מתג קנה - מעגלי עבודה, יישומים

בפוסט זה אנו לומדים באופן מקיף על תפקוד מתג קנים וכיצד ליצור מעגלים פשוטים למתג קנים.

מה זה מתג ריד

מתג ריד הנקרא גם ריד ממסר, הוא מתג מגנטי בעל זרם נמוך עם זוג מגעים נסתר שנסגר ונפתח בתגובה לשדה מגנטי בקרבתו. המגעים מוסתרים בתוך צינור זכוכית וקצותיו מסתיימים מתוך צינור הזכוכית לצורך חיבור חיצוני.

ועם מפרט של כמיליארד פעולות, חיי התפקוד של מכשירים אלה נראים מרשימים מאוד.

יתר על כן, מתגי קנים הם זולים ולכן הם מתאימים לכל סוגי היישומים החשמליים והאלקטרוניים.

מתי הומצא מתג ריד

מתג הקנה הומצא כבר בשנת 1945, על ידי ד'ר וו.ב. אלווד בהיותו מועסק בחברת החשמל המערבית בארה'ב. נראה כי ההמצאה מתקדמת בהרבה מהתקופה בה הומצאה.

מהיתרונות היישומים העצומים שלו המשיכו להיות מעיניהם של המהנדסים האלקטרוניים, עד לתקופות האחרונות שבהן מתגי קנה הופכים לחלק ממימושים אלקטרוניים וחשמליים מכריעים.

איך מתגי ריד עובדים

ביסודו, מתג קנים הוא ממסר מגנטו-מכני. ליתר דיוק, מתג קנה מתחיל כאשר מתקרב אליו כוח מגנטי, מה שמביא לפעולת מיתוג מכנית הנדרשת.

ניתן לחזות במתג ממסר קנים רגיל כפי שמוצג באיור לעיל. הוא מורכב מצמד רצועות פרומגנטיות שטוחות (קנים) הנסגרות הרמטית בצינור זכוכית זעיר.

הקנים מהודקים היטב בשני קצות צינור הזכוכית באופן שקצותיהם החופשיים חופפים מעט במרכזם עם הפרדה של כ 0.1 מ'מ.

במהלך תהליך האיטום האוויר שבתוך הצינור נשאב החוצה ומוחלף בחנקן יבש. זה חיוני בכדי להבטיח כי המגעים יעבדו באווירה אינרטית המסייעת לשמור על המגעים ללא קורוזיה, לבטל את עמידות האוויר ולהפוך אותם לאורך זמן.

איך זה עובד

ניתן להבין את העבודה הבסיסית של מתג קנים מההסבר הבא

כאשר מכניסים שדה מגנטי ליד מתג קנים ממגנט קבוע או ממגנט אלקטרומגנטי, הקנים שהם פרומגנטיים הופכים לחלק מהמקור המגנטי. זה גורם לקצוות הקנים לרכוש קוטביות מגנטית הפוכה.

אם השטף המגנטי חזק מספיק, משוך את הקנים זה לזה במידה שמתגברת על קשיחות ההידוק שלהם, ושני קצוותיהם יוצרים קשר חשמלי במרכז צינור הזכוכית.

כאשר מסירים את השדה המגנטי, הקנים מאבדים מכוח ההחזקה שלהם והפסים קופצים חזרה למצבם המקורי.

היסטריה של מתג ריד

כידוע היסטריה הינה תופעה בה המערכת אינה מסוגלת להפעיל ולהשבית בנקודה קבועה מסוימת.

כדוגמה, עבור 12 וולט ממסר חשמלי , נקודת ההפעלה עשויה להיות 11 וולט, אך נקודת ההפעלה שלה עשויה להיות איפשהו בסביבות 8.5 וולט, זמן הפער בין נקודות ההפעלה וההפעלה מכונה היסטריה.

באופן דומה, עבור מתג קנים, השבתת קני הגינה שלו עשויה לדרוש את הזזת המגנט הרבה יותר רחוק מהנקודה בה הופעל בתחילה.

התמונה הבאה מסבירה את המצב בצורה ברורה

בדרך כלל, מתג קנה ייסגר כאשר המגנט מובא במרחק של 1 אינץ 'ממנו, אך ייתכן שיהיה צורך להזיז את המגנט במרחק של כ- 3 אינץ' כדי לפתוח את המגעים לצורתו המקורית, בגלל היסטריה מגנטית.

