Reed Switch - Làm việc, Mạch ứng dụng

Trong bài đăng này, chúng ta tìm hiểu toàn diện về chức năng của công tắc sậy và cách tạo mạch chuyển đổi sậy đơn giản.

Reed Switch là gì

Công tắc sậy còn được gọi là rơ le sậy, là một công tắc từ tính dòng điện thấp với một cặp tiếp điểm được giấu kín đóng và mở để phản ứng với từ trường gần nó. Các tiếp điểm được giấu bên trong ống thủy tinh và các đầu của nó được nối ra ngoài ống thủy tinh để kết nối bên ngoài.

Và với khoảng một tỷ thông số kỹ thuật hoạt động, tuổi thọ chức năng của các thiết bị này trông rất ấn tượng.

Hơn nữa, công tắc sậy có giá thành rẻ và do đó trở nên phù hợp với tất cả các loại ứng dụng điện, điện tử.

Khi nào công tắc Reed được phát minh

Công tắc sậy được phát minh vào năm 1945, bởi Tiến sĩ W.B. Ellwood , khi đang làm việc tại Western Electric Corporation, Hoa Kỳ. Phát minh này dường như tiến bộ hơn rất nhiều so với thời kỳ nó được phát minh.

Các lợi thế ứng dụng to lớn của nó tiếp tục không được các kỹ sư điện tử chú ý, cho đến thời điểm gần đây khi công tắc sậy đang trở thành một phần của nhiều thiết bị điện và điện tử quan trọng.

Công tắc Reed hoạt động như thế nào

Về cơ bản, công tắc sậy là một rơle cơ-từ. Nói chính xác hơn, công tắc sậy hoạt động được bắt đầu khi một lực từ được đưa đến gần nó, dẫn đến tác động chuyển mạch cơ học cần thiết.

Một công tắc rơ le tiêu chuẩn có thể được chứng kiến ​​như trong hình trên. Nó được tạo thành từ một cặp dải sắt từ dẹt (lau sậy) được bịt kín trong một ống thủy tinh nhỏ.

Các cây lau sậy được kẹp chặt vào một trong hai đầu của ống thủy tinh sao cho các đầu tự do của chúng hơi chồng lên nhau ở tâm với khoảng cách khoảng 0,1 mm.

Trong quá trình làm kín, không khí bên trong ống được bơm ra ngoài và được thay thế bằng nitơ khô. Điều này rất quan trọng để đảm bảo rằng các tiếp điểm hoạt động trong môi trường trơ, giúp giữ cho các tiếp điểm không bị ăn mòn, loại bỏ lực cản không khí và làm cho nó bền lâu.

Làm thế nào nó hoạt động

Hoạt động cơ bản của một công tắc sậy có thể được hiểu theo giải thích sau

Khi một từ trường được đưa vào gần công tắc sậy từ nam châm vĩnh cửu hoặc từ nam châm điện, sậy có tính sắt từ sẽ biến thành một phần của nguồn từ trường. Điều này làm cho các đầu của lau sậy thu được cực tính từ trái ngược nhau.

Nếu từ thông đủ mạnh, hút các sậy về phía nhau đến mức vượt qua độ cứng của kẹp và hai đầu của chúng thiết lập một tiếp điểm điện tại tâm của ống thủy tinh.

Khi từ trường bị loại bỏ, lau sậy mất sức giữ và các dải này sẽ đàn hồi trở lại vị trí ban đầu.

Reed chuyển đổi độ trễ

Như chúng ta biết rằng trễ là một hiện tượng trong đó hệ thống không thể kích hoạt và hủy kích hoạt tại một điểm cố định cụ thể.

Ví dụ, đối với 12 V rơ le điện , điểm kích hoạt có thể là 11 V, nhưng điểm ngừng hoạt động của nó có thể ở đâu đó khoảng 8,5 V, độ trễ thời gian này giữa điểm kích hoạt và điểm ngừng hoạt động được gọi là độ trễ.

