Interruptor de lengüeta: funcionamiento, circuitos de aplicación

En esta publicación, aprendemos de manera integral sobre el funcionamiento de los interruptores de láminas y cómo hacer circuitos simples de interruptores de láminas.

¿Qué es Reed Switch?

El interruptor de láminas, también llamado relé de láminas, es un interruptor magnético de baja corriente con un par de contactos ocultos que se cierran y abren en respuesta al campo magnético cercano. Los contactos están ocultos dentro de un tubo de vidrio y sus extremos terminan fuera del tubo de vidrio para conexión externa.

Y con alrededor de mil millones de especificaciones de funcionamiento, la vida útil de estos dispositivos también parece muy impresionante.

Además, los interruptores de lengüeta son baratos y, por lo tanto, son adecuados para todo tipo de aplicaciones eléctricas y electrónicas.

¿Cuándo se inventó el interruptor Reed?

El interruptor de lengüeta fue inventado allá por el año 1945, por Dr. W.B. Ellwood , mientras trabajaba en Western Electric Corporation, en los EE. UU. La invención parece estar mucho más avanzada que en el período en que se inventó.

Sus inmensas ventajas de aplicación continuaron pasando desapercibidas para los ingenieros electrónicos, hasta los últimos tiempos en que los interruptores de lengüeta se están convirtiendo en parte de muchas implementaciones electrónicas y eléctricas cruciales.

Cómo funcionan los interruptores de lengüeta

Básicamente, un interruptor de láminas es un relé magneto-mecánico. Para ser más precisos, el funcionamiento de un interruptor de lengüeta se inicia cuando se acerca una fuerza magnética, lo que da como resultado la acción de conmutación mecánica requerida.

Se puede observar un interruptor de relé de láminas estándar como se muestra en la figura anterior. Está formado por un par de tiras ferromagnéticas aplanadas (lengüetas) que se sellan herméticamente en un diminuto tubo de vidrio.

Las lengüetas se sujetan firmemente a ambos extremos del tubo de vidrio de tal manera que sus extremos libres se superponen ligeramente en el centro con una separación de aproximadamente 0,1 mm.

Durante el proceso de sellado, el aire dentro del tubo se bombea y se reemplaza por nitrógeno seco. Esto es crucial para garantizar que los contactos funcionen en una atmósfera inerte que ayuda a mantener los contactos libres de corrosión, elimina la resistencia al aire y hace que sea duradera.

Cómo funciona

El funcionamiento básico de un interruptor de láminas se puede entender a partir de la siguiente explicación

Cuando se introduce un campo magnético cerca de un interruptor de láminas, ya sea de un imán permanente o de un electroimán, las láminas que son ferromagnéticas se convierten en parte de la fuente magnética. Esto hace que los extremos de las lengüetas adquieran polaridad magnética opuesta.

Si el flujo magnético es suficientemente fuerte, atraiga las lengüetas entre sí hasta un punto que supere su rigidez de sujeción, y sus dos extremos establecen un contacto eléctrico en el centro del tubo de vidrio.

Cuando se elimina el campo magnético, las lengüetas pierden su poder de sujeción y las tiras vuelven a su posición original.

Histéresis del interruptor de láminas

Como sabemos que histéresis es un fenómeno en el que el sistema no puede activarse y desactivarse en un punto fijo particular.

Como ejemplo, para un 12 V relé eléctrico , el punto de activación puede ser de 11 V, pero su punto de desactivación puede ser de alrededor de 8,5 V, este lapso de tiempo entre los puntos de activación y desactivación se conoce como histéresis.

De manera similar, para un interruptor de lengüeta, la desactivación de sus lengüetas puede requerir que el imán se mueva mucho más lejos del punto en el que se activó inicialmente.

La siguiente imagen explica la situación claramente

Por lo general, un interruptor de láminas se cerrará cuando el imán se coloque a una distancia de 1 pulgada de él, pero es posible que sea necesario mover el imán alrededor de 3 pulgadas para abrir los contactos a su forma original, debido a la histéresis magnética.

