利用干簧开关技术解锁电源效率

使用干簧开关与磁控的高能效开关解决方案

如果你在某些特定部分需要帮助，欢迎直接跳转到以下任意章节：

• 为什么能效在当今电子产品中至关重要
• 干簧开关在真实电子应用中的用途
• Form A 干簧开关：常开工作方式
• Form C 干簧开关：双触点切换如何工作
• Form B 干簧开关 & 传感器：高能效的常闭设计
• Form B干簧继电器：高效的常闭切换
• Form B 干簧继电器如何工作：分步指南
• 自保持干簧继电器 & 传感器：无需供电也能保持状态
• 自保持干簧继电器如何工作：内部机制
• 磁脉冲控制：自保持与解除保持如何实现
• 使用自保持干簧开关进行设计：利用磁铁控制
• 总结：在低功耗设计中，为磁控与能效选择合适的干簧技术

为什么能效在当今电子产品中至关重要

在当今注重能源的世界里，工程师正面临越来越大的压力，需要设计更智能、更高效的系统。无论是电池供电设备、智能家电，还是工业传感器，对低功耗方案的需求都在快速增长。这正是干簧开关技术大放异彩的地方。

与霍尔效应传感器不同，霍尔效应传感器即使在待机模式下也需要持续供电；而干簧开关以被动方式工作，在磁场激活之前功耗为零。这让它们成为对节能要求很高的应用的理想选择。干簧开关非常适合低功耗设计，因为它们在磁控激活之前不消耗任何能量，因此非常适用于电池供电和注重能耗的应用。

本文将探讨干簧开关如何以极低的功耗实现可靠的非接触式切换。我们会将它们与其他磁感应技术进行对比，突出其独特优势，并展示它们如何推动从家居自动化到医疗设备等行业的变革。

你将学到什么

• 干簧开关技术如何实现超低功耗切换，适用于电池供电和对能耗敏感的应用。
• Form A、B、C 干簧开关之间的差异，以及各类结构如何影响功耗与触点行为。
• 为什么自保持干簧继电器和传感器具有独特的高能效优势：无需持续供电即可保持状态。
• 干簧技术在医疗设备、智能家居系统、汽车安全以及工业传感器中的真实应用。
• 选择合适干簧开关或继电器的设计要点：基于磁场强度、极性和切换需求进行选型。

干簧开关在真实电子应用中的用途

干簧开关非常适合低功耗设计，因为它们在磁控激活之前不消耗任何能量，因此非常适用于电池供电和注重能耗的应用。

要正确理解下文各类配置中干簧技术的工作方式，首先需要了解干簧开关的基础知识。

• 常闭干簧传感器
• 常闭干簧继电器
• 自保持（双稳态）干簧开关/传感器
• 自保持（双稳态）干簧继电器

磁控实现非接触式操作，非常适合低功耗设计环境。

Form A 干簧开关：常开工作方式

干簧开关在自然状态下处于常开状态。通常称为单刀常开、单刀单掷（SPST），或 Form A（见图 1）。这种干簧开关配置通过在切换过程中尽量减少能量消耗来支持高能效。磁控实现非接触式操作，非常适合低功耗设计环境。

干簧开关的两根簧片引线为铁磁材料，并被气密封装在玻璃胶囊中。当常开干簧开关处于磁场中时，触点会闭合（见图 2）。只要磁场存在，触点就会保持闭合；一旦移除磁场，触点便会断开。在这种情况下，触点处于闭合状态的整个期间都会消耗能量，因此从功耗角度看并不理想。

Form C 干簧开关：双触点切换如何工作

另一种具备能效优势的干簧开关配置是单刀双掷（SPDT）或 Form C 干簧开关（见图 3）。

在图 3中，没有磁场存在，因此公共触点保持与常闭触点连接。干簧开关在其常闭状态下不耗电。当施加磁场时，干簧继电器会消耗 100% 功率，同时公共干簧元件从常闭触点摆动到常开触点（见图 4）。一旦移除磁场，公共触点会摆回到常闭触点。

Form B 干簧开关 & 传感器：高能效的常闭设计

由于 Form A 干簧开关的自然状态为常开，我们需要施加一个永磁体，并且其磁强足以使干簧触点闭合（见图 5）。偏置磁体必须大于在常开状态下使触点闭合所需的吸合（Pull-in）或动作（operate）毫特斯拉（mT）磁场强度。

在此阶段，磁体的极性并不重要。要打开触点，你必须将一个永磁体靠近偏置磁体。该磁体必须具有相反的极性，且磁强需等于或大于偏置磁体的磁强（见图 6）。

Form B 干簧继电器：高效的常闭切换

某些应用需要干簧继电器在较长时间内保持触点闭合，仅在故障条件出现时才打开。常闭（Form B）干簧继电器正是为此类场景专门设计的。在默认闭合状态下，继电器线圈不耗电，使其非常适合电池供电设备或能量受限的系统。

这种设计尤其适用于故障检测电路：在正常条件下继电器保持闭合，只有在发生故障时才打开。由于触点闭合时不耗电，Form B 继电器支持超低功耗应用。图 7展示了 Form B 干簧继电器在未通电、常闭配置下的原理图。