תיקון אפקט ההיסטרזה במתג קנים

ניתן להפחית את סוגיית ההיסטרזה שלמעלה במידה והכנסנו מגנט נוסף עם מוטות N / S הפוכים בצד הנגדי של מתג הקנה, המוצג להלן:

וודא שהמגנט הקבוע בצד שמאל אינו נמצא בטווח המשיכה של מתג הקנה, אלא במרחק מה, אחרת הקנה יישאר סגור וייפתח רק כאשר מגנט הצד הימני יתקרב יותר מדי לקנה.

לכן, יש לנסות את מרחק המגנט הקבוע עם ניסוי וטעייה כלשהי עד להשגת ההפרש הנכון, והקנה פועל בצורה חדה בנקודה קבועה על ידי המגנט הנע.

יצירת מתג קנה מסוג 'סגור בדרך כלל'

מהדיונים לעיל אנו יודעים שבדרך כלל אנשי הקשר של מתג קנים הם מסוג 'פתוח בדרך כלל'.

הקנים נסגרים אם מגנט מוחזק קרוב לגוף המכשיר. אך יתכנו יישומים מסוימים שבהם יתכן שיידרש כי הקנה יהיה 'סגור בדרך כלל' או מופעל וכיבוי בנוכחות שדה מגנטי.

ניתן להשיג זאת בקלות על ידי הטיה של המכשיר באמצעות מגנט סמוך משלים כפי שמוצג להלן, או על ידי שימוש במתג קנה מסוג SPDT בעל 3 מסופים, כמצוין בתרשים השני למטה.

ברוב המערכות בהן מתג קנה מופעל באמצעות מגנט קבוע, המגנט מותקן מעל אלמנט נע, והקנה מותקן על גבי פלטפורמה קבועה או קבועה.

עם זאת, ייתכן שתמצא מספר תוכניות בהן יש למקם את המגנט ואת הקנה מעל פלטפורמה קבועה. פעולת ההפעלה / כיבוי של הקנה במקרים כאלה מושגת לאחר מכן על ידי עיוות השדה המגנטי בעזרת חומר ברזל חיצוני נע, כמוסבר בפסקה הבאה.

יישום פעולת קנה / מגנט קבוע

במערך זה המגנט והקנה נשמרים בקרבת מקום באופן משמעותי, מה שמאפשר למגעי הקנה להיות במצב סגור כרגיל, והוא נפתח ברגע שחומר הברזל המעוות החיצוני עובר בין הקנה למגנט.

מצד שני, ניתן ליישם את אותו מושג להשגת תוצאות הפוכות בדיוק. כאן, המגנט מותאם למצב שמספיק בדיוק כדי לשמור על הקנה במצב פתוח בדרך כלל.

ברגע שהסוכן הברזלי החיצוני מועבר בין הקנה למגנט, הכוח המגנטי מתחזק ומחוזק על ידי הסוכן הברזלי אשר מושך מיד את מתג הקנה ומפעיל אותו.

מטוסי הפעלה של מתג קנה

האיור הבא מציג מישורי פעולה לינאריים שונים למתג קנה. אם נעביר את המגנט על פני כל אחד מהמישורים a-a, b-b ו- c-c, יאפשר לקנה לפעול כרגיל. עם זאת, בחירת המגנט יכולה להיות מכריעה למדי אם אופן הפעולה הוא על פני המישור b-b.

בנוסף, יתכן שתגלה קנה מזויף או שקרי המופעל עקב פסגות שליליות בעקומת תבנית השדה של המגנט.

במצבים בהם הפסגות השליליות גבוהות, הקנים עשויים להפעיל / לכבות מספר פעמים כאשר המגנט עובר על פני קצהו עד אורך הקנה.

ניתן ליישם בהצלחה גם את הפעלת הקנה באמצעות תנועה סיבובית.

כדי להשיג זאת, תוכל להשתמש בין הגדרות ההגדרה הרבות המוצגות להלן:

איור א

איור ב

איור ג

אפשר גם להשתמש בתנועת סיבוב להפעלת מתג קנה. באיור A ו- B, מתגי הקנה מותקנים במצב קבוע, ואילו מגנטים מחוברים עם הדיסק המסתובב שגורם למגנטים לעבור על פני מתג הקנה בכל סיבוב, ולהפעיל / לכבות את הקנה בהתאם.

באיור C, המגנט ומתג הקנה שניהם נייר מכתבים, ואילו מצלמת מגן מגנטית מגולפת במיוחד מסתובבת ביניהם כך שהמצלמה חותכת את השדה המגנטי לסירוגין בכל סיבוב וגורמת לאגמון להיפתח ולהיסגר באותו רצף.

ניתן להשתמש בתנועה סיבובית גם להפעלת מתג קנה, ב- A ו- B המתגים נייחים והמגנטים מסתובבים. בדוגמאות C ו- D המתגים והמגנטים הם נייחים והמתג פועל בכל פעם שחיתוך המגן המגנטי נמצא בין מגנט למתג.