Corrección del efecto de histéresis en el interruptor Reed

El problema de histéresis anterior se puede reducir en gran medida simplemente introduciendo otro imán con polos N / S invertidos en el lado opuesto del interruptor de láminas, como se muestra a continuación:

Asegúrese de que el imán fijo del lado izquierdo no esté dentro del rango de tracción del interruptor de lengüeta, sino a cierta distancia; de lo contrario, la lengüeta permanecerá cerrada y se abrirá solo cuando el imán del lado derecho se acerque demasiado a la lengüeta.

Por lo tanto, la distancia del imán fijo debe experimentarse con algo de prueba y error hasta que se logre el diferencial correcto y la lengüeta se active bruscamente en un punto fijo por el imán en movimiento.

Creación de un interruptor de lengüeta de tipo 'normalmente cerrado'

De las discusiones anteriores sabemos que típicamente los contactos de un interruptor de lengüeta son del tipo 'normalmente abierto'.

Las lengüetas se cierran si se coloca un imán cerca del cuerpo del dispositivo. Sin embargo, puede haber ciertas aplicaciones en las que se requiera que la lengüeta esté 'normalmente cerrada' o que se encienda y se apague en presencia de un campo magnético.

Esto se puede lograr fácilmente ya sea polarizando el dispositivo con un imán cercano complementario como se muestra a continuación, o usando un interruptor de lengüeta tipo SPDT de 3 terminales como se indica en el segundo diagrama a continuación.

En la mayoría de los sistemas en los que un interruptor de lengüeta se opera a través de un imán permanente, el imán se instala sobre un elemento móvil y la lengüeta se instala sobre una plataforma fija o constante.

Sin embargo, puede encontrar varios programas en los que tanto el imán como la lengüeta deben colocarse sobre una plataforma fija. La operación de ENCENDIDO / APAGADO de la lengüeta en tales casos se logra distorsionando el campo magnético con la ayuda de un agente ferroso en movimiento externo, como se explica en el siguiente párrafo.

Implementación de la operación de imán / lengüeta fija

En esta configuración, el imán y la lengüeta se mantienen significativamente cerca, lo que permite que los contactos de la lengüeta estén en una situación normalmente cerrada, y se abre tan pronto como el agente ferroso distorsionador externo pasa entre la lengüeta y el imán.

Por otro lado, se puede aplicar el mismo concepto para obtener exactamente los resultados opuestos. Aquí, el imán se ajusta a una posición que es suficiente para mantener la lengüeta en la posición normalmente abierta.

Tan pronto como el agente ferroso externo se mueve entre la lengüeta y el imán, la fuerza magnética aumenta y refuerza por el agente ferroso que instantáneamente tira del interruptor de lengüeta y lo activa.

Planos operativos de un interruptor de láminas

La siguiente figura muestra diferentes planos lineales de operación para un interruptor de láminas. Si movemos el imán a través de cualquiera de los planos a-a, b-b y c-c, permitirá que la lengüeta funcione normalmente. Sin embargo, seleccionar el imán puede ser bastante crucial si el modo de funcionamiento es a través del plano b-b.

Además, puede encontrar un disparo de lengüeta falso o falso debido a picos negativos de la curva del patrón de campo del imán.

En situaciones en las que los picos negativos son altos, las lengüetas pueden encenderse / apagarse varias veces a medida que el imán pasa de un extremo a otro de la lengüeta.

La activación de la lengüeta mediante un movimiento de rotación también se puede implementar con éxito.

Para lograr esto, puede utilizar entre las muchas configuraciones que se muestran a continuación:

FIGURA A

FIGURA B

FIGURA C

También es posible utilizar un movimiento de rotación para activar una configuración de interruptor de lengüeta. En las figuras A y B, los interruptores de lengüeta están instalados en una posición fija, mientras que los imanes están unidos con el disco giratorio, lo que hace que los imanes se muevan más allá del interruptor de lengüeta en cada rotación, activando y desactivando la lengüeta correspondientemente.

En la figura C, el imán y el interruptor de lengüeta son fijos, mientras que una leva de escudo magnético especialmente tallada se gira entre ellos de modo que la leva corta el campo magnético alternativamente en cada rotación, lo que hace que la lengüeta se abra y se cierre en la misma secuencia.

El movimiento rotatorio también se puede utilizar para accionar un interruptor de lengüeta. En A y B, los interruptores están estacionarios y los imanes giran. En los ejemplos C y D, tanto los interruptores como los imanes están estacionarios y el interruptor funciona siempre que la parte cortada del escudo magnético esté entre el imán y el interruptor.

