磁簧開關:電開關-中文百科頻道

介紹

磁簧開關(ReedSwitches)也稱之為幹簧管，它是一個通過所施加的磁場操作的電開關。1936年，貝爾電話實驗室的沃爾特。埃爾伍德（WalterB。Ellwood）發明了磁簧開關，并于1940年6月27日在美國申請專利，專利号為2264746。

基本型式是将兩片磁簧片密封在玻璃管内，兩片雖重疊，但中間間隔有一小空隙。當外來磁場時将使兩片磁簧片接觸，進而導通。一旦磁體被拉到遠離開關，磁簧開關将返回到其原來的位置。

磁簧開關的一個重要特性就是靈敏度，靈敏度決定需要多大的磁場可以驅動工作。靈敏度是用AT值來衡量的。AT值是線圈的匝數和線圈電流的乘積。商業級幹簧管的典型的吸合值範圍是10到60AT。AT值越小，幹簧管的靈敏度越好。同理,擁有越小的幹簧管,對磁場越靈敏。

原理

磁簧開關的工作原理非常簡單，兩片端點處重疊的可磁化的簧片(通常由鐵和鎳這兩種金屬所組成的)密封于一玻璃管中，兩簧片呈交叠狀且間隔有一小段空隙(僅約幾個微米)，這兩片簧片上的觸點上鍍有層很硬的金屬，通常都是铑和钌，這層硬金屬大大提升了切換次數及産品壽命。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體(如氮氣)，部份幹簧開關為了提升其高壓性能，更會把内部做成真空狀态。

簧片的作用相當與一個磁通導體。在尚未操作時，兩片簧片并未接觸；在通過永久磁鐵或電磁線圈産生的磁場時，外加的磁場使兩片簧片端點位置附近産生不同的極性,當磁力超過簧片本身的彈力時，這兩片簧片會吸合導通電路；當磁場減弱或消失後,幹簧片由于本身的彈性而釋放，觸面就會分開從而打開電路。

基本的全密封形态Form A( 常開 )幹簧開關的基本結構與組件（圖1）

Form C (單刀雙擲(SPDT)三個簧片的幹簧開關的基本結構（圖2）

上圖1描述的是FormA(常開(N。O。)或單刀單擲(SPST)幹簧開關。FormB是代表一個常閉開關，FormC(單向雙擲(SPDT))是代表一個開關帶有一個共用簧片，一個常開片和一個常閉片(上圖2)。

可切換的簧片，在沒有磁場時是與常閉片接觸，當足夠強度的磁場産生時,該簧片會移向常開片，而常開片與常閉片都是固定不動的。這兩固定片與可擺動切換的簧片均為鐵磁片，隻是常閉的幹簧片觸點表面部份是由非磁性的金屬熔焊于幹簧片上的。置于磁場下時，兩旁位于常開與常閉的固定片具相同極性，且和可擺動簧片極性相反，常閉端的非磁性金屬會隔離磁通，因此當常開端與可擺動簧片之間的磁力夠大時,擺動簧片将與常開片接觸閉合。

通常有兩種方式可以令磁簧開關的幹簧片吸合：

1、使用永久性磁鐵

幹簧開關在永久磁鐵産生的磁場下之基本操作情況，兩簧片呈相反極性，而在兩簧片間産生足夠的吸力而互相接觸。

2、使用外加線圈

将磁簧開關放置在線圈中心軸位置，磁場在這部份是最強的兩幹簧片呈相反極性，在兩簧片間産生足夠的吸力而互相接觸。

如上圖所示，當有一個永久磁鐵接近磁簧開關時，此兩片簧片會被磁化成可相互吸引的不同極性，當磁場夠大時，可讓兩簧片間産生足夠的吸引力而互相接觸。幹簧片都是經過回火處理的，以便消除剩磁，所以當磁場退去後，在幹簧片上的磁場随即消失。如果有任何殘留的磁力存在于幹簧片上，幹簧開關的特性就會改變，在制造過程中，适當的制程和退火處理是非常重要的。

根據磁簧開關這種特性，磁簧開關可做成非常小尺寸體積的切換組件，并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确定何時以及多少次開關打開和關閉。

特點

優點

觸點與惰性氣體一起密封在玻璃管内，不會受到外部氣氛的影響。

動作回答速度迅速。

動作系統和電路都位于相同的軸上，适宜使用于高頻率傳輸的應用産品。

小型，重量輕。

觸點具有優越的耐蝕性和耐磨損性，使用壽命長，可獲得穩定的開關動作。

與永久磁鐵組合，就能經濟簡易地構成非接觸式開關。

缺點

磁簧開關觸點和簧片是相當小而精緻的，不适合處理大的電壓或電流導緻的簧片引發切換。磁簧開關提供開關典型的電壓和電流額定值。僅在操作的繼電器線圈與磁簧開關的繼電器電路切換高電流才是必要的。

