Como Funciona o Reed Switch (ART2121)

Lâminas flexíveis encapsuladas num invólucro de vidro formam um dos mais versáteis dispositivos eletrônicos com aplicações que vão desde o simples interruptor até a de sensíveis sensores para as mais diversas modalidades de acionamento. Neste artigo focalizamos o principio de funcionamento dos reed switches e apresentamos aos leitores algumas de suas aplicações.

Como o próprio nome sugere, o reed switch é uma chave de lâmina sendo formado por duas ou mais lâminas de metal encapsuladas numa ampola de vidro, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – O reed-switch
Figura 1 – O reed-switch

 

Como não há possibilidade de termos um acesso direto às lâminas, para que possamos acionar o dispositivo fazemos uso de um campo magnético externo.

Este campo magnético atua sobre as lâmpadas que se magnetizam por indução e com isso se flexionam para fechar o circuito encostando uma na outra ou então fazer uma comutação num sistema de 3 lâminas, conforme sugere a figura 2.

 

Figura 2 – Reed switch comum e comutador
Figura 2 – Reed switch comum e comutador

 

Para que obtenhamos uma operação deste dispositivo com características que permitam sua utilização com o máximo de confiabilidade, todas as suas partes devem obedecer a certos requisitos.

Partimos então das lâminas.

 

AS LÂMINAS

Evidentemente, o material com que são fabricados as lâminas devem ter propriedades ferro-magnéticas, para que possam sofrer uma magnetização momentânea sob a ação de um campo externo.

O material usado é o ferro-níquel, numa liga de alta permeabilidade para que não haja perda do fluxo magnético.

A retenção magnética deve ser o menor possível para evitar que o magnetismo remanescente prejudique o funcionamento do dispositivo quando o campo externo desaparece.

A presença desta retenção faria com que os contatos "grudassem“ permanecendo o dispositivo ligado mesmo depois de retirado o campo externo de acionamento.

O coeficiente de dilatação das lâminas deve ser equivalente ao do vidro do encapsulamento para evitar problemas durante o processo de soldagem.

Uma dilatação desigual com o aquecimento poderia resultar em micro-trincas no vidro que causariam a fuga do gás interno do dispositivo que, conforme veremos é de grande importância tanto no desempenho do dispositivo como na determinação de sua vida útil.

A superfície das lâminas deve ser totalmente limpa, isenta de gases que possam causar problemas de funcionamento.

Finalmente, a dureza da liga de ferro-niquel deve ser rigorosamente controlada.

 

O VIDRO

O vidro usado na construção dos reed switches deve apresentar características especiais.

Uma delas é a alta resistividade, pois as lâminas fazem contato internamente a ampola e, portanto, este deve funcionar como um perfeito isolante.

Nas ampolas que possuem sistemas reversíveis, existe uma pequena pastilha de quartzo entre as lâminas NA e NF, para garantir a isolação neste ponto em que existe uma grande proximidade física entre eles, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 –A pastilha de quartzo
Figura 3 –A pastilha de quartzo

 

E obvio que, pelas mesma razões expostas ao falarmos das lâminas o vidro deve ter um determinado coeficiente de dilatação. Para aumentar a capacidade de dissipação de calor do dispositivo, óxido de ferro é acrescentado ao vidro, o que lhe dá a coloração esverdeada o que caracteriza este tipo de componente.

 

CONTATOS

Mínimo de resistência ôhmica, capacidade de resistir ao faiscamento, são algumas das exigências para estes elementos dos reed switches..

Estas características são resultantes de banhos eletrolíticos rigorosamente controlados. O material mais usado é a liga de Ródio/rutênio que tem um ponto de fusão de aproximadamente 2000°C e apresenta uma resistência de contato inicial que pode variar entre 50 e 200 miliohms dependo do tipo de ampola.

As ampolas com contatos NA de Ródio/rutênio, comutam, dependendo de seu tamanho potências de 10 a 15 watts.

Para comutação de potências mais elevadas, até 100 W com contatos NA, existem ampolas com contatos de tungstênio, que tem um ponto de fusão bem mais alto, de 3387°C, mas com resistências de contato mais elevadas, da ordem de 500 miliohms.

 

UTILIZAÇÃO

Para operação de um reed switch precisamos fazer com que um campo magnético externo atue sobre as lâminas que então se vergam, fazendo com que ocorram os contatos das formas desejadas.

Podemos obter o campo magnético externo de duas maneiras: a partir de um imã permanente ou a partir de uma bobina, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – Modos de acionamento
Figura 4 – Modos de acionamento

 

A intensidade da corrente na bobina e o número de espiras determinam a intensidade do campo magnético que vai ser produzido.

Em qualquer caso, entretanto, devemos conhecer a sensibilidade do reed switch, ou seja, a intensidade do campo magnético necessário ao acionamento do dispositivo.

Esta sensibilidade normalmente é referida A.T. (ampere-turn) ou em português A.E (ampère-espira).