Las tasas de cambio se pueden ajustar de un segundo a más de 2000 por minuto simplemente cambiando la velocidad del disco giratorio.

Vida útil de los interruptores de lengüeta

Los interruptores de lengüeta están diseñados para tener una vida útil extremadamente alta, que puede oscilar entre 100 millones y 1000 millones de operaciones de apertura / cierre.

Sin embargo, esto puede ser cierto solo mientras la corriente sea baja, si la corriente de conmutación a través de los contactos de lengüeta excede el valor nominal máximo, entonces la misma lengüeta puede fallar en unas pocas operaciones.

Por lo general, los interruptores de lengüeta están clasificados para funcionar con corriente dentro de un rango de 100 mA a 3 amperios, según el tamaño del dispositivo.

El valor máximo tolerable se especifica para cargas puramente resistivas. Si la carga es capacitiva o inductiva, en ese caso, los contactos del interruptor de lengüeta deben reducirse sustancialmente o se debe aplicar una protección de amortiguación adecuada y protección contra EMF inversa a través de los terminales de lengüeta, como se muestra a continuación:

Agregar protección contra picos inductivos

Cualquiera de los cuatro métodos simples anteriores se emplea para habilitar la protección de un interruptor de lengüeta contra picos de corriente inductivos o capacitivos.

Para una carga inductiva, como una bobina de relé con suministro de CC, una simple derivación de resistencia nominal de 8 veces más que la bobina de relé será suficiente para mantener el relé de lengüeta a salvo de los EMF de la bobina del relé, como se muestra en la figura A.

Aunque esto puede aumentar ligeramente el flujo de corriente inactiva en la lengüeta, eso no dañará la lengüeta de todos modos.

El ersistor se puede reemplazar con un capacitor también para habilitar un tipo de protección similar, como se muestra en la figura B.

Por lo general, se aplica una red de protección de condensadores de resistencia como se indica en la figura C, en caso de que el suministro sea CA. La resistencia puede ser de 150 ohmios 1/4 vatio, y el condensador puede tener entre 0,1 uF y 1 uF.

Se ha demostrado que este método es el más eficaz y ha logrado mantener la lengüeta a salvo de la conmutación del arrancador de motor durante más de un millón de operaciones.

El valor R y C se puede determinar mediante la siguiente fórmula

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

Donde E es la corriente de circuito cerrado y E es el voltaje de circuito abierto de la red.

En la figura C podemos ver un diodo conectado a través de la lengüeta. Esta protección funciona bien en circuitos de CC con carga inductiva, aunque la polaridad del diodo debe implementarse correctamente.

Cambio de lengüeta de alta corriente

En aplicaciones que requieren conmutación de alta corriente usando un interruptor de láminas, se emplea un circuito triac para cambiar la carga de corriente pesada y un interruptor de láminas se usa para controlar la conmutación de compuerta del triac como se muestra a continuación

Siendo la corriente de la puerta significativamente menor que la corriente de carga, el interruptor de láminas funcionará de manera eficiente y permitirá que el triac se cambie con la carga de alta corriente. Incluso se puede aplicar un interruptor de lengüeta diminuto aquí, y funcionará sin problemas.

El RC opcional de 0.1 uF y 100 ohmios es una red amortiguadora para proteger el triac contra picos inductivos de alta corriente, si la carga es una carga inductiva.

Ventajas del interruptor Reed

Una gran ventaja del interruptor de láminas es su capacidad para funcionar de manera muy eficiente mientras se conmutan bajas magnitudes de corrientes y voltajes. Esto puede ser un problema importante cuando se usa un interruptor regular. Esto se debe a la falta de corriente adecuada para eliminar la capa superficial resistiva normalmente asociada con los contactos de interruptor estándar.

Por el contrario, un interruptor de lengüeta como resultado de sus superficies de contacto chapadas en oro y su atmósfera inerte funciona con éxito durante más de mil millones de operaciones sin ningún problema.

En una de las pruebas prácticas en el laboratorio de una empresa de renombre de EE. UU., Se alimentaron cuatro interruptores de lengüeta con 120 secuencias de encendido / apagado por segundo a través de una carga que funcionaba con 500 microvoltios y 100 microamperios, CC.

