干簧管繼電器工作原理

干簧管又稱簧片開(kāi)關(guān)或磁簧開(kāi)關(guān)，它是由WesternElectric 公司在1940 年發(fā)明的一種氣密式密封的磁控機(jī)械開(kāi)關(guān)，可以作為磁接近開(kāi)關(guān)或者繼電器使用，比一般機(jī)械開(kāi)關(guān)體積小、速度高、工作壽命長(zhǎng)，與電子開(kāi)關(guān)相比，它又有抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)，工作可靠性很高。干簧管的結(jié)構(gòu)一般有兩種，具體如圖1 所示。干簧管內(nèi)部由一對(duì)由磁性材料制造的彈性磁簧組成，磁簧密封于充有惰性氣體的玻璃管中，磁簧端面互迭，但留有一條細(xì)間隙。磁簧端面觸點(diǎn)鍍有一層貴金屬銠或釕，使開(kāi)關(guān)性能穩(wěn)定并延長(zhǎng)使用壽命。

在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，玻璃管中的兩個(gè)簧片是分開(kāi)的。當(dāng)有磁性物質(zhì)靠近玻璃管時(shí)，在磁場(chǎng)磁力線的作用下，管內(nèi)的兩個(gè)簧片被磁化而互相吸引接觸，使兩個(gè)引腳所接的電路連通。外磁力消失后，兩個(gè)簧片由于本身的彈性而分開(kāi)，線路也就斷開(kāi)了。在實(shí)際運(yùn)應(yīng)用中，通常使用永久磁鐵控制這兩根金屬片的接通與否，所以又被稱為"磁控管"。

繼電器作為一種常用的控制組件，可以用較小的電流來(lái)控制較大的電流，用低電壓來(lái)控制高電壓，用直流電來(lái)控制交流電，并可實(shí)現(xiàn)控制電路與被控制電路的隔離，在自動(dòng)控制、遙控、保護(hù)電路等方面得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電磁繼電器是利用輸入電路內(nèi)電路在電磁鐵鐵芯與銜鐵間產(chǎn)生的吸力作用而工作的一種電氣繼電器，這種繼電器體積大、動(dòng)作慢、可靠性和壽命很有限。隨著電子電器向小型化、微型化方向發(fā)展，對(duì)繼電器提出了新的要求，干簧繼電器作為一種新型繼電器，在很多方面可滿足這種發(fā)展的需要。

1、高可靠性

一般繼電器的故障率制定為50ppm，因此為滿足這個(gè)要求，干簧開(kāi)關(guān)的質(zhì)量水平要比50ppm 的要求高得多?？傻侥壳盀橹?，尚未有任何一個(gè)機(jī)電器件能夠達(dá)到這樣的質(zhì)量水平。

2、高安全性

干簧管開(kāi)關(guān)具有優(yōu)良的絕緣性能。這種開(kāi)關(guān)的絕緣電阻最高可達(dá)10Ω，也就是其漏電流可以達(dá)到10A 的水平。這樣特低的漏電水平在醫(yī)療電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用，比如插入人體的探針或心臟起博器，因?yàn)檫@些設(shè)備要求不能有任何漏電流接近心臟，即使微安或亞微安的電流就能改變心臟關(guān)鍵部位的電學(xué)性能。

3、高適應(yīng)性

干簧傳感器是密封的，由于干簧管的開(kāi)關(guān)組件被氣密式密封于一惰性氣體中，因此它不會(huì)與外界環(huán)境接觸，所以幾乎能工作于任何環(huán)境而對(duì)濕度不敏感、不受外界空氣干擾等;同時(shí)干簧管對(duì)環(huán)境溫度沒(méi)有特殊的要求，具有很廣的溫度適應(yīng)能力:典型的工作溫度范圍可以從-50℃到+150℃，且無(wú)需特別的附加條件、限制或費(fèi)用。

4、超長(zhǎng)壽命

因?yàn)楦苫晒苁菬o(wú)磨損組件，沒(méi)有采用滑動(dòng)組件，所以不會(huì)出現(xiàn)金屬疲勞現(xiàn)象，確保實(shí)際上無(wú)極限的機(jī)械使用壽命。同時(shí)，由于其用惰性貴金屬銠做成的觸點(diǎn)，熔點(diǎn)高，能夠減少電弧發(fā)電對(duì)觸點(diǎn)表面的損耗，因此更能耐磨損，能維持更長(zhǎng)的工作壽命。一般的干簧管在低級(jí)負(fù)載(在10mA 時(shí)低于5V 及更低)下工作次數(shù)可達(dá)百萬(wàn)次(OKI 系列干簧管的壽命一般保證在1 億次以上)。這相當(dāng)于半導(dǎo)體微細(xì)加工器件的數(shù)字。

