生抖動以及接點接觸電阻大。
- 乾簧管有電壓和電流額定值。 雖然功率W=電壓I*電流U，同樣的功率可能由不同的電壓和電流組合得到。切記不要超過額定電流。例如，10V*1A = 10W，同時1V*10A=10W，在第2種情況下，電流會太大。如果您要使用大電流，由繼電器線圈與磁簧開關組成的繼電器電路是更合適的選擇。
- 故障排查工序多。故障乾簧管需要用專用儀器（如AT值測試器、絕緣耐壓測試器、內阻測試器等）檢測。
- 不適合誤差範圍小的產品設計：AT值範圍大，從成本角度考慮不能保證批量產品的AT值都相同，並且配套磁石也不盡相同。
- 由於磁簧開關是相當脆弱的，如果引出線焊接到較厚器件上，很容易破損玻璃和密封件。 如果你需要彎曲引出線，需要恰當選擇引出線的彎曲點。
如何彎曲簧片開關的引線套用
乾簧管可以作為感測器用，用於計數，限位等等。例如，有一種腳踏車公里計，就是在輪胎上粘上磁鐵，在一旁固定上乾簧管構成的。把乾簧管裝在門上，可作為開門時的報警用。也可作為開關使用。
乾簧管在家電、汽車、通訊、工業、醫療、安防等領域得到了廣泛的套用。除此之外，還可套用於其它在感測器及電子器件，如液位計、門磁、乾簧繼電器等。
乾簧管可用於簧片繼電器、油位感測器、接近感測器（磁性感測器），也可用於高危環境。
乾簧繼電器
乾簧管可套用於乾簧繼電器。一個線圈內的一個或多個磁簧開關磁簧繼電器，以得到多對極點的乾簧繼電器。 乾簧繼電器工作電流使用的是比較低的，並提供高運行速度，良好的性能，這是傳統的接觸能獲得高可靠性和長壽命的非常小的電流。 在20世紀70年代和80年代，以百萬計的乾簧繼電器，用於在電話交流 。 尤其是，它們被用來TXE在英國家庭的電話交流切換。 簧片觸點周圍的惰性氣氛確保接觸電阻不會受氧化影響。 有時使用水銀濕簧繼電器，尤其是在高速計數電路。
乾簧繼電器的優點：
(1)體積小，質量輕；
(2)簧片輕而短，有固有頻率，可提高接點的通斷速度，通斷的時間僅為1～3ms，比一般的電磁繼電器快5～10倍；
(3)接點與大氣隔絕，管內有稀有氣體，可減少接點的氧化和碳化,並且由於密封，可防止外界有機蒸氣和塵埃雜質對接點的侵蝕。
油位感測器
乾簧管是各種車用油箱油位感測器的極好替代品，油（液）位感測器共分兩類：一類是用滑動電位器為基本檢測元件，它是由浮子帶動電位器，再用歐姆表檢測其阻值，從而達到顯示油位的目的，但當油垢覆蓋電位器後，其阻值會發生變化，造成誤差太大，甚至不能使用，此類油箱感測器成為壽命很短的易損件。
另一類是用電感線圈為基本檢測元件。它是用浮子帶動電感線圈，改變震盪電路的震盪頻率，再通過頻率計檢測其頻率來測定油（液）位。但其結構複雜，調試麻煩，成本高，價格貴，不能被廣泛使用。所以，利用乾簧管壽命長、動作安全可靠、無火花等特性生產的液位感測器,是現用各種車用油箱油位感測器的極好替代品。
另一類是用電感線圈為基本檢測元件。它是用浮子帶動電感線圈，改變震盪電路的震盪頻率，再通過頻率計檢測其頻率來測定油（液）位。但其結構複雜，調試麻煩，成本高，價格貴，不能被廣泛使用。所以，利用乾簧管壽命長、動作安全可靠、無火花等特性生產的液位感測器,是現用各種車用油箱油位感測器的極好替代品。
