Interrupteur Reed - Circuits de travail, d'application

Dans cet article, nous apprenons en détail le fonctionnement des interrupteurs à lames et comment créer des circuits de commutation à lames simples.

Qu'est-ce que Reed Switch

Le commutateur Reed, également appelé relais Reed, est un commutateur magnétique à faible courant avec une paire cachée de contacts qui se ferment et s'ouvrent en réponse au champ magnétique à proximité. Les contacts sont dissimulés à l'intérieur d'un tube en verre et ses extrémités se terminent hors du tube en verre pour une connexion externe.

Et avec environ un milliard de spécifications de fonctionnement, la durée de vie fonctionnelle de ces appareils est également très impressionnante.

De plus, les interrupteurs Reed sont bon marché et conviennent donc à tous les types d'applications électriques et électroniques.

Quand le commutateur Reed a-t-il été inventé

Le commutateur Reed a été inventé en 1945, par Le Dr W.B. Ellwood , tout en étant employé à la Western Electric Corporation, aux États-Unis. L'invention semble être beaucoup plus avancée que la période où elle a été inventée.

Ses immenses avantages d'application ont continué à passer inaperçus par les ingénieurs en électronique, jusqu'à l'époque récente où les commutateurs Reed font désormais partie de nombreuses implémentations électroniques et électriques cruciales.

Comment fonctionnent les interrupteurs Reed

Fondamentalement, un commutateur Reed est un relais magnéto-mécanique. Pour être plus précis, un interrupteur Reed fonctionne lorsqu'une force magnétique est amenée à proximité, ce qui entraîne l'action de commutation mécanique requise.

Un interrupteur de relais Reed standard peut être observé comme indiqué dans la figure ci-dessus. Il est composé d'une paire de bandes ferromagnétiques aplaties (roseaux) qui sont hermétiquement scellées dans un petit tube de verre.

Les anches sont fermement serrées sur l'une ou l'autre des extrémités du tube de verre de telle sorte que leurs extrémités libres se chevauchent légèrement au centre avec une séparation d'environ 0,1 mm.

Pendant le processus de scellage, l'air à l'intérieur du tube est pompé et remplacé par de l'azote sec. Ceci est crucial pour garantir que les contacts fonctionnent dans une atmosphère inerte, ce qui aide à garder les contacts sans corrosion, à éliminer la résistance de l'air et à les rendre durables.

Comment ça fonctionne

Le fonctionnement de base d'un interrupteur à lames peut être compris à partir de l'explication suivante

Lorsqu'un champ magnétique est introduit près d'un interrupteur à lames soit à partir d'un aimant permanent, soit à partir d'un électroaimant, les lames étant ferromagnétiques se transforment en une partie de la source magnétique. Cela amène les extrémités des anches à acquérir une polarité magnétique opposée.

Si le flux magnétique est suffisamment fort, attirez les anches l'une vers l'autre dans une mesure qui surmonte leur rigidité de serrage, et leurs deux extrémités établissent un contact électrique au centre du tube de verre.

Lorsque le champ magnétique est supprimé, les anches perdent leur pouvoir de maintien et les bandes reviennent à leur position d'origine.

Hystérésis du commutateur Reed

Comme nous savons que hystérèse est un phénomène dans lequel le système est incapable de s'activer et de se désactiver à un point fixe particulier.

A titre d'exemple, pour un 12 V relais électrique , le point d'activation peut être de 11 V, mais son point de désactivation peut être quelque part autour de 8,5 V, ce décalage entre les points d'activation et de désactivation est appelé hystérésis.

De même, pour un interrupteur à lames, la désactivation de ses lames peut nécessiter que l'aimant soit déplacé beaucoup plus loin du point auquel il a été initialement activé.

L'image suivante explique clairement la situation

En règle générale, un interrupteur à lames se ferme lorsque l'aimant est amené à une distance de 1 pouce de celui-ci, mais il peut être nécessaire de déplacer l'aimant d'environ 3 pouces pour ouvrir les contacts dans sa forme d'origine, en raison de l'hystérésis magnétique.

