浅谈干簧管开关与干簧管继电器

作者：Littelfuse客户经理Rambo Liu

干簧管相比于阻容感以及二三极管来说属于小众产品，没有接触或应用到的对于其名字都很陌生，但是其年销售以亿为单位的销售数量又体现其所在应用领域的普遍性。

干簧管结构

干簧管又叫磁簧开关，是通过所施加磁场来动作的电开关。主要6个部分构成，分别为：玻璃管、簧片、接触片、密封气体、引脚玻璃密封、引脚。

簧片：由铁镍两种金属构成，比例约为51%与49%，引脚表面镀锡，接触涂层在几个微米以内，触点上镀由铑或钌来提升其切换寿命，在铑里面还会镀有锰、钛等涂层。

接触间隙：两个簧片间隙通常在几个微米到几十微米之间，间隙的大小与其灵敏度相关，越大的间隙灵敏度越低，但其承受的负载能力越强；反之，间隙越小灵敏度越高，负载能力越弱。

密封气体：一般是干燥的氮气，大部分充氮能承受200V直流，部分加压的干簧管可以承受250V，真空干簧管可以大幅提高开关电压至1000V。

玻璃管：热膨胀系数与导线匹配；保持密封；颜色偏绿是因为参杂铁，目的是增加红外线吸收能力便于密封。

工作原理

干簧管工作原理相对比较简单，两片端点处重叠的可磁化的簧片密封于一玻璃管中，两簧片呈交叠状且间隔有一小段空隙，这两片簧片上的触点上镀有层很硬的金属，通常都是铑或钌，这层硬金属大大提升了切换次数及产品寿命。玻璃管中装填有高纯度的惰性气体(如氮气)，部份干簧开关为了提升其高压性能，更会把内部做成真空状态。

对于常开式干簧管，簧片的作用相当与一个磁通导体，在尚未操作时，两片簧片并未接触。在通过永久磁铁或电磁线圈产生的磁场时，外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性, 当磁力超过簧片本身的弹力时，这两片簧片会吸合导通电路。当磁场减弱或消失后,干簧片由于本身的弹性而释放，触面就会分开从而断开电路。

如下图所示干簧管周围的磁场磁化干簧管的引脚，引脚被磁化后形成磁极相反的两极（北极和南极），北极南极簧片互相吸合。

常用术语‍

干簧管是磁动作器件，因此其单位用AT值，指的是测试线圈匝数乘以电流值。

PI(Pull-in)值：是使两个簧片由断开转闭合时的AT值，即闭合值

DO(Drop-out)值：两个簧片由闭合转断开时对应的AT值，即释放值。

接触电阻：簧片闭合时构成导通路径，其接触阻抗通常为毫欧或者欧姆。

下图是一个典型的开合状态示意，当磁铁靠近时簧片闭合，磁铁远离时簧片断开。

干簧管优势‍

无接触感应

零功耗

可带负载

高可靠性

性价比高

无EMC

‍开关次数‍

不同于其它机电式开关，干簧管机械寿命可达10亿次以上。

寿命取决于：电子负载、开关方式、开关灵敏度、磁力传动

典型寿命在千万次以上。

严苛负载也能承受万次以上。

典型应用

柜门位置检测，比如冰箱门位置传感，当冰箱门打开时，冰箱里面的灯会打开来照亮其内隔室，为了完成该动作，需要一个检测开关，此开关可以由干簧管或霍尔开关实现。安装方式为干簧管放置于冰箱框架上，磁触发器放置于门上。当门打开时，磁场原理干簧管本体，干簧管断开，此时微控制器利用反向逻辑打开灯。

洗衣机柜门开关检测也是一样道理，无需供电端口的特性使其能够减少对于电路的要求。洗衣机的一个重要功能就是知道什么时候送水，什么时候抽水，不同是清洗方式取决于水位。干簧管作为漂浮传感的一个产品，在杆上装干簧管，在浮板上嵌入磁铁，当水位改变时，浮板可以上下移动，通过磁铁的上下移动可以感应干簧管，从而起到位置检测的作用。对于不同水位检测的要求可以在杠上布置几组干簧管来实现。该水位检测方式同样适用于油箱液位检测。

通过外包封的方式可以做成干簧管传感器，同时可以提高其机械应力，改善玻璃管碰撞易碎的问题，下图把干簧管包封于传感器内，把磁铁包封在执行器内。

如前面所提，干簧管是磁感应产品，磁铁感应是其一，另外一种就是通电线圈产生的磁场感应，可以用于做干簧管继电器。

电动汽车应用‍

之前有篇文章介绍过高压绝缘检测方法与与固态继电器方案，详细介绍了绝缘检测方案与固态继电器的应用。固态继电器作为半导体产品，其相应速度较快，没有机械老化问题，但是作为半导体有其局限性，主要体现在绝缘耐压环节，通常其内部MOSFET耐压在1500V以下。

对于电动车应用，GB/T 18384.3-2015 电动汽车安全要求第3部分:人员触电防护，里面有对于电压等级进行了定义。对于电气元件或电路，其最大工作电压直流在60-1500Vdc，交流30-1000Vac定义为B级电压，应防止人员与B级电压电路的带电部分直接接触。防护方式为：带电部分的基本绝缘；遮拦或外壳，防止接近带电部分，其中遮拦或外壳可以是导体也可以是绝缘体。

关于绝缘电阻检测‍

检测电压为回路钟最大工作电压，因此对于继电器的要求是能正常开关最大工作电压，通常在1000Vdc以下。

传导连接到电网的组件试验电压，应使用50-60Hz交流试验电压1min。

采用基本绝缘，施加(2U+1000)Vrms交流电压。

采用双重绝缘或加强绝缘，施加(2U+3250)Vrms交流电压。

其中U为组件工作最大电压，等效直流试验电压为交流电源的1.414倍。

连接到电网的试验电压要求继电器在断开时能承受该电压而不被击穿，即对于继电器的断开时的触点击穿耐压要求。

从上面两个试验电压的要求可以看出来，绝缘检测对于电压要求主要分为工作电压开关与击穿电压的要求，因此单纯的固态继电器能满足绝缘电阻电压，但是没能满足击穿高电压的要求，此时就需要搭配机电继电器或者干簧管继电器。

相比于机电继电器，干簧管主要优势有：

·        高击穿电压

·        百万次寿命

·        动作时间短，1ms以下

·        极低漏电流

机电继电器是绝缘检测回路里面最常用的器件，对于可靠性与寿命要求高的应用，固态继电器与干簧管继电器是比较好的方案。

审核编辑：汤梓红