Interruttore Reed - Funzionamento, circuiti di applicazione

In questo post impariamo in modo esauriente il funzionamento dell'interruttore reed e come realizzare semplici circuiti dell'interruttore reed.

Cos'è Reed Switch

L'interruttore reed chiamato anche relè reed, è un interruttore magnetico a bassa corrente con una coppia di contatti nascosti che si chiudono e si aprono in risposta al campo magnetico vicino ad esso. I contatti sono nascosti all'interno di un tubo di vetro e le sue estremità sono terminate fuori dal tubo di vetro per il collegamento esterno.

E con circa un miliardo di specifiche operative, anche la durata funzionale di questi dispositivi sembra molto impressionante.

Inoltre, gli interruttori reed sono economici e quindi diventano adatti a tutti i tipi di applicazioni elettriche ed elettroniche.

Quando è stato inventato l'interruttore Reed

L'interruttore reed è stato inventato nel lontano 1945 da Il dottor W.B. Ellwood , mentre lavorava presso la Western Electric Corporation, negli Stati Uniti. L'invenzione sembra essere molto avanzata rispetto al periodo in cui fu inventata.

I suoi immensi vantaggi applicativi hanno continuato a essere ignorati dagli ingegneri elettronici, fino ai tempi recenti in cui gli interruttori reed stanno diventando parte di molte implementazioni elettroniche ed elettriche cruciali.

Come funzionano gli interruttori Reed

Fondamentalmente, un interruttore reed è un relè magneto-meccanico. Per essere più precisi, il funzionamento di un interruttore reed viene avviato quando viene avvicinata una forza magnetica, che si traduce nell'azione di commutazione meccanica richiesta.

Un interruttore a relè reed standard può essere visto come mostrato nella figura sopra. È costituito da una coppia di strisce ferromagnetiche appiattite (canne) chiuse ermeticamente in un minuscolo tubo di vetro.

Le canne sono fissate saldamente su entrambe le estremità del tubo di vetro in modo tale che le loro estremità libere siano leggermente sovrapposte al centro con una distanza di circa 0,1 mm.

Durante il processo di sigillatura l'aria all'interno del tubo viene pompata fuori e viene sostituita da azoto secco. Questo è fondamentale per garantire che i contatti funzionino in un'atmosfera inerte che aiuta a mantenere i contatti privi di corrosione, eliminare la resistenza dell'aria e renderli di lunga durata.

Come funziona

Il funzionamento di base di un interruttore reed può essere compreso dalla seguente spiegazione

Quando un campo magnetico viene introdotto vicino a un interruttore reed da un magnete permanente o da un elettromagnete, le canne essendo ferromagnetiche si trasformano in una parte della sorgente magnetica. Questo fa sì che le estremità delle ance acquisiscano polarità magnetica opposta.

Se il flusso magnetico è sufficientemente forte, attira le canne l'una verso l'altra in misura tale da superare la loro rigidità di serraggio e le loro due estremità stabiliscono un contatto elettrico al centro del tubo di vetro.

Quando il campo magnetico viene rimosso, le ance perdono il loro potere di tenuta e le strisce tornano nella loro posizione originale.

Isteresi interruttore reed

Come lo sappiamo isteresi è un fenomeno in cui il sistema non è in grado di attivarsi e disattivarsi in un determinato punto fisso.

Ad esempio, per un 12 V relè elettrico , il punto di attivazione può essere 11 V, ma il suo punto di disattivazione può essere da qualche parte intorno a 8,5 V, questo intervallo di tempo tra i punti di attivazione e disattivazione è noto come isteresi.

Allo stesso modo, per un interruttore a lamella, la disattivazione delle sue canne può richiedere che il magnete venga spostato molto più lontano dal punto in cui era stato inizialmente attivato.

L'immagine seguente spiega chiaramente la situazione

In genere, un interruttore reed si chiude quando il magnete viene portato a una distanza di 1 pollice da esso, ma potrebbe essere necessario spostare il magnete di circa 3 pollici di distanza per aprire i contatti alla sua forma originale, a causa dell'isteresi magnetica.