Correction de l'effet d'hystérésis dans Reed Switch

Le problème d'hystérésis ci-dessus peut être réduit dans une large mesure en introduisant simplement un autre aimant avec des pôles N / S inversés sur le côté opposé du commutateur Reed, comme illustré ci-dessous:

Assurez-vous que l'aimant fixe du côté gauche ne se trouve pas dans la plage de tirage de l'interrupteur à lames, plutôt à une certaine distance, sinon l'anche restera fermée et ne s'ouvrira que lorsque l'aimant du côté droit est trop rapproché de l'anche.

Par conséquent, la distance de l'aimant fixe doit être expérimentée avec quelques essais et erreurs jusqu'à ce que le bon différentiel soit atteint, et l'anche s'active brusquement en un point fixe par l'aimant mobile.

Création d'un commutateur Reed de type `` normalement fermé ''

D'après les discussions ci-dessus, nous savons que les contacts d'un interrupteur à lames sont généralement de type «normalement ouvert».

Les anches se ferment si un aimant est maintenu près du corps de l'appareil. Mais, il peut y avoir certaines applications dans lesquelles l'anche peut être obligée d'être «normalement fermée» ou allumée, et de s'éteindre en présence d'un champ magnétique.

Ceci peut être facilement réalisé soit en polarisant le dispositif avec un aimant proche complémentaire comme démontré ci-dessous, soit en utilisant un commutateur Reed de type SPDT à 3 bornes comme indiqué dans le deuxième diagramme ci-dessous.

Dans la majorité des systèmes dans lesquels un interrupteur à lames est actionné par l'intermédiaire d'un aimant permanent, l'aimant est installé sur un élément mobile, et l'anche est installée sur une plate-forme fixe ou constante.

Cependant, vous pouvez trouver plusieurs programmes où l'aimant et l'anche doivent être positionnés sur une plate-forme fixe. Le fonctionnement MARCHE / ARRÊT de l'anche dans de tels cas est alors réalisé en déformant le champ magnétique à l'aide d'un agent ferreux mobile externe, comme expliqué dans le paragraphe suivant.

Mise en œuvre du fonctionnement Reed / Aimant fixe

Dans cette configuration, l'aimant et le roseau sont maintenus sensiblement à proximité, ce qui permet aux contacts du roseau d'être dans une situation normalement fermée, et il s'ouvre dès que l'agent ferreux déformant externe passe entre le roseau et l'aimant.

D'un autre côté, le même concept peut être appliqué pour obtenir exactement les résultats opposés. Ici, l'aimant est ajusté dans une position qui est juste suffisante pour maintenir l'anche en position normalement ouverte.

Dès que l'agent ferreux externe est déplacé entre le reed et l'aimant, la force magnétique est augmentée et renforcée par l'agent ferreux qui tire instantanément le contact Reed et l'active.

Plans de fonctionnement d'un commutateur Reed

La figure suivante montre différents plans linéaires de fonctionnement pour un interrupteur à lames. Si nous déplaçons l'aimant sur l'un des plans a-a, b-b et c-c, cela permettra à l'anche de fonctionner normalement. Cependant, la sélection de l'aimant peut être assez cruciale si le mode de fonctionnement est à travers le plan b-b.

De plus, vous pouvez trouver un déclenchement parasite ou faux du reed en raison de pics négatifs de la courbe de modèle de champ de l'aimant.

Dans les situations où les pics négatifs sont élevés, les anches peuvent s'allumer / s'éteindre plusieurs fois lorsque l'aimant se déplace sur toute la longueur de l'anche.

L'activation de l'anche par un mouvement de rotation peut également être mise en œuvre avec succès.

Pour ce faire, vous pouvez utiliser parmi les nombreuses configurations ci-dessous:

FIGURE A

FIGURE B

FIGURE C

Il est également possible d'utiliser un mouvement de rotation pour déclencher une configuration de commutateur à lames. Sur les figures A et B, les interrupteurs à lames sont installés dans une position fixe, tandis que les aimants sont fixés avec le disque rotatif, ce qui fait passer les aimants au-delà de l'interrupteur à lames à chaque rotation, activant / désactivant les lames en conséquence.

Sur la figure C, l'aimant et le commutateur à lames sont tous deux fixes, tandis qu'une came de blindage magnétique spécialement sculptée est tournée entre eux de sorte que la came coupe le champ magnétique en alternance à chaque rotation, provoquant l'ouverture et la fermeture de l'anche dans la même séquence.

