この投稿では、リードスイッチの機能と簡単なリードスイッチ回路の作り方を包括的に学びます。
リードスイッチとは
リードリレーとも呼ばれるリードスイッチは、近くの磁場に応答して開閉する接点の隠されたペアを備えた低電流磁気スイッチです。接点はガラス管の内側に隠されており、その端は外部接続のためにガラス管の外で終端されています。
また、約10億の動作仕様により、これらのデバイスの機能寿命も非常に印象的です。
さらに、リードスイッチは安価であるため、あらゆるタイプの電気、電子アプリケーションに適しています。
リードスイッチが発明されたのはいつですか
リードスイッチは、1945年に W.B.博士エルウッド 、米国のWestern ElectricCorporationに勤務中。本発明は、それが発明された期間よりもはるかに進歩しているように思われる。
リードスイッチが多くの重要な電子的および電気的実装の一部になりつつある最近まで、その計り知れないアプリケーションの利点は、電子エンジニアによって見過ごされ続けました。
リードスイッチのしくみ
基本的に、リードスイッチは磁気機械式リレーです。より正確には、磁力がリードスイッチに近づくとリードスイッチの動作が開始され、その結果、必要な機械的スイッチング動作が発生します。
上図に示すように、標準のリードリレースイッチを見ることができます。それは、小さなガラス管に密閉された一対の平らな強磁性ストリップ（リード）で構成されています。
リードはガラス管の両端にしっかりと固定されており、自由端が中央でわずかに重なり、約0.1mmの間隔があります。
シーリングプロセス中に、チューブ内の空気がポンプで排出され、乾燥窒素に置き換えられます。これは、接点が不活性雰囲気で機能することを保証するために重要です。これにより、接点が腐食しないようになり、空気抵抗がなくなり、長持ちします。
使い方
リードスイッチの基本的な動作は、以下の説明から理解できます。
永久磁石または電磁石のいずれかからリードスイッチの近くに磁場が導入されると、強磁性であるリードが光源の一部に変わります。これにより、リードの端が反対の磁気極性を獲得します。
磁束が十分に強い場合は、クランプの剛性を超える程度にリードを互いに引き付け、両端がガラス管の中心に電気的接触を確立します。
磁場が除去されると、リードは保持力を失い、ストリップは元の位置に戻ります。
リードスイッチヒステリシス
私たちが知っているように ヒステリシス システムが特定の固定点でアクティブ化および非アクティブ化できない現象です。
例として、12 Vの場合 電気リレー 、アクティブ化ポイントは11 Vである可能性がありますが、その非アクティブ化ポイントは約8.5 Vである可能性があり、アクティブ化ポイントと非アクティブ化ポイントの間のこのタイムラグはヒステリシスとして知られています。
同様に、リードスイッチの場合、そのリードを非アクティブ化するには、磁石を最初にアクティブ化したポイントからはるかに遠くに移動する必要があります。
次の画像は状況を明確に説明しています
通常、リードスイッチは磁石を1インチ離すと閉じますが、磁気ヒステリシスがあるため、接点を元の形に開くには、磁石を約3インチ離す必要がある場合があります。
リードスイッチのヒステリシス効果の修正
上記のヒステリシスの問題は、以下に示すように、リードスイッチの反対側に逆N / S極を備えた別の磁石を導入するだけで大幅に減らすことができます。
左側の固定磁石がリードスイッチの引き込み範囲内にないことを確認してください。そうしないと、リードは閉じたままになり、右側の磁石がリードに近づきすぎた場合にのみ開きます。
したがって、固定磁石の距離は、正しい差が得られ、移動する磁石によって固定点でリードが急激にアクティブになるまで、試行錯誤を繰り返す必要があります。
「ノーマルクローズ」タイプのリードスイッチの作成
上記の説明から、通常、リードスイッチの接点は「通常開」タイプであることがわかります。
磁石をデバイス本体に近づけると、リードが閉じます。ただし、リードを「通常閉」またはオンにし、磁場の存在下でオフにする必要がある特定のアプリケーションが存在する場合があります。
これは、下に示すように近くの磁石でデバイスにバイアスをかけるか、下の2番目の図に示すように3端子SPDTタイプのリードスイッチを使用することで簡単に実現できます。
リードスイッチが永久磁石を介して操作されるシステムの大部分では、磁石は可動要素の上に取り付けられ、リードは固定または一定のプラットフォーム上に取り付けられます。
ただし、磁石とリードの両方を固定プラットフォーム上に配置する必要があるプログラムがいくつかある場合があります。このような場合のリードのON / OFF動作は、次の段落で説明するように、外部の移動する鉄剤の助けを借りて磁場を歪めることによって実現されます。
