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深圳市芯銳諾科技有限公司
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隨著便攜式口袋電子設備的發(fā)展,功率消耗成為關鍵問題,如何設計出更高效能的電子產品將是目前廠商面臨的主要挑戰(zhàn)。常閉(B型)的干簧傳感器和繼電器在正常閉合狀態(tài)消耗零功率。一個自鎖干簧繼電器在設置或重置觸點狀態(tài)會消耗很少功率;能效設計者對這一特性非常感興趣。自鎖干簧開關和傳感器在類似情況下,使用一個永磁的簡單運動來改變干簧觸點的狀態(tài),從而無功率消耗。在一些關鍵不容出錯的應用場合中,即使電源停止或消失了,觸點也能保持正常動作。
干簧技術在如下這些領域中得到廣泛應用:
? 需要開關功能的電池供電設備;
? 當故障產生時閉合開關并消耗零功率的安全電路;
? 開關功能需要閉合很長時間且消耗零功率的應用;
? 開關功能閉合或開啟都需要很長時間且消耗零功率的應用;
? 低毫伏偏置需求應用;
? 口袋電子設備;
? 電梯控制;
? 運輸和儲存環(huán)境;
? 開關功能需要運行在零功率或停電狀態(tài)的場合;
? 安全和警報系統(tǒng);
? 家用電器。
為了正確理解干簧技術的功能,需要了解如下四方面基礎內容:
1. 常閉干簧傳感器;
2. 常閉干簧繼電器;
3. 自鎖干簧開關/傳感器;
4. 自鎖干簧繼電器。
A型干簧開關
干簧開關自然狀態(tài)是常開條件狀態(tài),典型被稱作單刀單擲(SPST),或A型。
兩個干簧開關引線為磁鐵,被密封在玻璃容器內。當常開干簧開關遇到磁場,觸點將閉合。觸點將在磁場環(huán)境維持時一直保持閉合。一旦磁場消失,觸點將會打開。在閉合的時間將會消耗能量,從功耗角度要使其盡量小。
C型干簧開關
單刀雙擲(SPDT)或C型
沒有磁場時,公共觸點和常閉觸點保持接觸連接狀態(tài)。干簧開關在常閉狀態(tài)消耗零功率。當出現磁場時,公共觸點從常閉觸點處移動到常開觸點,干簧繼電器100%消耗功率。一旦磁場消失,公共觸點又回到常閉觸點位置。
常閉(B型)干簧開關和傳感器
由于A型開關自然狀態(tài)是開啟狀態(tài),我們需要采用一個永磁來保持干簧觸點的閉合狀態(tài)。偏磁磁性必須比正常開啟條件下閉合觸點的接通(或工作)mT級磁場強。
在這種情況下,磁的極性不重要。為了打開觸點,永磁鐵必須具有和偏置磁性強度大小接近、極性相反,或磁性強度更強。
常閉(B型)干簧繼電器
有一些應用,干簧繼電器觸點需要閉合很長時間,只有故障發(fā)生時觸點才打開。常閉(B型)干簧繼電器最適合此應用。在閉合位置,線圈不消耗功率,這很適合應用于電量有限的電池供電設備。
當線圈加電,產生和偏置磁性相反的磁極,并且具有足夠克服偏置磁場強度大小的磁強,將使得觸點打開。
B型順序
下圖是B型干簧繼電器的工作順序。
第一步,選擇干簧開關,磁強性能為接通4mT,釋放2mT;
第二部,增加偏置磁場,磁強5mT,超過干簧開關的接通門限,觸點將閉合,圖中點1;
第三步,線圈加一個4mT的反向磁場,兩個磁場的磁強疊加結果為1mT,磁強低于干簧開關的釋放磁強,引起觸點打開,圖中點2所示;
第四步,線圈關閉,觸點將閉合,因為磁強重新回到5mT。
加到B型繼電器的線圈電壓極性決定了線圈的磁極。電壓極性由設計者決定并標識在繼電器上。加相反的電壓將使繼電器出現故障,直到正確的電壓出現為止。電壓太高時,可以引起觸點重閉合。一般來說,重閉合電壓超過正常電壓的50%。這意味著,在5V正常供電B型繼電器上加7.5V電壓將引起觸點重閉合。
自鎖干簧繼電器/干簧傳感器