Correzione dell'effetto di isteresi nell'interruttore reed

Il problema di isteresi di cui sopra può essere ridotto in misura maggiore semplicemente introducendo un altro magnete con poli N / S invertiti sul lato opposto dell'interruttore reed, come mostrato di seguito:

Assicurarsi che il magnete fisso del lato sinistro non si trovi all'interno del campo di attrazione dell'interruttore, piuttosto a una certa distanza, altrimenti l'ancia rimarrà chiusa e si aprirà solo quando il magnete del lato destro viene portato troppo vicino all'ancia.

Pertanto, la distanza del magnete fisso deve essere sperimentata con alcuni tentativi ed errori fino a ottenere il giusto differenziale e l'ancia si attiva bruscamente in un punto fisso dal magnete in movimento.

Creazione di un interruttore reed di tipo 'normalmente chiuso'

Dalle discussioni precedenti sappiamo che tipicamente i contatti di un interruttore reed sono di tipo 'normalmente aperto'.

Le canne si chiudono se si tiene un magnete vicino al corpo del dispositivo. Tuttavia, in alcune applicazioni potrebbe essere necessario che l'ancia sia 'normalmente chiusa' o accesa e si spenga in presenza di un campo magnetico.

Ciò può essere facilmente ottenuto polarizzando il dispositivo con un magnete vicino complementare come mostrato di seguito, oppure utilizzando un interruttore reed di tipo SPDT a 3 terminali come indicato nel secondo diagramma di seguito.

Nella maggior parte dei sistemi in cui un interruttore reed viene azionato tramite 'un magnete permanente, il magnete è installato su un elemento in movimento e l'ancia è installato su una piattaforma fissa o costante'.

Tuttavia, potresti trovare diversi programmi in cui sia il magnete che l'ancia devono essere posizionati su una piattaforma fissa. Il funzionamento ON / OFF della lamella in tali casi si ottiene quindi distorcendo il campo magnetico con l'ausilio di un agente ferroso in movimento esterno, come spiegato nel paragrafo successivo.

Implementazione del funzionamento con lamella fissa / magnete

In questa configurazione il magnete e l'ancia sono tenuti molto vicini, il che consente ai contatti reed di essere in una situazione normalmente chiusa, e si apre non appena l'agente ferroso deformante esterno si sposta tra l'ancia e il magnete.

D'altra parte, lo stesso concetto può essere applicato per ottenere esattamente i risultati opposti. Qui, il magnete è regolato in una posizione che è appena sufficiente per mantenere l'ancia in posizione normalmente aperta.

Non appena l'agente ferroso esterno viene spostato tra l'ancia e il magnete, la forza magnetica viene potenziata e rinforzata dall'agente ferroso che tira istantaneamente l'interruttore a lamella e lo attiva.

Piani operativi di un interruttore Reed

La figura seguente mostra diversi piani lineari di funzionamento per un interruttore reed. Se spostiamo il magnete su uno dei piani a-a, b-b e c-c, l'ancia funzionerà normalmente. Tuttavia, la selezione del magnete può essere piuttosto cruciale se la modalità di funzionamento è attraverso il piano b-b.

Inoltre, potresti riscontrare un innesco spurio o falso della canna dovuto a picchi negativi dalla curva del modello di campo del magnete.

In situazioni in cui i picchi negativi sono alti, le ance possono accendersi / spegnersi più volte mentre il magnete si sposta attraverso la lunghezza da estremità a estremità dell'ancia.

Anche l'attivazione dell'ancia attraverso un movimento rotatorio può essere implementata con successo.

Per ottenere ciò, puoi utilizzare tra i tanti allestimenti mostrati di seguito:

FIGURA A

FIGURA B

FIGURA C

È anche possibile utilizzare un movimento rotatorio per attivare un interruttore reed impostato. Nelle figure A e B, gli interruttori reed sono installati in una posizione fissa, mentre i magneti sono fissati con il disco rotante che fa sì che i magneti si muovano oltre l'interruttore reed ad ogni rotazione, commutando il reed ON / OFF corrispondentemente.

Nella figura C, il magnete e l'interruttore reed sono entrambi fissi, mentre una camma di schermatura magnetica appositamente intagliata viene ruotata tra di loro in modo tale che la camma tagli il campo magnetico alternativamente ad ogni rotazione provocando l'apertura e la chiusura dell'ancia nella stessa sequenza

Il movimento rotatorio può anche essere utilizzato per azionare un interruttore a lamella, in A e B gli interruttori sono fissi ei magneti ruotano. Negli esempi C e D sia gli interruttori che i magneti sono fissi e l'interruttore funziona ogniqualvolta la parte ritagliata dello schermo magnetico si trova tra il magnete e l'interruttore.

