小功率計量用舌簧開關(guān)技術(shù)的五個主要優(yōu)點

黃 正 編譯

(中國電子科技集團第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

當談及諸如水表和氣表之類的小功率計量應(yīng)用時，工程師們認為，具有現(xiàn)代工藝水平的解決方案是處理位置傳感難題最好的方法。他們選擇最新和最好的技術(shù)時，因為其靈敏度、耐久性和可靠性，可以選擇固態(tài)磁阻(MR)或霍爾效應(yīng)傳感器。雖然這些創(chuàng)新性技術(shù)具有某些優(yōu)點，但它們與成熟的舌簧開關(guān)技術(shù)優(yōu)勢相比就顯得蒼白失色。幾十年來，舌簧開關(guān)一直在用于小功率、電池驅(qū)動的應(yīng)用，且理由充足。

本文探討了這一技術(shù)的五個主要優(yōu)點，包括其操作功率小、使用功率公差緊、磁靈敏度開關(guān)點精確及內(nèi)在的開關(guān)點滯后作用。此外，舌簧開關(guān)允許簡單定制靈敏度及其它特定應(yīng)用的要求。全球范圍對舌簧開關(guān)技術(shù)的需求增加及其在多種不同場合中的應(yīng)用確認了該技術(shù)在傳感和控制器市場的關(guān)鍵地位。

2 小功率計量應(yīng)用的要求

氣表和水表適合自動儀表讀取(AMR)設(shè)備，要求傳感器使用極小的功率。水和氣的使用經(jīng)常通過附加到旋轉(zhuǎn)軸上的磁鐵來測量。每一次旋轉(zhuǎn)都轉(zhuǎn)換為電信號并通過嵌入式控制器來累計。

在這些設(shè)備中，小功耗是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。并且，這些儀表的預(yù)計壽命一般是20年無需更換電池。因此，保存電池功率是延長電源可用壽命的關(guān)鍵。

3 固態(tài)傳感技術(shù)

正如所提及的，某些設(shè)計工程師選擇固態(tài)傳感技術(shù)，包括MR和霍爾效應(yīng)傳感器，用于小功率計量場合。MR傳感器是單片集成電路器件，具有內(nèi)置的阻性元件與互補金屬氧化物半導體(CMOS)電路相配對。當暴露于磁場時，MR器件的電阻相對磁場的方向改變。電阻的這一改變可用來檢測外加磁場的變化。MR傳感器可以用作非接觸開關(guān)，電流消耗極低，靈敏度和可靠性都很高。然而，典型的MR傳感器連續(xù)地汲取少量的電流。

霍爾效應(yīng)傳感器是基于半導體的傳感器，它改變輸出電壓以響應(yīng)磁場的變化。像MR傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器連續(xù)提取少量的電流。MR和霍爾效應(yīng)傳感器對許多小功率、電池驅(qū)動的應(yīng)用并不理想，因為它們并不滿足對精度和功率的嚴格要求。

4 舌簧開關(guān)技術(shù)

雖然舌簧開關(guān)被認為是成熟的技術(shù)，但因為它的結(jié)構(gòu)簡單和性能可靠，舌簧開關(guān)仍然是小功率場合的流行選擇。舌簧開關(guān)是一種由外加磁場驅(qū)動的電氣開關(guān)。該開關(guān)由兩個或三個稱之為舌簧的薄金屬片組成，在以一個小距離分開的尖端上有電鍍的觸點。

舌簧一般封閉在填滿惰性氣體的密封玻璃管中。來自磁鐵或電磁鐵的磁場使舌簧偏轉(zhuǎn)，接通或分斷開關(guān)觸點。圖1示出了各種不同的舌簧開關(guān)元件。圖2示出了舌簧開關(guān)在水表或氣表在流量檢測部分中的位置。

圖1 舌簧開關(guān)元件

圖2 舌簧開關(guān)用作水表或氣表的測量儀器

4 舌簧開關(guān)技術(shù)的五個優(yōu)點

4.1 工作功率小

舌簧開關(guān)所要求的功率較MR和霍爾效應(yīng)傳感器要低很多。這些微功率傳感技術(shù)通過使用低負載循環(huán)數(shù)的主動傳感達到小功率，主動傳感要求提取恒定的電流以運行一個內(nèi)部振蕩器。