Tương tự, đối với một công tắc sậy, việc tắt sậy của nó có thể yêu cầu nam châm phải được di chuyển xa hơn nhiều so với điểm mà nó được kích hoạt ban đầu.

Hình ảnh sau đây giải thích tình huống rõ ràng

Thông thường, một công tắc sậy sẽ đóng lại khi nam châm được đưa đến cách nó 1 inch, nhưng nó có thể cần phải di chuyển nam châm ra xa khoảng 3 inch để mở các tiếp điểm về dạng ban đầu, do từ trễ.

Hiệu chỉnh hiệu ứng trễ trong Reed Switch

Vấn đề từ trễ ở trên có thể được giảm thiểu đến mức giới hạn bằng cách chỉ cần đưa vào một nam châm khác có cực N / S ngược ở phía đối diện của công tắc sậy, như hình bên dưới:

Đảm bảo rằng nam châm cố định bên trái không nằm trong phạm vi kéo vào của công tắc cây lau, thay vì ở một khoảng cách nào đó, nếu không cây lau sẽ vẫn đóng và chỉ mở khi nam châm bên phải được đưa quá gần cây lau.

Do đó, khoảng cách của nam châm cố định phải được thử nghiệm với một số thử và sai cho đến khi đạt được sự khác biệt phù hợp, và cây sậy kích hoạt mạnh tại một điểm cố định bởi nam châm chuyển động.

Tạo công tắc sậy loại 'Thường đóng'

Từ các cuộc thảo luận ở trên, chúng tôi biết rằng thông thường các tiếp điểm của một công tắc sậy là loại 'thường mở'.

Sậy đóng lại nếu nam châm được giữ gần thân thiết bị. Tuy nhiên, có thể có một số ứng dụng nhất định trong đó cây sậy có thể được yêu cầu ở trạng thái 'thường đóng' hoặc chuyển sang BẬT, và chuyển TẮT khi có từ trường.

Điều này có thể dễ dàng đạt được bằng cách định hướng thiết bị với một nam châm bổ sung gần đó như được minh họa bên dưới, hoặc bằng cách sử dụng loại công tắc sậy SPDT 3 đầu cuối như được chỉ ra trong sơ đồ thứ hai bên dưới.

Trong phần lớn các hệ thống trong đó công tắc sậy được vận hành thông qua 'nam châm vĩnh cửu, nam châm được lắp đặt trên một bộ phận chuyển động và cây lau được lắp đặt trên một nền cố định hoặc cố định.

Tuy nhiên, bạn có thể tìm thấy một số chương trình mà cả nam châm và cây lau phải được định vị trên một nền cố định. Hoạt động BẬT / TẮT của cây lau trong những trường hợp như vậy đạt được bằng cách làm biến dạng từ trường với sự trợ giúp của tác nhân màu chuyển động bên ngoài, như được giải thích trong đoạn sau.

Triển khai Hoạt động Nam châm / Cây lau cố định

Trong thiết lập này, nam châm và cây sậy được giữ gần nhau một cách đáng kể, điều này cho phép các tiếp điểm của cây sậy ở trạng thái thường đóng và nó sẽ mở ra ngay khi tác nhân sắt bên ngoài di chuyển qua giữa cây sậy và nam châm.

Mặt khác, khái niệm tương tự có thể được áp dụng để thu được kết quả hoàn toàn ngược lại. Tại đây, nam châm được điều chỉnh đến một vị trí vừa đủ để giữ cho cây sậy ở vị trí thường mở.

Ngay sau khi tác nhân sắt bên ngoài được di chuyển giữa cây lau và nam châm, lực từ sẽ được tăng cường và củng cố bởi chất màu này ngay lập tức kéo công tắc sậy vào và kích hoạt nó.

