小功率計量用舌簧開關技術的五個主要優點

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用時，工程師們認為，具有現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時，因為其靈敏度、耐久性和可靠性，可以選擇固態磁阻(MR)或霍爾效應傳感器。雖然這些創新性技術具有某些優點，但它們與成熟的舌簧開關技術優勢相比就顯得蒼白失色。幾十年來，舌簧開關一直在用于小功率、電池驅動的應用，且理由充足。

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

2 小功率計量應用的要求

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

在這些設備中，小功耗是關鍵的設計參數。并且，這些儀表的預計壽命一般是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鍵。

3 固態傳感技術

正如所提及的，某些設計工程師選擇固態傳感技術，包括MR和霍爾效應傳感器，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，電流消耗極低，靈敏度和可靠性都很高。然而，典型的MR傳感器連續地汲取少量的電流。

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

4 舌簧開關技術

雖然舌簧開關被認為是成熟的技術，但因為它的結構簡單和性能可靠，舌簧開關仍然是小功率場合的流行選擇。舌簧開關是一種由外加磁場驅動的電氣開關。該開關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，接通或分斷開關觸點。圖1示出了各種不同的舌簧開關元件。圖2示出了舌簧開關在水表或氣表在流量檢測部分中的位置。

圖1 舌簧開關元件

圖2 舌簧開關用作水表或氣表的測量儀器

4 舌簧開關技術的五個優點

4.1 工作功率小

舌簧開關所要求的功率較MR和霍爾效應傳感器要低很多。這些微功率傳感技術通過使用低負載循環數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部振蕩器。

對比之下，舌簧開關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結構涉及使用兩個舌簧開關與場效應晶體管(FET)開關相組合，見圖3所示。當其中一個開關檢測運動時，可以設計舌簧開關以真正的零功率感應旋轉運動。

圖3 兩個舌簧開關與FET組合使用

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

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

舌簧開關提供較任何其它相競爭的技術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

固態器件有典型工作電流和最大工作電流。良好的設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品的壽命，更大的固態感應器件最大電流可能會出問題。

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

例如，微功率霍爾效應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，連續操作的舌簧開關電路，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一樣的節約功率的技術之前，舌簧開關具有最低的最壞情況功耗。

4.3 精密的磁靈敏度開關點

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

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

舌簧開關的磁靈敏度開關點較固態數字開關更加精確。當設計系統在所有工作條件下運行時，高精度特別重要。例如，可以規定舌簧開關靈敏度在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)，作為結果的相對靈敏度范圍為108%或±54%。

4.4 定制簡單

普通固態微型和毫微型磁開關制作為放之四海而皆準的(完全通用的)。這些開關通常提供一個、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，舌簧開關具有廣泛可用的定制靈敏度范圍，可以按特定應用的要求定制。例如，一項應用可能需要8～11AT的靈敏度范圍，而另一項應用可能需要25～30AT。這個通用性水平在固態磁傳感器件中是達不到的。

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

微型和毫微型功率固態開關不可連續工作。在開關睡眠時間，不會感應磁場，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 固有的開關點磁滯作用

相對于傳感器技術，磁滯作用規定為在器件的吸合(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用中非常重要，在此被感知的運動可以在旋轉循環的任意點上停止。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。

最小磁滯作用是設計健壯測量應用中的重要考慮。在固態磁傳感器中，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，由于其磁發電機－機械設計，舌簧開關具有內在的磁滯作用，因此向計量應用遞送增強的可靠性。

5 舌簧開關在傳感和控制器市場中的地位

舌簧開關是成熟的技術，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用中的使用貢獻極大。它們提供可靠的數據而無需物理接觸，甚至在不利的含有塵土、振動、濕氣、煤氣和油的環境中。它們成熟的耐久性和可靠性已經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品、醫療設備、安全、效用計量、消費電子產品和白色家電/電器。

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

6 結論

當設計小功率計量應用時，舌簧開關技術較固態傳感技術提供了眾多的好處。其工作的功率小、使用功率允差緊、磁靈敏度開關點精確、內在的開關點磁滯作用及定制簡單，使得它是一個靈活的、可靠的技術。

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