對比之下，舌簧開關(guān)是不需要任何功率就工作的無源元件。一個低功率舌簧開關(guān)結(jié)構(gòu)涉及使用兩個舌簧開關(guān)與場效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)相組合，見圖3所示。當其中一個開關(guān)檢測運動時，可以設(shè)計舌簧開關(guān)以真正的零功率感應(yīng)旋轉(zhuǎn)運動。

圖3 兩個舌簧開關(guān)與FET組合使用

圖3 中，M=磁鐵;SW1和SW2=舌簧開關(guān)。當SW1閉合時，SW2打開。Q1關(guān)斷以阻止功耗。當SW2閉合時，微控制器醒來，將Q2關(guān)斷，Q1接通，使之回到睡眠。當SW1閉合時，出現(xiàn)類似序列的事件。

作為選擇，已經(jīng)在系統(tǒng)中的微控制器可以10Hz的速率輪詢舌簧開關(guān)觸點，平均電流提取在大約10μs/100ms×10μA=1nA。

舌簧開關(guān)提供較任何其它相競爭的技術(shù)能夠帶來低很多的功耗，通過減小電池尺寸要求明顯減小了成本。在功率敏感的場合，舌簧開關(guān)是最大化功率效率的最好解決方案。

圖4 用輪詢法獲得超低功率

4.2 嚴格的功率使用容差

固態(tài)器件有典型工作電流和最大工作電流。良好的設(shè)計慣例考慮最壞情況值。如果它們要求從電池提取更多的電流并減小產(chǎn)品的壽命，更大的固態(tài)感應(yīng)器件最大電流可能會出問題。

對比之下，舌簧開關(guān)的電流提取是由電阻器和電源軌設(shè)定的。對工作電流，舌簧開關(guān)的典型電源和電阻器公差較固態(tài)器件規(guī)范要嚴得多。

例如，微功率霍爾效應(yīng)傳感器可能具有的典型平均工作電流為5μA，但最壞平均工作電流為10μA。納功率 MR傳感器可能具有 310nA(0.31μA)的典型平均工作電流，但最壞情況下的平均工作電流為6350 nA(6.35μA)。

相比之下，連續(xù)操作的舌簧開關(guān)電路，一半時間是閉合的，采用1MΩ上拉電阻器和3V電源，將具有典型平均工作電流1.5μA。它也將具有1.66μA的最壞情況下平均工作電流。這樣假定電源和電阻器的公差為5%。在這個例子當中，甚至在使用像在上面所描述技術(shù)一樣的節(jié)約功率的技術(shù)之前，舌簧開關(guān)具有最低的最壞情況功耗。

4.3 精密的磁靈敏度開關(guān)點

舌簧開關(guān)的一個重要特性之一是它的靈敏度或為驅(qū)動它所需磁場的大小。舌簧開關(guān)靈敏度的測量采用安－匝(AT)為單位，相應(yīng)于匝數(shù)乘以線圈電流。

典型的上拉(吸合)靈敏度范圍在8～40 AT。雖然舌簧開關(guān)的磁靈敏度規(guī)定以AT為單位，但近似的關(guān)系指出1AT=1高斯，等于0.1毫特斯拉(mT)。

舌簧開關(guān)的磁靈敏度開關(guān)點較固態(tài)數(shù)字開關(guān)更加精確。當設(shè)計系統(tǒng)在所有工作條件下運行時，高精度特別重要。例如，可以規(guī)定舌簧開關(guān)靈敏度在18～22 AT。這具有相對靈敏度范圍(22～18)/20=20%或±10%。

相比之下，微功率霍爾效應(yīng)傳感器可具有的靈敏度范圍在25～55高斯(2.5～5.5 mT)，作為結(jié)果的相對靈敏度范圍為75% 或±37%。納功率MR傳感器可具有的靈敏度范圍在6～20高斯(0.6～2.0 mT)，作為結(jié)果的相對靈敏度范圍為108%或±54%。

4.4 定制簡單

普通固態(tài)微型和毫微型磁開關(guān)制作為放之四海而皆準的(完全通用的)。這些開關(guān)通常提供一個、二個甚至三個寬(不精確的)靈敏度范圍。如果該靈敏度或更新速率沒有滿足應(yīng)用的要求，那么很難得到提供更加嚴密的靈敏度范圍的定制解決方案。