Các máy vận hành của một công tắc sậy

Hình dưới đây cho thấy các mặt phẳng hoạt động tuyến tính khác nhau của một công tắc sậy. Nếu chúng ta di chuyển nam châm qua bất kỳ mặt phẳng nào trong số các mặt phẳng a-a, b-b và c-c, sẽ cho phép cây sậy hoạt động bình thường. Tuy nhiên, việc lựa chọn nam châm có thể khá quan trọng nếu chế độ hoạt động nằm trên mặt phẳng b-b.

Ngoài ra, bạn có thể thấy cây sậy giả hoặc giả kích hoạt do các cực đại âm từ đường cong mô hình trường của nam châm.

Trong các tình huống mà các đỉnh âm ở mức cao, cây lau có thể BẬT / TẮT nhiều lần khi nam châm di chuyển qua chiều dài đầu đến cuối của cây lau.

Việc kích hoạt cây lau thông qua chuyển động quay cũng có thể được thực hiện thành công.

Để đạt được điều này, bạn có thể sử dụng trong số nhiều thiết lập được hiển thị bên dưới:

HÌNH A

HÌNH B

HÌNH C

Cũng có thể sử dụng chuyển động quay để kích hoạt thiết lập công tắc sậy. Trong hình A và B, công tắc cây lau được lắp đặt ở một vị trí cố định, trong khi nam châm được gắn với đĩa quay làm cho nam châm di chuyển qua công tắc cây lau trên mỗi vòng quay, chuyển đổi BẬT / TẮT cây lau tương ứng.

Trong hình C, nam châm và công tắc sậy đều là văn phòng phẩm, trong khi một tấm chắn từ tính được chạm khắc đặc biệt được quay giữa chúng để cam cắt từ trường luân phiên trên mỗi vòng quay khiến cây sậy đóng mở theo cùng một trình tự.

Chuyển động quay cũng có thể được sử dụng để kích hoạt công tắc sậy, Ở A và B, công tắc đứng yên và nam châm quay. Trong ví dụ C và D, cả công tắc và nam châm đều đứng yên và công tắc hoạt động bất cứ khi nào phần cắt của lá chắn từ nằm giữa nam châm và công tắc.

Tốc độ chuyển mạch có thể được điều chỉnh một giây đến hơn 2000 mỗi phút chỉ bằng cách thay đổi tốc độ đĩa quay.

Tuổi thọ hoạt động của công tắc sậy

Công tắc sậy được thiết kế để có tuổi thọ làm việc cực cao, có thể nằm trong khoảng từ 100 triệu đến 1000 triệu thao tác đóng / mở.

Tuy nhiên, điều này có thể đúng chỉ khi dòng điện thấp, nếu dòng điện chuyển đổi qua các tiếp điểm của cây sậy vượt quá giá trị danh định lớn nhất, thì cây sậy đó có thể bị hỏng trong một vài thao tác.

Thông thường, công tắc sậy được đánh giá là hoạt động với dòng điện trong phạm vi từ 100 mA đến 3 Amps tùy thuộc vào kích thước của thiết bị.

Giá trị lớn nhất có thể chịu được được chỉ định cho các tải thuần trở. Nếu tải là điện dung hoặc cảm ứng, trong trường hợp đó, các tiếp điểm của công tắc sậy phải được giảm tốc về cơ bản hoặc bảo vệ xà cừ thích hợp và bảo vệ EMF ngược được áp dụng trên các đầu nối sậy, như được hiển thị bên dưới:

Thêm bảo vệ chống lại Spikes cảm ứng

Bất kỳ phương pháp nào trong số bốn phương pháp đơn giản trên đây được sử dụng để bảo vệ công tắc sậy khỏi các xung dòng điện cảm hoặc điện dung.

Đối với tải cảm ứng như cuộn dây rơle với nguồn điện một chiều, một shunt điện trở đơn giản được đánh giá cao hơn 8 lần so với cuộn dây rơle sẽ vừa đủ để giữ an toàn cho rơle sậy khỏi cuộn dây rơle trở lại EMFs, như hình A.

Mặc dù điều này có thể làm tăng một chút dòng điện nhàn rỗi trong cây lau nhưng dù sao điều đó cũng không gây hại cho cây lau.