自鎖干簧繼電器/干簧傳感器有兩種狀態(tài):未閉鎖狀態(tài)(或開啟狀態(tài))和自鎖狀態(tài)(或閉合狀態(tài))。在每種狀態(tài)下,均無功率消耗需要。
自鎖產生于干簧開關接通和釋放點之間的遲滯現象。如圖所示,接通磁性越大,遲滯現象越大。遲滯現象越大,從設計者角度來說,確定自鎖和非自鎖磁性點就越容易。一個永磁需要用來偏置干簧開關,允許它工作在自鎖模式。
自鎖干簧繼電器
一個自鎖干簧繼電器使用一個A型干簧開關和一個永磁相結合
在這種狀態(tài),干簧開關可以在常開狀態(tài)或常閉狀態(tài)。處于哪種狀態(tài)依賴于上次遇到的磁場情況。如果是開啟狀態(tài),當加入具有正確磁極的磁場脈沖時,觸點將會改變?yōu)槌i]狀態(tài)。一旦脈沖磁場消失,干簧開關將保持閉合狀態(tài),直到另一個具有相反磁極的磁場脈沖加進來。當在這種閉合狀態(tài)時,一直都沒有功率消耗。
通常,2ms脈沖足夠改變繼電器觸點狀態(tài)。因此,當閉合和開啟觸點時,會產生熱量,但該熱量產生的熱偏置電壓足夠小。
自鎖和解鎖順序
為了更好理解自鎖和解鎖。選擇一個干簧開關,觸點閉合(接通)磁強點4mT ,觸點打開(釋放)磁強點等于或低于2mT。設置偏置磁場強度為3mT。我們順序演示一個全周期工作過程。接通和釋放點保持固定值直線。
狀態(tài)1:偏置磁場一直存在,3mT,觸點開啟;
狀態(tài)2:加外部磁場(可以來自線圈或永磁鐵),2mT,疊加磁場為5mT,超過4mT門限,觸點閉合;
狀態(tài)3:移走外部磁場,只留偏置磁場。磁強仍在釋放點之上,于是,隨著外部磁場移走,觸點保持閉合;
狀態(tài)4:加反向外部磁場,疊加磁場為1mT。低于釋放門限,觸點打開;
狀態(tài)5:移走反向外部磁場,只留偏置磁場,觸點保持在開啟狀態(tài)。
在這個例子中,我們可以自鎖和解鎖觸點。上述完整周期說明,我們可以通過改變磁極方向來達到改變觸點狀態(tài)??梢允褂脙蓚€線圈或改變單線圈的極性。如果是前者,成本增加;后者來說,則需要更多電路來改變極性。
使用自鎖干簧開關
自鎖干簧開關和上述情況一致,干簧開關用一個永磁鐵進行偏置。但是,是使用另一種帶有不同極性的永磁鐵代替線圈。
當永磁鐵移除時,觸點保持閉合,一直閉合直到反向極性的永磁鐵出現并接近偏置磁強。這和前面介紹的自鎖干簧繼電器類似。永磁鐵不消耗任何電能。因此減少了用電、設計電路和時間電路的需求。干簧開關的狀態(tài)不使用功率(不像霍爾傳感器),嚴格依賴磁鐵進入和離開影響區(qū)域的運動。和自鎖干簧繼電器類似,可以用一個或兩個磁鐵來改變觸點狀態(tài)。
使用一個磁鐵:一旦一個永磁鐵被移入并接近干簧開關,觸點閉合。當永磁鐵移出時,觸點保持閉合。永磁鐵接著需要旋轉來顛倒極性。當磁鐵再次移到接近干簧偏置磁性時,觸點將被打開。使用兩個磁鐵:使用一個磁鐵靠近一個方向來閉合觸點形成自鎖,然后移出時解鎖。磁性相反的磁鐵隨后從另一個方向接近,開啟觸點。
自鎖干簧開關可以使一個磁性系統(tǒng)達到極好的平衡,尤其當附近有其它鐵磁材料時。一個采用自鎖干簧開關的應用毫無疑問將成為最好的設計選擇。
總結
當觸點會在閉合狀態(tài)保持很長時間,功耗也是一個考慮因素時,使用B型干簧傳感器或干簧繼電器可能是最好的解決方案。隨著低功率部件的需求與日增多時,無論是在開啟或閉合狀態(tài)時,自鎖干簧開關或自鎖干簧繼電器將是最好的選擇。另外,當釋放觸點不需要消耗功率時,自鎖常閉干簧開關是最好的選擇。Standex-Meder為用戶提供了多款自鎖干簧繼電器解決方案,包括MK03圓柱系列、MK04螺絲安裝系列、MK24 J型引腳系列等。
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