Le velocità di commutazione possono essere regolate da un secondo a ben oltre 2000 al minuto semplicemente modificando la velocità del disco rotante.

Vita operativa degli interruttori reed

Gli interruttori Reed sono progettati per avere una durata di vita estremamente elevata che può variare da 100 milioni a 1000 milioni di operazioni di apertura / chiusura.

Tuttavia, questo può essere vero solo fintanto che la corrente è bassa, se la corrente di commutazione attraverso i contatti reed supera il valore nominale massimo, allora la stessa reed potrebbe guastarsi entro poche operazioni.

In genere, gli interruttori reed sono classificati per funzionare con corrente entro un intervallo da 100 mA a 3 Amp a seconda delle dimensioni del dispositivo.

Il valore massimo tollerabile è specificato per carichi puramente resistivi. Se il carico è capacitivo o induttivo, in tal caso i contatti dell'interruttore reed devono essere sostanzialmente ridotti o un'adeguata protezione soppressore e protezione da campi elettromagnetici inversi applicata ai terminali reed, come mostrato di seguito:

Aggiunta di protezione contro i picchi induttivi

Uno qualsiasi dei quattro semplici metodi di cui sopra è impiegato per consentire la protezione di un interruttore reed da picchi di corrente induttivi o capacitivi.

Per un carico induttivo come una bobina del relè con un'alimentazione CC, un semplice shunt del resistore valutato a 8 volte più della bobina del relè sarà appena sufficiente per mantenere il relè reed al sicuro dalle EMF della bobina del relè, come mostrato nella figura A.

Anche se questo può aumentare leggermente il flusso di corrente al minimo nell'ancia, ma ciò non danneggerà comunque l'ancia.

L'ersistor può essere sostituito con un condensatore anche per abilitare un analogo tipo di protezione, come mostrato in figura B.

Tipicamente, viene applicata una rete di protezione del condensatore resistore come indicato nella figura C, nel caso in cui l'alimentazione sia AC. Il resistore può essere un 150 ohm 1/4 watt e il condensatore può essere qualsiasi cosa tra 0,1 uF e 1 uF.

Questo metodo si è dimostrato il più efficace ed è riuscito a proteggere l'ancia dalla commutazione dell'avviatore del motore per oltre un milione di operazioni.

Il valore R e C può essere determinato mediante la seguente formula

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

Dove E è la corrente a circuito chiuso ed E è la tensione a circuito aperto della rete.

Nella figura C possiamo vedere un diodo collegato attraverso l'ancia. Questa protezione funziona bene nei circuiti CC con carico induttivo, sebbene la polarità del diodo debba essere implementata correttamente.

Reed Swithcing ad alta corrente

Nelle applicazioni che richiedono la commutazione di correnti elevate utilizzando un interruttore reed, viene utilizzato un circuito triac per commutare il carico di corrente pesante e un interruttore reed viene utilizzato per controllare la commutazione del gate del triac come mostrato di seguito

Poiché la corrente di gate è significativamente inferiore alla corrente di carico, l'interruttore reed funzionerà in modo efficiente e consentirà di commutare il triac con il carico di corrente elevata. Anche un interruttore reed minuto può essere applicato qui e funzionerà senza problemi.

La rete opzionale da 0,1 uF e da 100 ohm RC è una rete snubber per proteggere il triac da picchi induttivi ad alta corrente, se il carico è un carico induttivo.

Vantaggi dell'interruttore reed

Un grande vantaggio dell'interruttore reed è la sua capacità di funzionare in modo molto efficiente commutando basse grandezze di correnti e tensioni. Questo può essere un problema significativo quando viene utilizzato un normale interruttore. Ciò è dovuto alla mancanza di corrente adeguata per eliminare lo strato superficiale resistivo normalmente associato ai contatti dell'interruttore standard.

Al contrario, un interruttore reed grazie alle sue superfici di contatto placcate in oro e all'atmosfera inerte funziona con successo per oltre un miliardo di operazioni senza problemi.

In uno dei test pratici in una rinomata azienda statunitense, quattro interruttori reed sono stati alimentati con 120 sequenze ON / OFF al secondo attraverso un carico funzionante con 500 micro-volt e 100 microampere, cc.