Ersistor có thể được thay thế bằng một tụ điện cũng để tạo ra một loại bảo vệ tương tự, như trong hình B.

Thông thường, một mạng bảo vệ tụ điện trở được áp dụng như chỉ ra trong Hình C, trong trường hợp nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều. Điện trở có thể là 150 ohm 1/4 watt và tụ điện có thể nằm trong khoảng từ 0,1 uF đến 1 uF.

Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả nhất và đã thành công trong việc giữ cây lau an toàn khỏi việc chuyển đổi bộ khởi động động cơ trong hơn một triệu lần vận hành.

Giá trị R và C có thể được xác định thông qua công thức sau

C = I ^ 2/10 uF và R = E / 10I (1 + 50 / E)

Trong đó E là cường độ dòng điện mạch kín và E là điện áp mạch hở của mạng.

Trong hình C, chúng ta có thể thấy một diode được kết nối trên cây sậy. Bảo vệ này hoạt động tốt trong các mạch DC có tải cảm ứng, mặc dù cực tính của diode phải được thực hiện chính xác.

Nguồn gốc cây sậy hiện tại cao

Trong các ứng dụng yêu cầu chuyển đổi dòng điện nặng bằng công tắc sậy, một mạch triac được sử dụng để chuyển tải dòng điện nặng và công tắc sậy được sử dụng để điều khiển chuyển mạch cổng của triac như hình dưới đây

Dòng cổng nhỏ hơn đáng kể so với dòng tải, công tắc sậy sẽ hoạt động hiệu quả và cho phép chuyển mạch triac khi tải dòng điện cao. Công tắc sậy ngay cả phút có thể được áp dụng ở đây và sẽ hoạt động mà không có vấn đề gì.

0,1 uF tùy chọn và RC 100 ohm là một mạng nhỏ gọn để bảo vệ triac chống lại các gai cảm ứng hiện tại cao, nếu tải là tải cảm ứng.

Ưu điểm của Reed Switch

Một ưu điểm lớn của công tắc sậy là khả năng hoạt động rất hiệu quả trong khi chuyển đổi cường độ dòng điện và điện áp thấp. Đây có thể là một vấn đề đáng kể khi sử dụng công tắc thông thường. Điều này là do thiếu dòng điện thích hợp để loại bỏ lớp bề mặt điện trở thường được kết hợp với các tiếp điểm công tắc tiêu chuẩn.

Ngược lại, một công tắc sậy do bề mặt tiếp xúc được mạ vàng và khí quyển trơ của nó hoạt động thành công trong hơn một tỷ thao tác mà không gặp bất kỳ vấn đề gì.

Trong một trong những thử nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm của công ty Hoa Kỳ có uy tín, bốn công tắc sậy được cấp nguồn với 120 chuỗi BẬT / TẮT mỗi giây thông qua tải hoạt động với 500 micro-volt và 100 micromps, dc.

Trong thử nghiệm, mỗi cây lau sậy có thể hoàn thành 50 triệu lần đóng liên tục mà không một lần nào cho thấy điện trở chuyển mạch vượt quá 5 ôm.

Reed Switch thất bại

Mặc dù cực kỳ hiệu quả, công tắc sậy có thể có xu hướng hỏng nếu hoạt động dưới đầu vào dòng điện cao hơn. Dòng điện cao khiến các tiếp điểm bị xói mòn, điều này cũng thường thấy ở các công tắc thông thường.

Sự xói mòn này dẫn đến các hạt nhỏ cũng có từ tính thu thập gần khe hở của các điểm tiếp xúc và bằng cách nào đó tạo ra một cầu nối qua khe hở. Sự bắc cầu của khoảng trống này gây ra ngắn mạch và cây lau dường như được kết hợp BẬT vĩnh viễn.