相比之下，舌簧開關(guān)具有廣泛可用的定制靈敏度范圍，可以按特定應(yīng)用的要求定制。例如，一項應(yīng)用可能需要8～11AT的靈敏度范圍，而另一項應(yīng)用可能需要25～30AT。這個通用性水平在固態(tài)磁傳感器件中是達不到的。

加之，還提供舌簧開關(guān)的定制如機械封裝和端接選擇，以方便這些傳感器適應(yīng)多種廣泛的應(yīng)用。舌簧開關(guān)觸點選擇包括常開、常閉和單極雙擲(SPDT)。

微型和毫微型功率固態(tài)開關(guān)不可連續(xù)工作。在開關(guān)睡眠時間，不會感應(yīng)磁場，輸出也沒有更新。如果睡眠時間為100 ms，那么輸出每秒更新10次。如果被感應(yīng)的該磁鐵移動太快，那么該傳感器的輸出將無法趕上，從而導致傳感錯誤。舌簧開關(guān)不會睡眠，因此它們可以用于每秒幾百次的速度。

4.5 固有的開關(guān)點磁滯作用

相對于傳感器技術(shù)，磁滯作用規(guī)定為在器件的吸合(輸出“接通”)點和釋放(輸出“斷開”)點之間磁場水平的差。某些大小的磁滯作用在測量應(yīng)用中非常重要，在此被感知的運動可以在旋轉(zhuǎn)循環(huán)的任意點上停止。如果沒有磁滯作用，在磁場中極小的變化可能造成輸出中未曾料到的變化以及測量誤差。

小的磁場變化可能是由于附近的電流，亦即電力線、電機等造成的，或者是由于地磁場中金屬運動造成的。地磁場的強度為0.25 ～0.65 高斯(0.025 ～0.065 mT)。這些不受控磁場限制了健壯設(shè)計所要求的最小磁滯作用和傳感器的有用靈敏度。高的磁靈敏度可用于電子羅盤，但不用于接近傳感器。

最小磁滯作用是設(shè)計健壯測量應(yīng)用中的重要考慮。在固態(tài)磁傳感器中，必須把磁滯作用加在傳感元件利用電路上，這意味著它將被固定并且難以控制。相比之下，由于其磁發(fā)電機－機械設(shè)計，舌簧開關(guān)具有內(nèi)在的磁滯作用，因此向計量應(yīng)用遞送增強的可靠性。

5 舌簧開關(guān)在傳感和控制器市場中的地位

舌簧開關(guān)是成熟的技術(shù)，具有很長的記錄歷史。它們氣密密封的觸點對它們在許多電子應(yīng)用中的使用貢獻極大。它們提供可靠的數(shù)據(jù)而無需物理接觸，甚至在不利的含有塵土、振動、濕氣、煤氣和油的環(huán)境中。它們成熟的耐久性和可靠性已經(jīng)使得它們成為幾個苛求場合的流行選擇，其中包括汽車安全產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、安全、效用計量、消費電子產(chǎn)品和白色家電/電器。

舌簧開關(guān)還提供擴展的產(chǎn)品壽命循環(huán)。因為舌簧開關(guān)只有彎曲的內(nèi)部元件，電完全抑制在舌簧和引線上，它并沒有與機械磨損相關(guān)的失效模式。對于某些電負載，工作壽命超過50年，切換循環(huán)達10億次。對舌簧開關(guān)技術(shù)的全球需求已繼續(xù)增加到超過每年10億只。為了響應(yīng)這一需求，制造商們正在對舌簧開關(guān)做出產(chǎn)品改進以繼續(xù)滿足市場的變化需求。

6 結(jié)論

當設(shè)計小功率計量應(yīng)用時，舌簧開關(guān)技術(shù)較固態(tài)傳感技術(shù)提供了眾多的好處。其工作的功率小、使用功率允差緊、磁靈敏度開關(guān)點精確、內(nèi)在的開關(guān)點磁滯作用及定制簡單，使得它是一個靈活的、可靠的技術(shù)。

它的氣密密封的觸點和延長的工作壽命，使得它成為眾多應(yīng)用的有魅力的選擇，其中包括那些具有危險情況的應(yīng)用。隨著幾十年成熟的表現(xiàn)，舌簧開關(guān)的應(yīng)用和需求將繼續(xù)增長并隨著電子技術(shù)和機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展而擴大。