Interruptor de láminas

El interruptor de láminas es un interruptor electromecánico operado por un campo magnético aplicado. Fue inventado en 1922 por el profesor Valentin Kovalenkov en la Universidad Electrotécnica de Petrogrado, y luego evolucionó en Bell Telephone Laboratories en 1936 por Walter B. Ellwood en el relé de láminas. En su forma más simple y común, consta de un par de contactos metálicos flexibles ferromagnéticos en una envoltura de vidrio sellada herméticamente. Los contactos suelen estar normalmente abiertos y se cierran cuando hay un campo magnético presente, o pueden estar normalmente cerrados y abiertos cuando se aplica un campo magnético. El interruptor puede ser accionado por una bobina electromagnética, haciendo un relé de lengüeta, o acercando un imán permanente. Cuando se elimina el campo magnético, los contactos en el interruptor de láminas vuelven a su posición original. La "caña" es la parte metálica dentro de la cubierta del interruptor de láminas que es relativamente delgada y ancha para que sea flexible. Se parece un poco a parte de algunas plantas de caña. El término "caña" también puede incluir el cable externo así como la parte interna.

Un ejemplo común de una aplicación de interruptor de láminas es detectar la apertura de una puerta o ventana, para una alarma de seguridad.

Descripción

El tipo más común de interruptor de lengüeta contiene un par de lengüetas de metal flexibles y magnetizables cuyas partes finales están separadas por un pequeño espacio cuando el interruptor está abierto. Las cañas están selladas herméticamente dentro de un sobre tubular de vidrio. Otro tipo de interruptor de lengüeta contiene una lengüeta flexible que se mueve entre un contacto fijo normalmente abierto y un contacto fijo normalmente cerrado. El contacto normalmente cerrado no es ferromagnético y está cerrado por la fuerza del resorte de la lengüeta flexible. Aunque los interruptores de láminas con polos múltiples son posibles, más a menudo se utiliza un conjunto de interruptores de láminas de un solo polo para aplicaciones de polos múltiples.

Un campo magnético de un electroimán o un imán permanente hará que las cañas se atraigan entre sí, completando así un circuito eléctrico. La fuerza del resorte de las lengüetas hace que se separen y abran el circuito cuando cesa el campo magnético. Otra configuración contiene un contacto normalmente cerrado no ferromagnético que se abre cuando se cierra el contacto normalmente abierto ferromagnético. Se aplica una capa delgada de material no ferromagnético al área de contacto del interruptor de láminas para que sirva como superficie de conmutación (desgaste) del contacto eléctrico y, para contactos normalmente abiertos, como espaciador magnético cuyo grosor es importante para controlar el nivel del campo magnético en que abre el contacto (el drop-out). Los contactos del interruptor de láminas suelen ser de rodio, rutenio, iridio o tungsteno. También hay versiones de interruptores de láminas con contactos húmedos de mercurio. Dichos interruptores deben montarse en una orientación particular, para que las gotas de mercurio no puenteen los contactos incluso cuando no están activados.

Dado que los contactos del interruptor de láminas están sellados lejos de la atmósfera, están protegidos contra la corrosión atmosférica. El sellado hermético de un interruptor de láminas lo hace adecuado para su uso en atmósferas explosivas donde las chispas diminutas de los interruptores convencionales constituirían un peligro.

Una cualidad importante del interruptor es su sensibilidad, la cantidad de campo magnético necesario para accionarlo. La sensibilidad se mide en unidades de amperios-vueltas (AT), que corresponden a la corriente en una bobina de prueba multiplicada por el número de vueltas en la bobina de prueba. Las sensibilidades típicas de pull-in para dispositivos comerciales están en el rango de 10 a 60 AT. Cuanto menor sea el AT, más sensible será el interruptor de láminas. Los interruptores de láminas más pequeños, que tienen partes más pequeñas, generalmente son más sensibles a los campos magnéticos.

En la producción, se inserta una lengüeta de metal en cada extremo de un tubo de vidrio y los extremos del tubo se calientan para que se sellen alrededor de una parte del vástago de las lengüetas. Con frecuencia se utiliza vidrio absorbente de infrarrojos de color verde, por lo que una fuente de calor infrarrojo puede concentrar el calor en la pequeña zona de sellado del tubo de vidrio. El coeficiente térmico de expansión del material de vidrio y las partes metálicas debe ser similar para evitar que se rompa el sello de vidrio a metal. El vidrio utilizado debe tener una alta resistencia eléctrica y no debe contener componentes volátiles, como óxido de plomo y fluoruros, que pueden contaminar los contactos durante la operación de sellado. Los cables del interruptor deben manipularse con cuidado para evitar romper la cubierta de vidrio. La cubierta de vidrio puede dañarse si el interruptor de láminas se somete a tensión mecánica.

La mayoría de los interruptores de láminas están llenos de nitrógeno a presión atmosférica. Después de realizar el sellado final, el interruptor se enfría y la presión interna es inferior a una atmósfera. Los interruptores de láminas sellados con una atmósfera de nitrógeno presurizado tienen un voltaje de ruptura más alto y son útiles para cambiar la alimentación de 220 a 240 VCA. Los interruptores de láminas con vacío dentro de la envoltura de vidrio pueden cambiar miles de voltios.

