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干簧管与霍尔效应传感器

时间: 2008-04-07 点击: 549  [字体: 小]

    在干簧管传感器中关键的元件是簧片开关,它是由Western Electric公司在1940年发明的。其它主要元件是开或关的弹性簧片及磁铁或电磁铁。
 

  经过了60年,干簧管开关得到了一些改进,使得更可靠,在改进质量的同时又降低了成本。由于这些引人注目的改进,干簧管开关在某些要求质量、可靠性及安全为至上的苛刻应用中成为设计的选择。
 

  干簧管传感器的质量及可靠性最引人注目的应用是用于自动测试设备(ATE)。在这种设备中技术是一流的。干簧开关被用于干簧继电器,它应用于IC、ASIC、硅片的测试设备中及印制板测试设备中,作为开关。在这些应用中,一个测试系统中干簧管继电器就可能达2万个。
 

  一个继电器的故障率制定为50ppm,因此为满足这个要求,干簧继电器的质量水平要比50ppm的要求好得多。至今,还没有听到过有一个机电器件有这样的质量水平。相似地,它同样也适用于一些半导体器件。
 

  一旦除了初始工作的质量测试以外,干簧继电器需要在它的寿命内很好地执行工作。在这一点上它们已证实了胜过所有其它开关器件。这是因为在很多情况下,ATE一天工作24小时,一周工作7天,它所占的费用是最主要的。因此干簧管继电器的工作寿命需要上百万次。
 

  另一个有利于干簧管继电器的例子是它用作气囊传感器,在这个系统中它通过了在严酷的安全应用中的时间测试。干簧管传感器是广泛地用于很多要求高的汽车安全设备(例如敏感刹车液的高度),在很多医疗仪器上的应用,这包括烧灼设备,起博器等医疗电子设备等。在这些设备中,干簧管继电器隔离了小的漏电流。

干簧管传感器与霍尔效应传感器的比较

  在干簧管和霍尔效应两种传感器的技术上,其尺寸都在缩小。然而,当干簧管传感器与霍尔效应传感器相比较时(见附表),可以看到干簧管的一些优点:

1. 霍尔效应器件一般价格低,但需要加上昂贵的电源电路供电,其输出信号也是那么低,通常也要加放大电路。可以认为其最后结果是霍尔效应传感器比干簧管传感器更贵。
2. 干簧管开关从输入到输出有优良的绝缘及开关的绝缘电阻达1015Ω。其结果是漏电流为10-15A的水平。另一方面,霍尔效应器件有亚微安的漏电流水平。在医疗电子设备中插入人体的探针或起博器,对这些设备要求不能有任何漏电流接近心脏,这一点是十分重要的,微安或亚微安电流能改变心脏关键的电的能动性。
3. 干簧传感器是密封的,因此它能几乎工作于任何环境(如对湿度无影响)。 
4. 干簧开关的触头在导通时有极低的导通电阻,典型值低到50mΩ,而霍尔效应传感器可能有上百欧姆。
5. 干簧传感器能直接开关信号范围从几纳伏到千伏,电流从飞安到安,频率从直流到6GHz。霍尔效应器件输出范围是很受限制的。
6. 干簧传感器提供磁灵敏度有一个较大的范围。
7. 干簧传感器对ESD是不敏感的,而ESD常可能损坏霍尔效应传感器。 
8. 干簧管传感器能经受很高的电压(最小的额定值是1000V)。霍尔效应器件需外部电路其额定值到100V。
9. 干簧管传感器能经受3英尺跌落的典型试验,该跌落试验与霍尔效应传感器是相似的。
10. 因为干簧管传感器无磨损元件,低级负载(在10mA时低于5V及更低)工作可达百万次。这相当于半导体微细加工器件的数字。 
11. 干簧管传感器对温度环境没有影响,典型的工作温度范围从-50℃到+150℃,无特别附加条件、限制或费用。霍尔效应传感器工作温度范围有限制。
干簧管产品有很多很好的应用。某些干簧管继电器工厂在设计苛刻应用上是极好的,在质量、可靠性及安全性上是一流的。

■应用范围及操作方法
 

 
行 业 别 图 示 应用范围 操作方法
Toys
电子玩具
声控玩具 声效及音效的控制
Security Alarm
警报系统
门窗警报 门窗开关的警报控制
Pedometer
计步器、车表
计步器 步行次数控制
单车表 行车转轮次数控制
Household
家用电器
电饭煲 锅盖的开关控制
微波炉 炉门的开关控制
洗碗机 机门的开关控制
冰箱 冰箱门的开关控制
洗衣机 转轴式之定位控制
咖啡机 煮咖啡的流量控制
吸尘器 尘粒滤器的饱和控制
Telecommunication
通讯
有线电话 听筒拿离时的开关控制
移动电话 折叠式手机的开关
Industrial Control
工业控制
煤气表 流量控制
流量计 位置控制
阀门 开关之位置控制
传动系统 位置控制
升降机 位置控制
Automotive
汽车
安全气囊 安全气囊的开关控制
天窗 开关控制
车窗 开关控制
电瓶/油标 液位浮标控制
安全带 安全带的扣妥/松拖警示
 
■动作原理
 

 
(一) 线圈启动
     即利用线圈的磁场感应,来控制磁控管的动作,为一种相当方便的启动方式。磁控管放置于线圈内,当有电流通过线圈时,则磁控管的簧片便会被磁化,形成回路导通电流。如果电流消失即回到开路状态。
     磁控管的启动效果和产生磁场的线圈,有极密切关系。线圈的大小,绕线的形状,绕线的材质,线圈圈数的多寡,以及线圈和磁控管之间的距离,均有相关。