固定リード/マグネット操作の実装
この設定では、磁石とリードが非常に近くに保たれているため、リード接点は通常閉状態になり、外部の歪んだ鉄剤がリードと磁石の間を通過するとすぐに開きます。
一方、まったく逆の結果を得るために同じ概念を適用することができます。ここで、磁石は、リードを通常開位置に保つのにちょうど十分な位置に調整されます。
外部の鉄剤がリードと磁石の間を移動するとすぐに、磁力は鉄剤によって強化および強化され、リードスイッチが瞬時に引き込まれてアクティブになります。
リードスイッチの動作面
次の図は、リードスイッチのさまざまな線形動作平面を示しています。磁石をa-a、b-b、c-cのいずれかの平面に移動すると、リードが正常に動作できるようになります。ただし、動作モードがb-b平面全体である場合は、磁石の選択がかなり重要になる可能性があります。
さらに、磁石の磁場パターン曲線からの負のピークが原因で、スプリアスまたは誤ったリードトリガーが発生する場合があります。
負のピークが高い状況では、磁石がリードの端から端までの長さを通過するときに、リードが数回オン/オフに切り替わる場合があります。
回転運動によるリードの活性化も正常に実行できます。
これを実現するために、以下に示す多くのセットアップの中から使用できます。
図A
図B
図C
リードスイッチのセットアップをトリガーするために回転運動を使用することも可能です。図Aと図Bでは、リードスイッチが固定位置に取り付けられ、磁石が回転ディスクに取り付けられているため、磁石は回転ごとにリードスイッチを通過し、それに応じてリードのオン/オフが切り替わります。
図Cでは、磁石とリードスイッチの両方が固定されており、特別に刻まれた磁気シールドカムがそれらの間で回転し、カムが回転ごとに磁場を交互にカットして、リードを同じ順序で開閉します。
回転運動を使用してリードスイッチを作動させることもできます。AおよびBでは、スイッチは静止しており、磁石が回転します。例CとDでは、スイッチと磁石の両方が静止しており、磁気シールドの切り欠き部分が磁石とスイッチの間にあるときはいつでもスイッチが動作します。
回転ディスクの速度を変えるだけで、1秒あたり2000をはるかに超えるまでスイッチング速度を調整できます。
リードスイッチの寿命
リードスイッチは、1億から1億の開閉操作の範囲で、非常に長い寿命を持つように設計されています。
ただし、これは電流が小さい場合にのみ当てはまります。リード接点を流れるスイッチング電流が最大定格値を超えると、同じリードが数回の操作で故障する可能性があります。
通常、リードスイッチは、デバイスのサイズに応じて、100 mA〜3アンペアの範囲の電流で動作するように定格されています。
最大許容値は、純粋な抵抗性負荷に対して指定されています。負荷が容量性または誘導性である場合、その場合、以下に示すように、リードスイッチの接点を大幅にディレーティングするか、適切なスナバ保護と逆EMF保護をリード端子全体に適用する必要があります。
誘導性スパイクに対する保護の追加
上記の4つの簡単な方法のいずれかを使用して、誘導性または容量性の電流スパイクからリードスイッチを保護できるようにします。
図Aに示すように、DC電源を備えたリレーコイルなどの誘導性負荷の場合、リレーコイルの8倍の定格の単純な抵抗シャントで、リードリレーをリレーコイルの逆起電力から安全に保つことができます。
これにより、リード内のアイドル電流がわずかに増加する可能性がありますが、とにかくリードに害を及ぼすことはありません。
図Bに示すように、抵抗器をコンデンサに置き換えて、同様の種類の保護を有効にすることもできます。
通常、電源がACの場合、図Cに示すように抵抗コンデンサ保護ネットワークが適用されます。抵抗器は150オーム1/4ワットにすることができ、コンデンサーは0.1uFから1uFの間の任意のものにすることができます。
この方法は最も効果的であることが証明されており、100万回以上の操作でモータースターターの切り替えからリードを安全に保つことに成功しています。
値RおよびCは、次の式で決定できます。
C = I ^ 2/10 uF、およびR = E / 10I（1 + 50 / E）
ここで、Eは閉回路電流、Eはネットワークの開回路電圧です。
図Cでは、リードの両端にダイオードが接続されているのがわかります。この保護は、ダイオードの極性を正しく実装する必要がありますが、誘導性負荷のあるDC回路でうまく機能します。
大電流リードスウィッシング
リードスイッチを使用した大電流スイッチングが必要なアプリケーションでは、以下に示すように、トライアック回路を使用して大電流負荷をスイッチングし、リードスイッチを使用してトライアックのゲートスイッチングを制御します。