Los interruptores de láminas se pueden usar para cambiar directamente una variedad de cargas que van desde nanovoltios a kilovoltios, de femtoamperios a amperios y de CC a radiofrecuencia. Otros dispositivos de conmutación activados magnéticamente tienen un rango limitado de voltajes y corrientes de salida y, por lo general, no controlan directamente un dispositivo final como una lámpara, un solenoide o un motor.

Los interruptores de láminas tienen pequeñas corrientes de fuga en comparación con los dispositivos de estado sólido; esto puede ser útil, por ejemplo, en dispositivos médicos que requieran la protección de un paciente contra pequeñas corrientes de fuga. La lengüeta está sellada herméticamente y, por lo tanto, puede funcionar en casi cualquier entorno, como cuando hay gas inflamable o donde la corrosión afectaría a los contactos abiertos del interruptor. Un interruptor de lengüeta tiene una resistencia muy baja cuando está cerrado, típicamente tan bajo como 50 miliohmios, mientras que los dispositivos de efecto Hall pueden tener cientos de ohmios. Un interruptor de láminas requiere solo dos cables, mientras que la mayoría de los dispositivos de estado sólido requieren tres cables. Se puede decir que un interruptor de láminas requiere energía cero para operarlo.

Usos

Relés de láminas

Uno o más interruptores de láminas dentro de una bobina electromagnética constituyen un relé de láminas. Los relés de láminas se utilizan cuando las corrientes de operación son relativamente bajas y ofrecen alta velocidad de operación, buen rendimiento con corrientes muy pequeñas que no son conmutadas de manera confiable por contactos convencionales, alta confiabilidad y larga vida útil. Se utilizaron millones de relés de lengüeta en centrales telefónicas en las décadas de 1970 y 1980. En particular, se utilizaron para cambiar en la familia británica de centrales telefónicas TXE. La atmósfera inerte alrededor de los contactos de lengüeta asegura que la oxidación no afectará la resistencia del contacto. A veces se utilizan relés de lengüeta humedecidos con mercurio, especialmente en circuitos de conteo de alta velocidad.

Sensores magnéticos

Los interruptores de láminas accionados por imanes se usan comúnmente en sistemas mecánicos como sensores de proximidad. Algunos ejemplos son los sensores de puertas y ventanas en los sistemas de alarma antirrobo y los métodos de protección contra manipulaciones. Los interruptores de lengüeta se han utilizado en computadoras portátiles para poner la computadora portátil en modo de suspensión/hibernación cuando la tapa está cerrada. Los sensores de velocidad en las ruedas de las bicicletas usan con frecuencia un interruptor de láminas para actuar brevemente cada vez que un imán en la rueda pasa por el sensor. Los interruptores de lengüeta se usaban anteriormente en los teclados para terminales de computadora, donde cada tecla tenía un imán y un interruptor de lengüeta accionado al presionar la tecla. Los teclados de pedales eléctricos y electrónicos utilizados por los organistas de tubos y los órganos Hammond a menudo usan interruptores de láminas, donde la carcasa de vidrio de los contactos los protege de la suciedad, el polvo y otras partículas. También se pueden usar para controlar equipos de buceo, como linternas o cámaras, que deben sellarse para evitar la entrada de agua a alta presión.

En un momento, los motores eléctricos de CC sin escobillas usaban interruptores de láminas para detectar la posición del rotor en relación con los polos de campo. Esto permitió que los transistores de conmutación actuaran como un conmutador, pero sin los problemas de contacto, el desgaste y el ruido eléctrico de un conmutador de CC tradicional. El diseño del motor también podría ser 'invertido', colocando imanes permanentes en el rotor y cambiando el campo a través de las bobinas fijas externas. Esto evitó la necesidad de cualquier contacto de fricción para proporcionar energía al rotor. Dichos motores se utilizaron en artículos de baja potencia y larga vida útil, como ventiladores de refrigeración de computadoras y unidades de disco. A medida que los sensores de efecto Hall baratos estuvieron disponibles, reemplazaron los interruptores de láminas y dieron una vida útil aún más larga.

Los interruptores de láminas se utilizan en al menos una marca de cápsula endoscópica para encender la fuente de alimentación solo cuando la unidad se retira del embalaje estéril.

Los interruptores de láminas se pueden seleccionar para una aplicación de sensor en particular cuando un dispositivo de estado sólido no cumple con requisitos como el consumo de energía o la compatibilidad de la interfaz eléctrica.

Vida

El movimiento mecánico de las cañas está por debajo del límite de fatiga de los materiales, por lo que las cañas no se rompen por fatiga. El desgaste y la vida dependen casi por completo del efecto de la carga eléctrica en los contactos junto con las propiedades del interruptor de láminas específico utilizado. El desgaste de la superficie de contacto ocurre solo cuando los contactos del interruptor se abren o cierran. Debido a esto, los fabricantes califican la vida útil en número de operaciones en lugar de horas o años. En general, los voltajes más altos y las corrientes más altas provocan un desgaste más rápido y una vida útil más corta. Dependiendo de la carga eléctrica, la vida puede estar en el rango de miles de operaciones o miles de millones de operaciones.