ניתן לכוון את קצב המעבר לשנייה אחת ליותר מ -2000 לדקה פשוט על ידי שינוי מהירות הדיסק המסתובב.

חיי תפעול של מתגי קנה

מתגי קנים מתוכננים להיות בעלי אורך חיים גבוה במיוחד אשר עשוי לנוע בין 100 מיליון ל -1,000 מיליון פעולות פתיחה / סגירה.

עם זאת, זה עשוי להיות נכון רק כל עוד הזרם נמוך, אם זרם המיתוג דרך אנשי הקשר של הקנה יעלה על הערך המדורג המקסימלי, אז אותו קנה עלול להיכשל תוך מספר פעולות.

בדרך כלל, מתגי קנה מדורגים לעבוד עם זרם בטווח של 100 mA עד 3 אמפר, תלוי בגודל המכשיר.

הערך המרבי המקסימלי מוגדר עבור עומסים התנגדותיים גרידא. אם העומס הוא קיבולי או אינדוקטיבי, במקרה זה יש להפחית באופן משמעותי את המגעים של מתג הקנה, או להחיל הגנת סנובור והגנת EMF הפוכה על גבי מסופי הקנה, כמוצג להלן:

הוספת הגנה מפני קוצים אינדוקטיביים

כל אחת מארבע השיטות הפשוטות שלעיל משמשת להפעלת הגנה למעבר קנה מפני קוצים של זרם אינדוקטיבי או קיבולי.

עבור עומס אינדוקטיבי כגון סליל ממסר עם אספקת DC, תריס נגד פשוט המדורג פי 8 מסליל הממסר יספיק בדיוק בכדי לשמור על ממסר הקנה מפני EMF של סליל הממסר, כפי שמוצג באיור א '.

אמנם זה עשוי להגדיל מעט את זרימת זרם הסרק בקנה אך בכל מקרה לא יפגע בקנה.

ניתן להחליף את הרסיסטור בקבל המאפשר סוג הגנה דומה, כפי שמוצג באיור ב '.

בדרך כלל, רשת הגנת קבלים נגד מוחלת כמצוין באיור C, במקרה שהאספקה ​​היא זרם חילופין. הנגד יכול להיות 150 אוהם 1/4 וואט, והקבל יכול להיות בין 0.1 uF ל- 1 uF.

הוכחה כי שיטה זו הייתה היעילה ביותר והצליחה לשמור על אבטחת הקנה מפני החלפת מנוע מנועי במשך למעלה ממיליון פעולות.

ניתן לקבוע את הערך R ו- C באמצעות הנוסחה הבאה

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

כאשר E הוא זרם המעגל הסגור ו- E הוא מתח המעגל הפתוח של הרשת.

באיור C אנו יכולים לראות דיודה המחוברת על פני הקנה. הגנה זו עובדת היטב במעגלי DC בעלי עומס אינדוקטיבי, אם כי יש ליישם נכון את הקוטביות של הדיודה.

מתפתל קנה זרם גבוה

ביישומים הדורשים החלפה של זרם כבד באמצעות מתג ריד, נעשה שימוש במעגל טריאק לצורך החלפת עומס הזרם הכבד ומתג קנים משמש לבקרת מיתוג השער של הטריאק כמוצג להלן.

זרם השער נמוך משמעותית מזרם העומס, מתג הקנה יעבוד ביעילות ויאפשר החלפת הטריאק עם עומס הזרם הגבוה. ניתן להחיל כאן אפילו מתג קנה דקה, והוא יעבוד ללא בעיות.

ה- 0.1 uF האופציונלי ו- RC של 100 אוהם הם רשת סנוברית המיועדת להגנה על הטריאק מפני קוצים אינדוקטיביים בעלי זרם גבוה, אם העומס הוא עומס אינדוקטיבי.

היתרונות של מתג ריד

יתרון גדול של מתג הקנה הוא יכולתו לעבוד ביעילות רבה תוך החלפת זרמים ומתחים נמוכים. זו יכולה להיות בעיה משמעותית כאשר משתמשים במתג רגיל. הסיבה לכך היא מחסור בזרם מספק כדי לחסל את שכבת השטח הנגדית הקשורה בדרך כלל למגעי מתג רגילים.

נהפוך הוא, מתג קנים כתוצאה ממשטחי המגע המוזהבים שלו והאווירה האינרטית פועל בהצלחה במשך למעלה ממיליארד פעולות ללא שום בעיות.