ゲート電流は負荷電流よりも大幅に少ないため、リードスイッチは効率的に機能し、高電流負荷でトライアックを切り替えることができます。微細なリードスイッチもここで適用でき、問題なく動作します。
オプションの0.1uFおよび100オームRCは、負荷が誘導性負荷である場合に、高電流の誘導性スパイクからトライアックを保護するためのスナバネットワークです。
リードスイッチの利点
リードスイッチの大きな利点は、低振幅の電流と電圧を切り替えながら非常に効率的に動作する能力です。これは、通常のスイッチを使用する場合に重大な問題になる可能性があります。これは、標準のスイッチ接点に通常関連する抵抗性表面層を除去するのに十分な電流が不足しているためです。
それどころか、金メッキされた接触面と不活性雰囲気の結果としてのリードスイッチは、問題なく10億回以上の操作で正常に機能します。
評判の高い米国の会社のラボでの実際のテストの1つでは、4つのリードスイッチに500マイクロボルトと100マイクロアンペアのDCで動作する負荷を介して毎秒120のオン/オフシーケンスで電力が供給されました。
テストでは、各リードは一貫して5,000万回の閉鎖を完了することができ、5オームを超えるスイッチ抵抗を示す機会は1回もありませんでした。
リードスイッチの故障
非常に効率的ですが、より高い電流入力で動作すると、リードスイッチが故障する傾向を示す場合があります。大電流は接点を侵食させますが、これは通常のスイッチでもよく見られます。
この侵食により、小さな粒子が磁気を帯びて接点のギャップの近くに集まり、ギャップを越えてブリッジを作成します。このギャップの橋渡しは短絡を引き起こし、リードは永久に融合しているように見えます。
したがって、実際には、接点の溶融によるものではなく、侵食された粒子の収集による短絡が原因で、リード接点が溶融して溶融したように見えます。
標準ユニバーサルリードスイッチの仕様
- 最大電圧= 150 V
- 最大電流= 2アンペア
- 最大電力= 25ワット
- 最大初期抵抗= 50ミリオーム
- 最大寿命末期の抵抗= 2オーム
- ピーク降伏電圧= 500 V
- 閉鎖率= 400 Hz
- 絶縁抵抗= 5000ミリオーム
- 温度範囲= -55°C〜 + 150°C
- 接触容量= 1.5 pF
- 振動= 10-55Hzで10G
- 衝撃= 15Gミニマム
- 定格負荷での寿命= 5 x 10 ^ 6操作
- ゼロ負荷での寿命= 500 x 10 ^ 6操作
アプリケーション分野
- 油圧ブレーキフルードレベルインジケーター、 実現可能性は基本的に単純さと使いやすさに依存します。
- 近接カウント 、設定された所定のポイントを横切る鉄のオブジェクトの通過を記録するための信じられないほど簡単なアプローチを提供します。
- 安全インターロック切り替え 、複雑に機械化された設計に対して、並外れた安定性とアプリケーションの使いやすさを提供します。ここでは、組み込みのリードスイッチを使用して回路を接続し、警告ランプを点灯させたり、次の操作段階を促したりします。
- 可燃性環境での密閉型スイッチング 、標準のオープンスイッチが信頼しにくいほこりが詰まった雰囲気、特に通常のスイッチが単にフリーズする可能性がある寒い天候でも、燃焼の可能性を回避します。
- 放射性環境で 、磁気作業がシールドの信頼性を維持するのに役立ちます。
このウェブサイトで公開されている他のいくつかのアプリケーション回路
フロートスイッチ ：リードスイッチは、効果的な腐食のないフロートスイッチの水位コントローラーに使用できます。リードスイッチが密閉されているため、水との接触が回避され、システムは問題なく無限に動作します。
患者ドリップアラーム ：この回路は、リードスイッチを使用して、患者に接続されているドリップパッケージが空になったときにアラームをアクティブにします。アラームにより、看護師は状況をすぐに知ることができ、空の点滴を新しいパッケージと交換できます。
磁気ドアアラーム ：このアプリケーションでは、ドアの開閉によって隣接する磁石が移動すると、リードスイッチがアクティブまたは非アクティブになります。アラームは、ドアの操作に関してユーザーに警告します。
トランス巻線カウンター ：ここでは、リードスイッチは回転するワインダーホイールに取り付けられた磁石によって操作されます。これにより、カウンターはリードの作動から巻線の回転ごとにクロック信号を取得できます。
ゲート開閉コントローラー ：リードスイッチは、ソリッドステートリミットスイッチとしても機能します。このゲートコントローラ回路では、リードスイッチは、ゲートが最大スライド限界に達するたびにモーターを停止することにより、ゲートの開閉を制限します。
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