Vì vậy, thực ra nó không phải là do sự nóng chảy của các điểm tiếp xúc, mà là sự ngắn lại do tập hợp các phần tử bị ăn mòn khiến các điểm tiếp xúc của cây sậy có vẻ như chúng đã bị nóng chảy và hợp nhất.

Thông số kỹ thuật cho một công tắc sậy đa năng tiêu chuẩn

• Điện áp tối đa = 150 V
• Dòng điện tối đa = 2 ampe
• Công suất tối đa = 25 watt
• Tối đa kháng ban đầu = 50 mili giây
• Tối đa kháng cuối vòng đời = 2 Ohms
• Điện áp đánh thủng đỉnh = 500 V
• Tỷ lệ đóng cửa = 400 Hz
• Điện trở cách điện = 5000 miliohms
• Phạm vi nhiệt độ = -55 độ C đến +150 độ C
• Điện dung tiếp xúc = 1,5 pF
• Rung = 10G ở 10-55Hz
• Sốc = 15G mu nhỏ m
• Tuổi thọ ở tải định mức = 5 x 10 ^ 6 hoạt động
• Tuổi thọ không tải = 500 x 10 ^ 6 hoạt động

Các lĩnh vực ứng dụng

1. Chỉ báo mức dầu phanh thủy lực, trong đó tính khả thi về cơ bản dựa vào tính đơn giản và dễ sử dụng.
2. Đếm khoảng cách , cung cấp một cách tiếp cận cực kỳ đơn giản để ghi lại sự di chuyển của các vật thể màu đen qua một điểm xác định trước.
3. Chuyển đổi khóa liên động an toàn , mang đến sự ổn định phi thường và dễ sử dụng các ứng dụng cho các thiết kế cơ khí hóa phức tạp. Ở đây, các công tắc sậy nhúng được sử dụng để kết nối mạch điện để thắp sáng đèn cảnh báo hoặc nhắc nhở các giai đoạn hoạt động tiếp theo.
4. Công tắc kín trong môi trường dễ cháy , cũng tránh được khả năng đốt cháy trong môi trường có nhiều bụi, nơi các công tắc mở tiêu chuẩn có thể khó dựa vào và đặc biệt là trong thời tiết lạnh, nơi các công tắc thông thường có thể dễ dàng đóng băng.
5. Trong môi trường phóng xạ , nơi làm việc từ tính giúp bảo vệ độ tin cậy của vật che chắn.

Một số mạch ứng dụng khác được xuất bản trong trang web này

Công tắc phao : Công tắc sậy có thể được sử dụng cho các công tắc phao không bị ăn mòn bộ điều khiển mực nước hiệu quả. Vì các công tắc sậy được bịt kín nên tránh tiếp xúc với nước và hệ thống hoạt động vô hạn mà không gặp bất kỳ vấn đề gì.

Báo động bệnh nhân nhỏ giọt : Mạch này sử dụng công tắc sậy để kích hoạt báo động khi gói nhỏ giọt được kết nối với bệnh nhân trở nên trống rỗng. Chuông báo cho phép y tá biết tình hình ngay lập tức và thay gói nhỏ giọt đã cạn bằng gói mới.

Báo động cửa từ : Trong ứng dụng này, một công tắc sậy sẽ kích hoạt hoặc tắt khi một nam châm liền kề được di chuyển bằng cách mở hoặc đóng cửa. Chuông báo cho người sử dụng biết về hoạt động của cửa.

Bộ đếm cuộn dây biến áp : Ở đây, công tắc sậy được vận hành bởi một nam châm gắn trên bánh xe của cuộn dây đang quay, cho phép bộ đếm nhận được tín hiệu đồng hồ cho mỗi vòng quay từ việc kích hoạt sậy.

Bộ điều khiển mở / đóng cổng : Công tắc sậy cũng hoạt động tuyệt vời như công tắc giới hạn trạng thái rắn. Trong mạch điều khiển cổng này, công tắc sậy hạn chế việc đóng hoặc mở cổng bằng cách tắt động cơ bất cứ khi nào cổng đạt đến giới hạn trượt tối đa.