故障排查工序多。故障幹簧管需要用專用儀器（如AT值測試器、絕緣耐壓測試器、内阻測試器等）檢測。

不适合誤差範圍小的産品設計中：AT值範圍大，從成本角度考慮不能保證批量産品的AT值都相同，并且配套磁石也不盡相同。

磁簧開關加工損耗大。磁簧開關采玻璃封裝，在運送和加工過程中容易受損，影響産品及壽命。

構建

簧片觸點

良好的電氣連接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适合做為鍍層材料。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。

磁簧開關簧片觸點構造

兩個簧導線制成鎳/鐵（鎳鐵）合金（52%的鎳）。

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，钴和鎳。

兩個簧片觸點的尖端是鍍或濺射铑，钌或銥。

铑觸點

鍍铑觸點最常使用。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，這是因為铑具有高熔點及高硬度的性能。

水銀接點

水銀接點磁簧開關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。他們亦可以用于高浪湧電流的開關。

钌觸點

钌的硬度比铑更高。鍍铑觸點具有較好的機械磨損及熱損耗特性，但僅用于小負載的開關。因為钌的這些特點，華壬電子已成功開發了氧化钌複蓋于铑或者鉑上面的雙鍍觸點。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。

玻璃密封性

用于玻璃管的外封裝，其溫度膨脹系數（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，可能會産生真空，抽真空。該真空通常支持高電壓開關（超過1000伏特）。

工作特性

斷開（PI）

磁簧開關接觸點斷開點

吸合（DO）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，也有公司使用毫特斯拉（mT）作為磁測量單位。

磁鐵

激勵形式

激勵磁簧開關最常用的方法是用一塊磁鐵。典型的激勵形式

示于下面圖中：

水平激勵

垂直激勵

橫向激勵

旋轉激勵

選擇

一般來說，用于磁簧開關（幹簧管）的磁鐵選擇

需要考慮不同的應用因素，如工作溫度、退磁效應、磁場強度、環境特性、運動以及用途等。

最高能源産品

非常高remanance矯頑力

價格相對較低

機械強度比钐钴

某些級别可使用至200°C

不建議在氫氣

粘結方式可機械加工，但并非螺紋

SmCo钐钴

高磁能積

适合高性能應用

高抗退磁

優良的熱穩定性

高耐腐蝕性

最昂貴的磁鐵

最多可以使用到300°C

易切削-不應該作為一個結構

比稀土磁鐵便宜

最高工作溫度為550℃

最低溫度系數

相對于其他類型低矯頑力

高感應水平

脆

熱穩定性差

最便宜所有類型

最多可以使用到300°C

需要研磨，以滿足嚴格的公差

高耐腐蝕性

性能

磁簧開關是一項獨特的技術，全密封的特性使得它可以在幾乎所有環境下使用。磁簧開關的結構雖然簡單但是其制作加工過程中卻包含了多項工藝。這些年來，磁簧開關的尺寸已經由大約50毫米(2寸)發展到細如6毫米(0.24寸)，這些小的尺寸的出現使它能應用到更多領域中，尤其滿足了射頻和快速時域的需求。

制造過程

制造磁簧開關，高标準的清潔環境及高精密度是必不可少的，因此所有的制程均是在無塵室的環境下進行。同時，需要确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滞、将會讓簧片的磁場感性特性穩定、并且能避免不良品的發生。然後将簧片透過二氧化碳清洗的方式來充份清洗、強力将微小的二氧化碳晶體吹送到簧片金屬、以去除附着在其上面的雜質微粒。此時、再以噴鍍的方式精準鍍上1微米厚度的铑或钌、其底層會為約0。2微米厚度的鎢。

下一個步驟，組裝玻璃管與鎳鐵合金的簧片。密封玻璃管之前，先将管内的空氣完全排出、并填充入以氖氣為主的惰性混合氣體。運用此制程可大幅提高磁簧管的絕緣、耐壓。密封後再經退火程序、移除玻璃結構中殘餘的應力。磁簧管外面的引線均為鍍錫，可确保良好的焊接效果。此鍍錫過程均以自動電鍍設備、加上一層約8~12微米厚度、符合最新Rohs規定的純錫。

在磁簧開關制造過程中，金屬簧片被嵌入在玻璃管的末端。玻璃管末端受熱與簧片融合。利用玻璃管對紅外線吸收的原理，使用紅外線加熱設置對玻璃管末端進行密封。玻璃管和金屬簧片的熱膨脹系數必須接近才能防止玻璃管和金屬密封時易破碎的問題，采用的玻璃管必須有一個很高的電抗值。而且，不能含有揮發性物質比如鉛氧化物和氟化物，幹簧管的引腳必須慎重處理以防止玻璃管破碎。