磁性感測器
乾簧管除了套用於乾簧繼電器和感測器外，乾簧管（磁簧開關）被廣泛用於電路控制，尤其是在通信領域。磁簧開關磁鐵驅動中常用的機械系統， 接近感測器 。 例子是門和窗感測器在防盜報警系統和防篡改方法。
筆記本電腦使用磁簧開關，當蓋子被關閉，把筆記本電腦調為睡眠/休眠模式。 腳踏車車輪和汽車齒輪的轉速感測器使用磁簧開關，簡單驅動每個車輪上的磁鐵時通過感測器。 以前磁簧開關鍵盤用在計算機終端，其中每個鍵有一個磁鐵，通過按壓鍵致動的簧片開關的鍵盤；目前鍵盤正在使用更便宜的開關。 電氣和電子踏板鍵盤所使用的管風琴 ，電子琴玩家經常使用磁簧開關，接觸的玻璃外殼，保護其不受污垢，灰塵，和其他微粒。 它們也可能被用於控制潛水設備如手電筒或相機，它必須被密封，以保持加壓水不進入開關。
乾簧管也能用於如電腦散熱風扇和磁碟驅動器。 由於便宜的霍爾效應感測器面世，他們更換簧片開關，並給予較長的使用壽命。
高危環境
乾簧管可以為高真空式或惰性氣體填充式，乾簧管將控制電路通斷時觸點產生的火花封閉在管身內，使其完全與爆炸性氣體和煤塵隔絕，達到防止爆炸、提高安全係數的目的。
乾簧管的玻璃管內裝有兩根強磁性簧片，將此置於管內一端使之以一定間隙彼此相對。玻璃管內封入惰性氣體，同時觸點部位鍍銠或銥，以防止觸點被氧化。乾簧管利用線圈或永磁體，為簧片誘導出N極和S極，兩根簧片因這種磁性的吸引力而開始吸合。
當解除磁場時，由於簧片所具有的彈性，觸點即刻恢復原狀並打開電路。隔爆型乾簧管按鈕和開關適用於含有爆炸性氣體和煤塵的礦井，以及含有爆炸性氣體的工廠、船舶等危險場所，用做本質安全型控制電路和非本質安全型控制電路的控制之用。
製造過程
製造乾簧管，高標準的清潔環境及高精密度是必不可少的，因此，所有的製程均是在無塵室的環境下進行。同時，需要確保在密封過程中沒有污染物進入玻璃管。簧片必須經過退火處理，退火的過程可移除掉金屬上的磁滯、使簧片的磁感特性穩定，避免不良品的發生。然後透過二氧化碳清洗的方式來充分清洗簧片，強力的將微小二氧化碳晶體吹送到簧片金屬，以去除附著在其上面的雜質微粒。之後再以噴鍍的方式精準鍍上1微米厚度的銠或釕，底層為約0.2微米厚度的鎢。
之後，把玻璃管與鎳鐵合金的簧片組裝在一起。在密封玻璃管之前，先將管內的空氣完全排出、並填充入以氖氣為主的惰性混合氣體。此製程可大幅提高磁簧管的絕緣、耐壓性能。玻璃管密封后，進行退火，以消除玻璃結構中的殘餘應力。磁簧管外面的引線均為鍍錫引線，以確保良好的焊接效果，錫層約8~12微米厚。
在乾簧管制造過程中，金屬簧片被嵌入到玻璃管的末端。利用玻璃管吸收紅外線的原理，使用紅外線加熱設定對玻璃管末端進行加熱，使玻璃管末端與簧片融合密封。玻璃管和金屬簧片的熱膨脹係數必須接近才能防止玻璃管和金屬密封時易破碎的問題，同時玻璃管的電抗值必須很高，而且不能含有揮發性物質，比如鉛氧化物和氟化物。乾簧管的引腳必須慎重處理以防止玻璃管破碎。