En la prueba, cada una de las lengüetas pudo completar 50 millones de cierres de manera consistente sin que una sola ocasión mostrara una resistencia conmutada superior a 5 ohmios.

Fallos del interruptor de láminas

Aunque es extremadamente eficiente, el interruptor de láminas puede mostrar una tendencia a fallar si se opera con entradas de corriente más altas. La alta corriente hace que los contactos se erosionen, lo que también se ve comúnmente en los interruptores regulares.

Esta erosión da como resultado partículas diminutas que también son magnéticas para acumularse cerca del espacio de los contactos y de alguna manera crear un puente a través del espacio. Este puenteo del espacio provoca un cortocircuito y las lengüetas parecen estar fundidas permanentemente en ON.

Entonces, en realidad, no se debe a la fusión de los contactos, sino al cortocircuito debido a la acumulación de partículas erosionadas que hace que parezca que los contactos de lengüeta se han derretido y fundido.

Especificaciones para un interruptor de lengüeta universal estándar

• Voltaje máximo = 150 V
• Corriente máxima = 2 amperios
• Potencia máxima = 25 vatios
• Max. resistencia inicial = 50 miliohms
• Max. resistencia al final de la vida útil = 2 ohmios
• Voltaje máximo de ruptura = 500 V
• Tasa de cierre = 400 Hz
• Resistencia de aislamiento = 5000 miliohmios
• Rango de temperatura = -55 grados C a +150 grados C
• Capacitancia de contacto = 1,5 pF
• Vibración = 10G a 10-55Hz
• Choque = 15G mini mu m
• Vida a carga nominal = 5 x 10 ^ 6 operaciones
• Vida a carga cero = 500 x 10 ^ 6 operaciones

Áreas de aplicación

1. Indicador de nivel de líquido de frenos hidráulicos, donde la viabilidad se basa fundamentalmente en la sencillez y la facilidad de uso.
2. Conteo de proximidad , que ofrece un enfoque increíblemente simple para registrar el paso de objetos ferrosos a través de un punto predeterminado establecido.
3. Conmutación de interbloqueo de seguridad , que ofrece una estabilidad extraordinaria y facilidad de uso de aplicaciones para diseños intrincadamente mecanizados. Aquí, los interruptores de lengüeta integrados se utilizan para conectar un circuito para encender una lámpara de advertencia o indicar las siguientes etapas de operación.
4. Conmutación sellada en entornos inflamables , evita la posibilidad de combustión también en atmósferas llenas de polvo donde los interruptores abiertos estándar podrían ser difíciles de confiar y particularmente en climas fríos donde los interruptores regulares simplemente pueden congelarse.
5. En entornos radiactivos , donde el trabajo magnético ayuda a preservar la credibilidad del blindaje.

Algunos otros circuitos de aplicación publicados en este sitio web

Interruptor de flotador : Los interruptores de lengüeta se pueden utilizar para controles de nivel de agua de interruptores de flotador libres de corrosión eficaces. Dado que los interruptores de lengüeta están sellados, se evita el contacto con el agua y el sistema funciona infinitamente sin problemas.

Alarma de goteo del paciente : Este circuito utiliza un interruptor de lengüeta para activar una alarma cuando el paquete de goteo conectado a un paciente se vacía. La alarma permite a la enfermera conocer la situación de inmediato y reemplazar el goteo vacío por un nuevo paquete.

Alarma de puerta magnética : En esta aplicación, un interruptor de lengüeta se activa o desactiva cuando un imán adyacente se mueve al abrir o cerrar una puerta. La alarma alerta al usuario sobre el funcionamiento de la puerta.

Contador de bobinado del transformador : Aquí, el interruptor de lengüeta es operado por un imán unido a una rueda giratoria, lo que permite que el contador obtenga una señal de reloj para cada rotación de bobinado desde la activación de la lengüeta.

Controlador de puerta abierta / cerrada : Los interruptores Reed también funcionan muy bien como interruptores de límite de estado sólido. En este circuito controlador de puerta, el interruptor de láminas limita la apertura o el cierre de la puerta apagando el motor cada vez que la puerta alcanza sus límites máximos de deslizamiento.