Un mouvement rotatif peut également être utilisé pour actionner un interrupteur à lames. En A et B, les interrupteurs sont fixes et les aimants tournent. Dans les exemples C et D, à la fois les commutateurs et les aimants sont fixes et le commutateur fonctionne chaque fois que la partie découpée du blindage magnétique se trouve entre l'aimant et le commutateur.

Les taux de commutation peuvent être ajustés d'une seconde à bien plus de 2000 par minute simplement en changeant la vitesse du disque rotatif.

Durée de vie des commutateurs Reed

Les interrupteurs Reed sont conçus pour avoir une durée de vie extrêmement élevée qui peut être comprise entre 100 millions et 1 000 millions d'opérations d'ouverture / fermeture.

Cependant, cela ne peut être vrai que tant que le courant est faible, si le courant de commutation à travers les contacts Reed dépasse la valeur nominale maximale, alors le même Reed peut échouer en quelques opérations.

En règle générale, les commutateurs Reed sont conçus pour fonctionner avec un courant compris entre 100 mA et 3 ampères en fonction de la taille de l'appareil.

La valeur maximale tolérable est spécifiée pour les charges purement résistives. Si la charge est capacitive ou inductive, dans ce cas, les contacts de l'interrupteur Reed doivent être sensiblement déclassés ou une protection d'amortissement et une protection EMF inversées appropriées doivent être appliquées aux bornes Reed, comme indiqué ci-dessous:

Ajout d'une protection contre les pointes inductives

L'une quelconque des quatre méthodes simples ci-dessus est employée pour permettre la protection d'un commutateur Reed contre les pointes de courant inductives ou capacitives.

Pour une charge inductive telle qu'une bobine de relais avec une alimentation CC, un simple shunt de résistance évalué à 8 fois plus que la bobine de relais sera juste suffisant pour garder le relais Reed à l'abri des EMF de la bobine de relais, comme le montre la figure A.

Bien que cela puisse légèrement augmenter le flux de courant inactif dans l'anche, cela n'endommagera pas l'anche de toute façon.

L'ersistor peut être remplacé par un condensateur également pour permettre un type de protection similaire, comme le montre la figure B.

En règle générale, un réseau de protection de condensateur à résistance est appliqué comme indiqué sur la figure C, dans le cas où l'alimentation est un courant alternatif. La résistance peut être de 150 ohms 1/4 watt et le condensateur peut être compris entre 0,1 uF et 1 uF.

Cette méthode s'est avérée être la plus efficace et a réussi à garder le roseau à l'abri de la commutation du départ-moteur pendant plus d'un million d'opérations.

Les valeurs R et C peuvent être déterminées par la formule suivante

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

Où E est le courant en circuit fermé et E est la tension en circuit ouvert du réseau.

Sur la figure C, nous pouvons voir une diode connectée à travers l'anche. Cette protection fonctionne bien dans les circuits CC à charge inductive, bien que la polarité de la diode doit être correctement mise en œuvre.

Swithcing Reed à courant élevé

Dans les applications qui nécessitent une commutation de courant élevé à l'aide d'un commutateur Reed, un circuit triac est utilisé pour commuter la charge de courant élevé et un commutateur Reed est utilisé pour commander la commutation de grille du triac comme indiqué ci-dessous.

Le courant de grille étant nettement inférieur au courant de charge, le commutateur Reed fonctionnera efficacement et permettra au triac d'être commuté avec la charge de courant élevée. Même un interrupteur à lames minute peut être appliqué ici et fonctionnera sans problème.

Le 0,1 uF en option et le 100 ohms RC est un réseau d'amortissement destiné à protéger le triac contre les pics inductifs à courant élevé, si la charge est une charge inductive.

Avantages du Reed Switch

Un grand avantage de l'interrupteur Reed est sa capacité à fonctionner très efficacement tout en commutant de faibles intensités de courants et de tensions. Cela peut être un problème important lorsqu'un commutateur standard est utilisé. Ceci est dû au manque de courant adéquat pour éliminer la couche de surface résistive normalement associée aux contacts de commutation standard.

Au contraire, un interrupteur à lames en raison de ses surfaces de contact plaquées or et de son atmosphère inerte fonctionne avec succès pendant plus d'un milliard d'opérations sans aucun problème.

Dans l'un des tests pratiques dans un laboratoire d'une entreprise américaine réputée, quatre commutateurs Reed ont été alimentés avec 120 séquences ON / OFF par seconde via une charge fonctionnant avec 500 micro-volts et 100 microampères, DC.

