Interruptor de láminas

El interruptor de láminas ^[i] 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 , ^[1] y luego evolucionó en los Laboratorios Bell Telephone en 1936 por Walter B. Ellwood en el relé de láminas. En su forma más simple y común, consiste en un par de contactos metálicos flexibles ferromagnéticos en una envoltura de vidrio sellada herméticamente . Los contactos suelen estar normalmente abiertos , cerrándose 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 , formando un relé de láminas , ^{[2] o acercando un} imán permanente . Cuando se elimina el campo magnético, los contactos en el interruptor de láminas vuelven a su posición original. La "lengüeta" es la parte metálica dentro de la envoltura del interruptor de láminas que es relativamente delgada y ancha para que sea flexible, asemejándose a la lengüeta de un instrumento musical . El término "lengüeta" también puede incluir el cable conductor externo así como la parte interna. ^[i]

Un ejemplo común de una aplicación de interruptor de láminas es detectar la apertura de una puerta o ventana, para una alarma de seguridad . ^[3]

El tipo más común de interruptor de láminas contiene un par de láminas metálicas magnetizables y flexibles cuyos extremos están separados por un pequeño espacio cuando el interruptor está abierto. Las láminas están selladas herméticamente dentro de una envoltura de vidrio tubular. Otro tipo de interruptor de láminas contiene una lámina flexible que se mueve entre un contacto fijo normalmente abierto y un contacto fijo normalmente cerrado. El contacto normalmente cerrado no es ferromagnético y se cierra mediante la fuerza del resorte de la lámina flexible . Aunque es posible utilizar interruptores de láminas con varios polos , lo más frecuente es utilizar un conjunto de interruptores de láminas unipolares para aplicaciones multipolares.

Un campo magnético de un electroimán o un imán permanente hará que las láminas se atraigan entre sí, completando así un circuito eléctrico . La fuerza del resorte de las láminas 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 el contacto normalmente abierto ferromagnético se cierra. 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 los contactos normalmente abiertos, como espaciador magnético cuyo espesor es importante para controlar el nivel de campo magnético en el que se abre el contacto (la caída). Los contactos del interruptor de láminas suelen ser de rodio , rutenio , iridio o tungsteno . También hay versiones de interruptores de láminas con contactos humedecidos con mercurio . Dichos interruptores deben montarse en una orientación particular, para que las gotas de mercurio no puenteen los contactos incluso cuando no estén activados.

Dado que los contactos del interruptor de láminas están sellados y alejados 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 pequeñas chispas de los interruptores convencionales constituirían un peligro.

Una cualidad importante del interruptor es su sensibilidad, la cantidad de campo magnético necesario para activarlo. La sensibilidad se mide en unidades de amperios-vuelta (AT), que corresponden a la corriente en una bobina de prueba multiplicada por el número de vueltas en la bobina de prueba. Las sensibilidades de activación típicas 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 piezas más pequeñas, generalmente son más sensibles a los campos magnéticos.

En la producción, se inserta una lengüeta metálica en cada extremo de un tubo de vidrio y los extremos del tubo se calientan para que se sellen alrededor de una porción de vástago en las lengüetas. Con frecuencia se utiliza vidrio absorbente de infrarrojos de color verde , de modo 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 romper el sello vidrio-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 envoltura de vidrio. La envoltura de vidrio puede dañarse si el interruptor de lengüeta se somete a tensión mecánica.

La mayoría de los interruptores de láminas se llenan con nitrógeno a presión atmosférica. Después de que se realiza 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 conmutar la alimentación de red de 220 a 240 V CA. Los interruptores de láminas con vacío dentro de la envoltura de vidrio pueden conmutar miles de voltios .

Los interruptores de láminas se pueden utilizar para conmutar directamente una variedad de cargas que van desde nanovoltios a kilovoltios, femtoamperios a amperios y 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 requieren protección de un paciente contra pequeñas corrientes de fuga. El interruptor de láminas está herméticamente sellado y, por lo tanto, puede funcionar en casi cualquier entorno, como donde hay gas inflamable o donde la corrosión afectaría los contactos abiertos del interruptor. Un interruptor de láminas tiene una resistencia muy baja cuando está cerrado, normalmente tan baja como 0,05 ohmios , mientras que los sensores de efecto Hall pueden estar en los 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 no requiere energía para funcionar.

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 funcionamiento son relativamente bajas y ofrecen una alta velocidad de funcionamiento, un buen rendimiento con corrientes muy pequeñas que no se conmutan de forma fiable mediante contactos convencionales, una alta fiabilidad y una larga vida útil. En las décadas de 1970 y 1980 se utilizaron millones de relés de láminas en las centrales telefónicas . En particular, se utilizaron para la conmutación en la familia de centrales telefónicas británicas TXE . La atmósfera inerte alrededor de los contactos de láminas garantiza que la oxidación no afecte a la resistencia de los contactos. A veces se utilizan relés de láminas humedecidos con mercurio, especialmente en circuitos de conteo de alta velocidad.

Los interruptores de láminas accionados por imanes se utilizan habitualmente en sistemas mecánicos como sensores de proximidad . Algunos ejemplos son los sensores de puertas y ventanas en sistemas de alarma antirrobo y métodos de protección contra manipulaciones . Los interruptores de láminas se han utilizado en ordenadores portátiles para ponerlos en modo de suspensión/hibernación cuando se cierra la tapa. Los sensores de velocidad de las ruedas de las bicicletas utilizan con frecuencia un interruptor de láminas para activarse brevemente cada vez que un imán de la rueda pasa por el sensor.

En un tiempo, los motores eléctricos de corriente continua sin escobillas utilizaban interruptores de láminas para detectar la posición del rotor en relación con los polos del campo. ^[5] Esto permitía 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 corriente continua tradicional. El diseño del motor también podía "invertirse", colocando imanes permanentes en el rotor y conmutando el campo a través de las bobinas externas fijas. Esto evitaba la necesidad de cualquier contacto de roce para proporcionar energía al rotor. Dichos motores se utilizaban en elementos de larga vida útil y bajo consumo, como ventiladores de refrigeración de ordenadores y unidades de disco. A medida que se empezaron a comercializar sensores de efecto Hall baratos , sustituyeron a los interruptores de láminas y proporcionaron una vida útil aún más larga.

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

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

Videos externos
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Los interruptores de láminas se utilizaban anteriormente en los teclados de los terminales de ordenador, donde cada tecla tenía un imán y un interruptor de láminas que se accionaba al presionar la tecla. ^{[6] [7]}

Los teclados de pedales eléctricos y electrónicos que utilizan los intérpretes de órganos de tubos y de órganos Hammond suelen utilizar interruptores de lengüeta, en los que la carcasa de vidrio de los contactos los protege de la suciedad, el polvo y otras partículas. También se pueden utilizar para controlar equipos de buceo, como linternas o cámaras, que deben estar sellados para evitar que entre agua a alta presión.

Los interruptores de lengüeta en los teclados fueron reemplazados por los interruptores de efecto Hall . ^[8]

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

• Lista de sensores

• Hovgaard, Ole M.; Perreault, George E. (2 de marzo de 1955). "Desarrollo de interruptores de láminas y relés". Bell System Technical Journal . 34 (2): 309–332. doi :10.1002/j.1538-7305.1955.tb01474.x. ISSN  0005-8580.

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• Glosario de términos de uso común relacionados con productos de interruptores de láminas
• Preguntas frecuentes sobre los interruptores de láminas
• Referencia cruzada del interruptor de láminas