5、結(jié)構(gòu)緊湊、體積微小

干簧管能夠安裝在有限的空間，很適用于微型化設(shè)備。目前干簧管的最小尺寸已經(jīng)達(dá)到Ф2.0×11.0mm。

6、優(yōu)越的電性能

干簧開(kāi)關(guān)具有一系列優(yōu)異的電性能，比如其觸頭在導(dǎo)通時(shí)有極低的導(dǎo)通電阻，典型值低到50mΩ;其直接開(kāi)關(guān)信號(hào)范圍可以從幾納伏到上千伏，電流從飛安到安，頻率從直流到6GHz 等。

7、高速度操作

由于每一可動(dòng)組件只具有非常小的重量，因此操作速度很高，使干簧管成為能用于晶體管電路或集成電路的一種組件。

干簧管繼電器目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的諸多領(lǐng)域，如機(jī)械、汽車、電子、電力、石油、化工、辦公自動(dòng)化、通訊等工程中;特別在軍事領(lǐng)域，高壓干簧繼電器是與國(guó)防現(xiàn)代化武器裝備配套的關(guān)鍵元器件。

我國(guó)目前盡管有生產(chǎn)干簧管的廠家，但是密封干簧管的玻璃一般采用的是DB-404 鉑組電真空玻璃，這種玻璃在應(yīng)用上已不能滿足實(shí)際的需要。這一方面是由于該種玻璃組成中含有近30[%]的鉛，而含鉛玻璃在電子領(lǐng)域的應(yīng)用已被歐盟RoSH 指令明確禁止;另一方面在于這種玻璃無(wú)法滿足紅外封接的性能要求。所以，目前我國(guó)干簧管用電真空玻璃嚴(yán)重依賴于進(jìn)口，然而，進(jìn)口的玻璃材料由于其熱膨脹系數(shù)與國(guó)內(nèi)的鐵鎳合金絲的膨脹系數(shù)不完全一致(如德國(guó)肖特公司的干簧管玻璃的熱膨脹系數(shù)無(wú)一例外為8.7~8.9×10-7/℃)，經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)品的漏氣和破壞，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)干簧繼電器的發(fā)展。

因此，我國(guó)在干簧繼電器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用以及組成材料的研究方面相比國(guó)外還有較大的差距，而研究干簧管所需的電真空玻璃成為其中的關(guān)鍵，最新文獻(xiàn)表明，中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已經(jīng)在干簧管所用材料方面有了很大突破，目前所研制的材料已提交相關(guān)廠家進(jìn)行產(chǎn)品試制。

干簧繼電器由于其獨(dú)特的一系列優(yōu)點(diǎn)使得其具有非常廣泛的用途，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)干簧繼電器的要求也越來(lái)越苛刻，不含鉛等有毒物質(zhì)、超小型、高可靠性的繼電器將成為市場(chǎng)新寵。

構(gòu)成開(kāi)關(guān)組件/ 系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)類型主要有以下幾種。

(1)干簧管繼電器。干簧管開(kāi)關(guān)速度快(與電磁繼電器相比) ，導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)處于密封結(jié)構(gòu)中，但承載大電流和高電壓的能力較差。當(dāng)需要較快的開(kāi)關(guān)速度時(shí)，可選擇干簧管繼電器開(kāi)關(guān)。

(2)水銀繼電器。它的使用壽命長(zhǎng)，導(dǎo)通電阻非常小，無(wú)觸點(diǎn)抖動(dòng)。但水銀繼電器安裝位置敏感，必須正確安裝才能正常工作，同時(shí)水銀受到環(huán)境因素的影響較大，限制了此類繼電器的應(yīng)用范圍。

(3)電磁繼電器。目前應(yīng)用最廣泛的是機(jī)電式電磁繼電器開(kāi)關(guān)，該類繼電器既有適用于大功率信號(hào)切換的功率開(kāi)關(guān)，也有適用于微波和射頻信號(hào)切換的高頻開(kāi)關(guān)，還有用于光信號(hào)切換的光纖開(kāi)關(guān)。該類繼電器開(kāi)關(guān)具有開(kāi)路隔離電阻大、導(dǎo)通電阻小、工作電流大等優(yōu)點(diǎn)，但一般體積較大、開(kāi)關(guān)速度慢、使用壽命短、所需的驅(qū)動(dòng)電流較大。

(4)場(chǎng)效應(yīng)管(FET) 開(kāi)關(guān)。它為無(wú)觸點(diǎn)的電子開(kāi)關(guān)，具有體積小、驅(qū)動(dòng)電流低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)和開(kāi)關(guān)速度快(可達(dá)微秒級(jí)) 等優(yōu)點(diǎn)，適用于高密度、大功率、頻繁切換信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合，但場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻較大，斷開(kāi)時(shí)有漏電流，一般不具有雙向?qū)芰?，同時(shí)成本價(jià)格較高。