Dans le test, chacune des anches a pu effectuer 50 millions de fermetures de manière cohérente sans qu'une seule occasion ne montre une résistance commutée au-delà de 5 ohms.

Pannes du commutateur Reed

Bien qu'extrêmement efficace, le commutateur Reed peut avoir tendance à tomber en panne s'il fonctionne avec des entrées de courant plus élevées. Un courant élevé provoque l'érosion des contacts, ce qui est également couramment observé dans les commutateurs réguliers.

Cette érosion se traduit par de minuscules particules qui sont également magnétiques pour se rassembler près de l'espace des contacts et créer en quelque sorte un pont à travers l'espace. Ce pontage de l'espace provoque un court-circuit et les lamelles semblent être fusionnées en permanence.

Donc, en fait, ce n'est pas dû à la fusion des contacts, mais plutôt au court-circuit dû à la collecte des particules érodées qui fait que les contacts Reed semblent avoir fondu et fondu.

Spécifications pour un interrupteur à lames universel standard

• Tension maximale = 150 V
• Courant maximum = 2 ampères
• Puissance maximale = 25 watts
• Max. résistance initiale = 50 milliohms
• Max. résistance de fin de vie = 2 Ohms
• Tension de claquage de crête = 500 V
• Taux de fermeture = 400 Hz
• Résistance d'isolement = 5000 milliohms
• Plage de température = -55 degrés C à +150 degrés C
• Capacité de contact = 1,5 pF
• Vibration = 10G à 10-55Hz
• Choc = 15G mini mu m
• Durée de vie à charge nominale = 5 x 10 ^ 6 opérations
• Durée de vie à charge nulle = 500 x 10 ^ 6 opérations

Domaines d'applications

1. Indicateur de niveau de liquide de frein hydraulique, où la faisabilité repose fondamentalement sur la simplicité et la facilité d'utilisation.
2. Comptage de proximité , offrant une approche incroyablement simple pour enregistrer le passage d'objets ferreux à travers un point prédéterminé défini.
3. Commutation de verrouillage de sécurité , offrant une stabilité et une facilité d'utilisation extraordinaires des applications aux conceptions mécanisées de manière complexe. Ici, les commutateurs Reed intégrés sont utilisés pour connecter un circuit afin d'allumer une lampe d'avertissement ou d'indiquer les étapes suivantes de fonctionnement.
4. Commutation étanche dans des environnements inflammables , évite la possibilité de combustion également dans les atmosphères poussiéreuses où les interrupteurs ouverts standard pourraient être difficiles à utiliser et en particulier par temps froid où les interrupteurs ordinaires pourraient simplement geler.
5. Dans un environnement radioactif , où le fonctionnement magnétique contribue à préserver la crédibilité du blindage.

Quelques autres circuits d'application publiés sur ce site

Interrupteur à flotteur : Les commutateurs Reed peuvent être utilisés pour des contrôleurs de niveau d'eau efficaces et sans corrosion. Comme les interrupteurs à lames sont scellés, le contact avec l'eau est évité et le système fonctionne à l'infini sans aucun problème.

Alarme d'égouttement du patient : Ce circuit utilise un interrupteur à lames pour activer une alarme lorsque le système goutte à goutte connecté à un patient devient vide. L'alarme permet à l'infirmière de connaître immédiatement la situation et de remplacer le goutte-à-goutte vide par un nouveau paquet.

Alarme de porte magnétique : Dans cette application, un interrupteur à lames s'active ou se désactive lorsqu'un aimant adjacent est déplacé par l'ouverture ou la fermeture d'une porte. L'alarme alerte l'utilisateur concernant le fonctionnement de la porte.

Compteur d'enroulement de transformateur : Ici, l'interrupteur à lames est actionné par un aimant fixé sur une roue d'enroulement rotative, ce qui permet au compteur d'obtenir un signal d'horloge pour chaque rotation d'enroulement à partir de l'activation des lames.

Contrôleur d'ouverture / fermeture de porte : Les interrupteurs Reed fonctionnent également très bien comme interrupteurs de fin de course à semi-conducteurs. Dans ce circuit de commande de porte, le commutateur Reed limite l'ouverture ou la fermeture du portail en coupant le moteur chaque fois que le portail atteint ses limites de glissement maximales.