汞膜开关管——新颖的汞润触点开关管

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随着我国科技和经济的发展,汞润触点开关管和继电器以其优良的性能得到越来越广泛的应用。通常的汞润触点开关管(又称湿簧管)结构如图1所示。此类开关管有以下两个缺点:1.由于外壳是用玻璃制成,必将导致其耐冲击、耐振动的性能下降。2.由于管底部水银池的存在,使它的使用方位角度限制在倾斜角30°之内。正因为如此,使它在许多方面的应用受到了很大的限制。

图1
图1 🔍原图 (608×685)

为了克服以上缺点,一种新型结构的汞膜开关管在国内已研制出来,其结构如图2所示。其特点是:

图2
图2 🔍原图 (793×476)

1.用金属导磁外壳替代玻璃外壳,以提高开关管的耐冲击、耐振动性能,并可在环境恶劣的场合下使用。

2.用汞膜替代汞池,依靠水银的表面张力吸附在金属表面上,使其不能任意流动,从而既保持了汞润触点的优点,又能使开关管在任何方位上使用。

另外,这种汞膜开关管的膜片兼有通常的湿簧管中的衔铁、动触点和弹簧钢带3个关键部件的功能,从而简化了结构,减少了零部件,大大提高了开关管的可靠性。

工作原理及技术参量

这种开关管可由通电螺管线圈激励,亦可由磁钢激励。以螺管线圈激励开关管(见图3)为例。当激励线圈通以电流时,所产生的磁场在开关管内部及外部的磁通分布如图3中虚线所示。若工作气隙δ所通过的磁通为φ\(_{δ}\),φδ在膜片与静触点间产生的吸力F\(_{δ}\)由下式求得:

F\(_{δ}\)=5.1×10\(^{-}\)8φδ2dG\(_{δ}\)/dδ

图3
图3 🔍原图 (471×335)

这里dG\(_{δ}\)/dδ是工作气隙磁导对工作气隙的导数。激励电流I愈大,φδ愈大,导致F\(_{δ}\)愈大。当I≥Ix时(I\(_{x}\)为吸合电流),膜片在电磁吸力作用下发生弯曲并与静触点吸合。当I≤If(I\(_{f}\)<Ix)时(I\(_{f}\)为释放电流),吸力减小,弯曲的膜片在机械反力的作用下克服吸力,离开静触点而释放,从而完成了开关一次通断的过程。

当将一磁钢放置在开关管附近时(见图4),同样在工作气隙处产生磁场。同理,当这一磁场足够强时,也可使膜片与静触点吸合,反之则释放。由此可见,这类开关管同样可用磁钢来激励,以作为触点性能优良的磁控开关使用。

图4
图4 🔍原图 (735×439)
图5
图5 🔍原图 (1145×340)

上表列出的是西安交通大学电子工程系研制的汞膜开关管的主要参量。

应用举例

汞膜开关管的广泛应用这里不能一一列举,仅举几个方面以说明其应用的特点。

1.使用上可与通常的湿簧管兼容

由于汞膜开关管保持了通常的湿簧管所具有的优点,因此,凡是通常湿簧管能使用的场合,汞膜开关管均能使用。

2.可用于高精度电路的开关

汞膜开关管的接触电阻小而长期稳定,利用这一特点,可用在精密测量和控制设备中。例如在PROM(可编程序只读存储器)程序设置中,若采用普通电磁继电器或晶体管,则当触点间的电压降超过20mV时,就会降低设备的精度。而采用汞膜开关管,可以很好地解决因接触电阻变化而引起的误差,从而能满足长期稳定的精度要求,且因其不受放置角度的限制,使用及维修十分方便。

3.可用于转动机械的计数

由于汞膜开关管的触点无回跳,可产生一个无回跳的脉冲,并可任意角度工作,因此可以很方便地、可靠地进行转动机械的计数。例如,利用装在螺旋桨流量计叶片上的磁钢来激励汞膜开关管,产生一方波脉冲而准确控制流量(如图5所示)。还可直接与TTL和CMOS逻辑电路相连接,得到一可靠的车速计。根据同样的原理,若与其它数字电路相连,并进行简单的处理,可将汞膜开关管方便地推广到其它同类设备中而大量使用。

图6
图6 🔍原图 (694×242)

4.适合在运动、移动和便携式的各类装置及设备中使用

在这些装置及设备中,有工作角度限制的通常的湿簧管是不能使用的,而汞膜开关管却大有用武之地。汞膜开关管可广泛应用在广播、电视、汽车、火车、航天及潜水等设备中。

5.适用于环境恶劣的场合

由于汞膜开关管是由金属外壳密封,管内充高压氢气,形成密封汞润触点,因此受外界环境影响较小,可广泛使用在环境恶劣的场合。例如在石油勘探中,深井下的传感器通过电缆把数据传到地面上,传感器必须经受得住恶劣环境的考验,如温度超过300℃,强烈的冲击振动,钻探时污泥、盐水和原油的侵蚀等。由于汞膜开关管耐温度冲击性能良好,故能在这种情况下可靠地工作。

6.作为冲击控制的开关

由于汞膜开关管结构的特殊性,若施加一足够大的平行于开关管轴方向的冲击力,可使开关管动作。利用这一敏感性,可广泛用于打桩机,空气锤、模锻压力机等的动作监测,并可作为空对地导弹引信时延开关,提高导弹的命中率。

7.作为动作准确的液位控制开关

利用汞膜开关管作磁控开关,可为水电站、水塔等提供全自动的液位控制装置。

若将一磁钢放在汞膜开关管附近,并沿其管轴方向向上或向下移动,开关管分别动作(吸合和释放)一次,如图6所示。与通常的湿簧管动作相比,具有较明确的控制位置。

图7
图7 🔍原图 (643×607)

汞膜开关管的应用不胜枚举,作为一种新型的开关管,它必将得到广泛的开发利用。(卫永跃 唐立森)