(二) 永久磁铁驱动
     永久磁铁,是用来启动磁控管最常用的方法。磁铁和磁控管一定要在特定距离才能驱动磁控管动作,此距离和磁控管的灵敏度及磁铁强度有极大的关系。一支常开型(NORMALLY OPEN)之磁控管,若接近磁场,会闭合(CLOSE),若磁场远离后,则会回复开路状态。

● 以下图示列出各种常见的永久磁场启动方式 :

 
 
 
■使用之注意要点:
 

 
● 磁控管引线脚的剪切及弯曲

     1. 引线脚的剪切或弯曲时,必须避免施加不适当的应力,而使磁控管的玻璃与金属密封处受到损坏,适当的夹紧工具是必备的。(见图1)

     2. 引线脚的剪切或弯曲时,建议玻璃末端与剪切端/弯曲端的距离为:

 
类 别 型 号 玻璃末端与切断端间距
微型磁控管
(7~20mm)
MKA-07101,MKA-10110,MKA-14103,
MKA-16101,MKA-20101,MKC-14104
 
最少3mm
大型磁控管
(20mm以上)
MKA-50201,MKA-50202,MKC-27103 最少8mm

     3. 引线脚的剪切及弯曲后,磁控管的启动及释放值会增加。(见图2)

● 磁控管的安装及焊接

1. 磁控管遇高温时间过长可能会导致玻璃与金属密封处裂开及泄露,因此必须采取快速及可靠的焊接技术,建议的焊接条件为:

 

手焊 280 ~ 300℃
自动焊接 250 ~ 300℃

2. 磁控管焊接时,焊接的电流所产生的磁场效应,能使磁控管开关动作导致触点损坏,因此焊接时,必须采取适当的保护措施,并请参照磁控管规格。
3. 不得同时焊接磁控管两端的引线脚。
4. 磁控管安装及焊接到PCB板时需注意PCB板的变形及热膨胀特性,其应力亦可能会损伤磁控管的玻璃与金属密封。
5. 当PCB板上安装磁控管时,建议PCB板与磁控管间需保持适当的间距,或将磁控管插入PCB板的孔位中。(见图3)



● 冲击及震动

     1. 当磁控管由30cm以上高度跌落至地面时,其电气特性包括启动及释放值皆会改变,请于使用前检测并确保其规格;若磁控管被施加拉伸应力或扭曲应力亦可适用。
     2. 不得将磁控管用于高于其谐振频率的场合。

● 磁控管的保护

     1. 电感性负载--磁控管用于电感性负载,如电动机、继电器线圈等,其触点在触点开路时加有瞬间高压,此瞬间高压会损及磁控管的触点并减少磁控管的寿命,建议采用保护电路。(见图4)

     2. 电容性负载--磁控管用于电容性负载,如电容器、白炽灯时,其触点受到大脉冲电流的冲击,因此建议采用保护线路。(见图5)
 


● 防范外部磁场干扰

     1. 当磁控管及其激励磁铁或线圈,安装在接近如钢板或变压器等强磁场干扰源时,磁控管的工作特性将被改变,且有可能造成误动作,因此对一特定可能存在的干扰源需予以防范。
     2. 当在靠近位置上使用多个磁控管亦可能造成类似的磁场干扰,引致工作特性改变及误动作的情况,若发现有此现象,则建议将磁控管的间距保持15mm或以上距离为妥。

 

 
■故障原因与对策:
 

 
故 障 原 因 对 策
1)玻璃管破碎或密封处受损 1、剪切或弯曲时未固定
2、剪切或弯曲时距离不对
3、遇高温时间过长
4、同时加工两端的引线脚
5、未考虑PCB板的特性
1、须使用适当的夹紧工具
2、玻璃末端与剪切/弯曲端的距离
   为:20mm以下:最少3mm; 20mm以
   上:最少8mm
3、须采用快速及可靠的焊接技术,
   温度条件为:手焊:280~300℃;
   自动焊接:250~300℃
4、避免两端同时进行焊接、剪切
   或弯曲
5、安装及焊接到PCB板时,需注意
   PCB板的变形及热膨胀特性,需保
   持适当的间隙
2)工作特性改变或产生误动作 1、由30cm以上高度跌落时,使其
   启动或释放值改变
2、被施加拉伸应力或扭曲应力
3、用于高于其谐振频率的场合
4、外部磁场干扰
1、使用前检测并确保其规格
2、使用前检测并确保其规格
3、避免用于此场合
4、安装在接近强磁场干扰源时,需
   予以防范;在靠近位置上使用多
   个磁控管时,间距保持15mm或以
   上距离为妥。
3)触点损坏 1、焊接时的电流所产生的磁场效应
2、用于电感性负载,开路时瞬间高
   压的冲击
3、用于电容性负载,大脉冲电流的
   冲击
1、焊接时采取适当的保护措施,
   并参照磁控管规格
2、采用保护线路
3、采用保护线路
4)触点复位不良 1、外部磁场干扰
2、玻璃内为特殊气体,加工受损或
   破裂,而肉眼未能看出
3、 触点长时间闭合产生粘着情况
1、参见“故障2之对策4”
2、参见“故障1”
3、避免电流过大
5)动作灵敏度不高或一致性不高 1、选用的AT值太大
2、选用的AT值范围不对
1、AT值越小,灵敏度越高
2、AT值范围愈窄,一致性越理想,
   但成本增加
6)与磁铁搭配使用时效果不佳 1、磁铁装错方向
2、磁控管与磁铁的距离不符
1、磁铁需依其S/N极安装
2、调整两者到最佳的搭配位置
 
 

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