Nel test ciascuna delle ance ha potuto completare 50 milioni di chiusure in modo coerente senza che una singola occasione mostri una resistenza commutata oltre i 5 ohm.

Guasti dell'interruttore a lamella

Sebbene estremamente efficiente, l'interruttore reed può mostrare una tendenza a guastarsi se viene azionato con ingressi di corrente più elevati. La corrente elevata provoca l'erosione dei contatti, cosa che si vede comunemente anche nei normali interruttori.

Questa erosione si traduce in minuscole particelle che sono anche magnetiche per raccogliersi vicino allo spazio tra i contatti e in qualche modo creare un ponte attraverso lo spazio. Questo colmare il divario provoca un cortocircuito e le ance sembrano essere fuse permanentemente.

Quindi in realtà non è dovuto allo scioglimento dei contatti, ma piuttosto al cortocircuito dovuto alla raccolta delle particelle erose che fa sembrare che i contatti delle lamelle sembrino fusi e fusi.

Specifiche per un interruttore reed universale standard

• Tensione massima = 150 V.
• Corrente massima = 2 ampere
• Potenza massima = 25 watt
• Max. resistenza iniziale = 50 milliohm
• Max. resistenza a fine vita = 2 Ohm
• Tensione di rottura di picco = 500 V.
• Velocità di chiusura = 400 Hz
• Resistenza di isolamento = 5000 milliohm
• Intervallo di temperatura = da -55 gradi C a +150 gradi C
• Capacità di contatto = 1,5 pF
• Vibrazione = 10G a 10-55Hz
• Shock = 15G mini mu m
• Vita a carico nominale = 5 x 10 ^ 6 operazioni
• Vita a carico zero = 500 x 10 ^ 6 operazioni

Aree di applicazione

1. Indicatore del livello del liquido dei freni idraulici, dove la fattibilità si basa fondamentalmente su semplicità e facilità d'uso.
2. Conteggio di prossimità , offrendo un approccio incredibilmente semplice alla registrazione del passaggio di oggetti ferrosi attraverso un punto prestabilito.
3. Commutazione dell'interblocco di sicurezza , offrendo stabilità straordinaria e facilità d'uso delle applicazioni a progetti meccanizzati complessi. Qui, gli interruttori reed incorporati vengono utilizzati per collegare un circuito per accendere una spia di avvertimento o per avviare le fasi successive di funzionamento.
4. Commutazione sigillata in ambienti infiammabili , elude la possibilità di combustione anche in atmosfere piene di polvere in cui è difficile fare affidamento su interruttori aperti standard e in particolare in climi freddi in cui gli interruttori regolari potrebbero semplicemente congelarsi.
5. In un ambiente radioattivo , dove il lavoro magnetico aiuta a preservare la credibilità della schermatura.

Alcuni altri circuiti applicativi pubblicati in questo sito

Interruttore a galleggiante : Gli interruttori reed possono essere utilizzati per efficaci interruttori a galleggiante senza corrosione per i regolatori del livello dell'acqua. Poiché gli interruttori reed sono sigillati, il contatto con l'acqua viene evitato e il sistema funziona all'infinito senza problemi.

Allarme gocciolamento paziente : Questo circuito utilizza un interruttore reed per attivare un allarme quando la confezione di gocciolamento collegata a un paziente si svuota. L'allarme consente all'infermiere di conoscere immediatamente la situazione e di sostituire la flebo vuota con una nuova confezione.

Allarme porta magnetico : In questa applicazione, un interruttore reed si attiva o si disattiva quando un magnete adiacente viene spostato dall'apertura o chiusura di una porta. L'allarme avvisa l'utente del funzionamento della porta.

Contatore di avvolgimento del trasformatore : Qui, l'interruttore reed è azionato da un magnete fissato su una ruota di avvolgimento rotante, che consente al contatore di ottenere un segnale di orologio per ogni rotazione dell'avvolgimento dall'attivazione dell'ancia.

Gate Open / Close Controller : Gli interruttori Reed funzionano anche come interruttori di fine corsa a stato solido. In questo circuito di controllo del cancello, l'interruttore reed limita l'apertura o la chiusura del cancello spegnendo il motore ogni volta che il cancello raggiunge i suoi limiti massimi di scorrimento.