给线圈加电后，线圈产生的磁极性与偏置磁体的极性相对，并且磁强足以克服偏置磁体的磁场强度时，触点将打开（见图 8）。

用于能效的干簧开关配置对比

配置	默认状态	功耗
Form A 常开（SPST）	断开（无接触）	需要电源或磁场才能闭合
Form B 常闭（SPST）	闭合（已接触）	需要电源或磁场才能打开
Form C 转换（SPDT）	其中一个触点闭合	电源或磁场切换触点

Form B 干簧继电器如何工作：分步指南

Form B 干簧继电器的分步工作过程见图 9。

工作阶段

施加到 Form B 继电器线圈上的电压极性决定了线圈的磁极性。设计会确定电压极性，我们会把该极性直接标在继电器上。施加反向电压极性会导致继电器工作异常，直到恢复正确极性。另外，如果施加的电压高于规定的标称电压过多，也可能导致触点重新闭合。一般而言，重新闭合电压规定为标称值的 50% 以上。也就是说，对于标称 5V 的 Form B 继电器，若施加超过 7.5V 的电压，可能会导致触点重新闭合。如果用户的电路可能产生超过标称值 50% 的电压并带来风险，继电器设计人员可以调整磁路设计，以提高规定的重新闭合电压。这使 Form B 干簧继电器成为故障检测系统中可靠且高能效的选择。

自保持干簧继电器 & 传感器：无需供电也能保持状态

自保持干簧开关无需持续供电即可保持状态，通过磁控实现无与伦比的能效。自保持干簧继电器或传感器有两种不同状态：未保持（开路）和保持（闭合）。它可在无需供电的情况下维持任意状态。干簧开关在动作（吸合）点与释放（断开）点之间的天然磁滞，使自保持成为可能，如图 10所示。更高的动作点会增大磁滞，从而简化保持与解除保持阈值的设计。要启用自保持模式，我们用永磁体对干簧开关进行偏置。

下面将对此进行更详细的讨论。

自保持干簧继电器如何工作：内部机制

自保持干簧继电器使用 Form A 干簧开关与永磁体配合工作（见图 11）。

在这种状态下，干簧开关可能处于常开或常闭状态。它所处的状态取决于它上一次经历的磁场。如果触点是开路的，施加正确极性的磁脉冲会将其切换到常闭状态（见图 12）。

通常，以继电器标称电压提供的 2ms 脉冲就足以改变继电器触点状态。因此，在闭合和打开继电器触点时产生的热量很少，从而产生的热偏移电压也很小。

磁脉冲控制：自保持与解除保持如何实现

为说明自保持与解除保持如何发生，我们选择了一只干簧开关：当其暴露在 4 mT 磁场中时闭合触点，当磁场降至 2 mT 或更低时打开触点。我们将偏置磁体设定为产生稳定的 3 mT 磁场。图 14 展示了一个完整的动作周期，并依次突出每个状态。吸合点与释放点保持恒定，如固定线所示。

五个阶段及干簧开关触点状态如下：

使用自保持干簧开关进行设计：利用磁铁控制

自保持干簧开关的工作方式类似图 11所示，其中永磁体对开关进行偏置。不过，与图 12 和图 13那样使用线圈不同，我们使用第二个极性相反的永磁体，如图 15所示。通过利用永磁体进行磁控，自保持干簧开关无需电力即可工作，从而支持超低功耗设计策略。

在这种情况下，移除永磁体后触点仍保持闭合。它们会一直闭合，直到另一个极性相反的永磁体靠近簧片与偏置磁体。这与上文的自保持干簧继电器类似。使用永磁体完全不耗电，因此可省去电源、电子电路以及定时电路。干簧开关的状态不耗电（不同于霍尔传感器），完全依赖磁体在其影响范围内进出移动。

同样类似自保持干簧继电器，改变触点状态时可以使用一个或两个磁体。

自保持干簧开关可能需要对磁系统进行精细平衡，尤其是在附近存在其他铁磁材料时。需要自保持干簧开关的应用无疑可能是最佳设计选择；不过，我们建议让 Standex Detect 的工程师与销售工程师与你密切配合，以获得最佳效果。实现自保持环境的方法有很多，因此在特定条件下，我们的工程师会给出专业、简洁且具成本效益的方案。

总结：在低功耗设计中，为磁控与能效选择合适的干簧技术

当你希望触点长时间保持闭合并尽量降低功耗时，可以考虑使用 Form B 干簧传感器或干簧继电器。如果在开与闭两种状态下都对能效有要求，自保持干簧开关或自保持干簧继电器可能是最佳方案。

自保持干簧开关是唯一一种在触点动作与释放过程中都不需要供电的传感器技术。随着对低功耗器件需求的增长，干簧开关的自保持或常闭特性显得尤为突出。无论是使用 Form B 实现常闭工作，还是使用自保持干簧开关实现无需供电的状态保持，干簧开关技术都是现代低功耗设计的核心。