באחד המבחנים המעשיים במעבדת חברה אמריקאית נחשבת, הופעלו ארבעה מתגי קנה עם 120 רצפי הפעלה / כיבוי בשנייה באמצעות עומס שעובד עם 500 מיקרו וולט ו- 100 מיקרו אמפר, DC.

במבחן כל אחד מהקנים יכול היה להשלים 50 מיליון סגירות באופן עקבי וללא אירוע אחד שהראה התנגדות מוחלפת מעבר ל -5 אוהם.

כשלים במיתוג קנים

אף על פי שהוא יעיל ביותר, מתג קנים עשוי להראות נטייה להיכשל אם הם מופעלים תחת כניסות זרם גבוהות יותר. זרם גבוה גורם למגעים להישחק, דבר שנראה בדרך כלל גם במתגים רגילים.

שחיקה זו גורמת לחלקיקים זעירים שהם גם מגנטיים להתאסף ליד פער המגעים ואיכשהו ליצור גישור על פני הפער. גישור הפער הזה גורם לקצר חשמלי ונראה כי קני התמזגו באופן קבוע.

כך שלמעשה זה לא נובע מהתכת המגעים, אלא בקיצור עקב איסוף החלקיקים הנשחקים שגורם למגעי הקנה להיראות כאילו הם נמסו והתמזגו.

מפרט למתג רגיל אוניברסלי

• מתח מקסימלי = 150 וולט
• זרם מרבי = 2 אמפר
• הספק מרבי = 25 וואט
• מקסימום התנגדות ראשונית = 50 מיליוניה
• מקסימום עמידות בסוף החיים = 2 אוהם
• מתח פירוק שיא = 500 וולט
• קצב סגירה = 400 הרץ
• עמידות בידוד = 5000 מיליוניה
• טווח טמפרטורות = -55 מעלות צלזיוס עד -150 מעלות צלזיוס
• קיבול מגע = 1.5 pF
• רטט = 10G ב 10-55 הרץ
• הלם = 15 גרם מינימום מיקרומטר
• חיים בעומס מדורג = 5 x 10 ^ 6 פעולות
• חיים בעומס אפס = 500 x 10 ^ 6 פעולות

אזורי יישומים

1. מחוון מפלס נוזל בלמים הידראולי, כאשר ההיתכנות נשענת מיסודה על ישרות וקלות שימוש.
2. ספירת קרבה , המספק גישה פשוטה להפליא להקלטת העברת חפצי ברזל על נקודה קבועה קבועה מראש.
3. מיתוג מנעול בטיחות , המציע יציבות יוצאת דופן וקלות השימוש ביישומים בעיצובים ממוכנים מסובכים. כאן, מתגי קנים משובצים משמשים לחיבור מעגל להדלקת מנורת אזהרה או הנחיה לשלבי הפעולה הבאים.
4. מיתוג אטום בסביבות דליקות , עוקף אפשרות בעירה גם באטמוספרות עמוסות אבק שבהן קשה יהיה לסמוך על מתגים פתוחים סטנדרטיים ובמיוחד במזג אוויר קר שבו מתגים רגילים עשויים פשוט להקפיא.
5. בסביבה רדיואקטיבית , כאשר עבודה מגנטית עוזרת לשמר את אמינות המיגון.

כמה מעגלי יישומים אחרים שפורסמו באתר זה

מתג לצוף : ניתן להשתמש במתגי ריד למתגי בקרת מפלס מים יעילים ללא קורוזיה. מכיוון שמתגי קנה אטומים, נמנע ממגע עם מים והמערכת עובדת לאין ערוך ללא שום בעיות.

אזעקת טפטוף מטופל : מעגל זה משתמש במתג קנים להפעלת אזעקה כאשר חבילת הטפטוף המחוברת למטופל מתרוקנת. האזעקה מאפשרת לאחות לדעת את המצב באופן מיידי ולהחליף את הטפטוף הריק בחבילה חדשה.

אזעקת דלת מגנטית : ביישום זה, מתג קנים מפעיל או מבטל כאשר מגנט סמוך נע באמצעות פתיחה או סגירה של דלת. האזעקה מתריעה בפני המשתמש בדבר פעולת הדלת.

שנאי מונה מתפתל : כאן, מתג הקנה מופעל על ידי מגנט המחובר על גלגל מתלה מסתובב, המאפשר לדלפק לקבל אות שעון לכל סיבוב מתפתל מהפעלת הקנה.

בקר לפתוח / לסגור את השער : מתגי ריד עובדים מעולה גם כמתגי הגבלה של מצב מוצק. במעגל בקר שער זה, מתג הקנה מגביל את פתיחת השער או סגירתו על ידי כיבוי המנוע בכל פעם שהשער מגיע למגבלות ההזזה המקסימליות שלו.