A sensibilidade de um reed switch é definida durante seu processamento de fabricação e depois conferida e classificada em grupos de 5 A.T.

Usando uma bobina padrão, os fabricantes conseguem definir a sensibilidade de um reed switch, conforme mostra a figura 5.

 

Figura 5- Medindo a sensibilidade
Figura 5- Medindo a sensibilidade

 

Quanto mais baixo for o valor A.T. de um reed switch mais sensível ele será.

E importante observar que as lâminas e os terminais formam um circuito magnético, de modo que o corte de parte dos terminais para a montagem, por menor que seja, altera a sensibilidade do reed switch.

A tensão de ruptura também varia de acordo com a sensibilidade.

Para o caso de acionamento por um imã permanente, quanto maior for a sensibilidade do reed switch, maior poderá ser a distância entre a ampola e o imã no instante do acionamento ou mais fraco poderá ser o imã utilizado.

 

APLICAÇÕES

Para que as lâminas movam-se no sentido de haver a operação do reed switch deve haver um determinado posicionamento do imã permanente o da bobina.

Isso é necessário para que as linhas de força do campo magnético atuem sobre o sistema de maneira conveniente. Uma mudança de posição levando o imã ou a bobina a influir de maneira imprópria sobre as lâminas, causa uma perda de sensibilidade, ou seja, exige-se maior aproximação ou maior "força" do imã de acionamento para uma operação satisfatória, conforme mostra a figura 6.

 

Figura 6 – O posicionamento do imã
Figura 6 – O posicionamento do imã

 

 

A posição para acionamento a partir de um imã permanente depende também do modo segundo o qual é feita a aproximação do reed switch.

Temos então duas possibilidades para o imã em forma de barra.

A primeira é mostrada na figura 7 em que o imã é aproximado perpendicularmente à ampola, caso em que os pólos devem ficar orientados segundo uma paralela ao componente.

 

Figura 7 – Acionamento por movimento perpendicular
Figura 7 – Acionamento por movimento perpendicular

 

Neste caso, o campo magnético criado fecha o circuito magnético passado pelas lâminas que se atraem estabelecendo o contato.

A segunda maneira é mostrada na figura 8, e corresponde a um acionamento por deslocamento paralelo ao componente do imã permanente, em forma de barra.

 

Figura 8 – Acionamento paralelo
Figura 8 – Acionamento paralelo

 

Observe que a atuação de um dos pólos apenas sobre as lâminas fazem com que na posição mais próxima tenhamos o desligamento do reed switch.

Temos então duas posições laterais de acionamento e uma posição central de desligamento.

E importante observar que esta disposição é justamente a que encontra mos nos alarmes de automóvel com sistema de desarme magnético tão com em nossos dias.

O pequeno imã em forma de barra existente no chaveiro, normalmente é aplicado de forma errada no reed para se obter o desarme, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9 – Desarme de alarme em chaveiro
Figura 9 – Desarme de alarme em chaveiro | Clique na imagem para ampliar |

 

Ou passamos o imã num movimento lateral com os pólos situados verticalmente, ou então aproximamos o imã com os pólos numa linha paralela ao reed.

Outras modalidades importantes de acionamento podem ser conseguidas quando modificamos o formato do imã ou quando acoplamos a dispositivos que podem realizar os mais diversos movimentos.

A ação rápida do reed permite que possamos gerar pulsos de contagem para dispositivos digitais a partir de peças móveis de máquinas, elementos de fim de curso em máquinas ou mesmo na passagem de objetos por determinados locais, fazendo sua detecção.

Na figura 10, temos um exemplo de utilização para um imã torodal ou em forma de anel que se desloca em tomo do reed switch.

 

Figura 10 – Usando um imã em anel
Figura 10 – Usando um imã em anel

 

O acionamento ocorre quando o anel se encontra diretamente sobre os contatos, caso em que o circuito magnético é fechado.

Outra modalidade de acionamento é mostrada na figura 11.

 

Figura 11 – Acionamento rotativo
Figura 11 – Acionamento rotativo

 

Neste caso o acionamento é feito pela posição de um imã em forma de barra que gira em torno de uma certa posição, mantendo uma distância média constante da ampola do reed switch.

Este sistema pode servir de base para um tacômetro já que a cada volta do imã são produzidos dois pulsos de acionamento para um circuito externo.

Na figura 12 temos um interessante circuito de tacômetro que pode ser usado com um reed switch, fornecendo uma corrente para o instrumento proporcional à velocidade de rotação do imã.

 

Figura 12 - Tacômetro com reed switch
Figura 12 - Tacômetro com reed switch

 

O capacitor de temporização do monoestável determina a escala de operação do tacômetro, assim como o resistor em série.

Um monoestável como o da figura 13 fornece pulsos de duração constante a partir da rotação de um imã, no caso de um acionamento digital.

 

Figura 13 – Obtendo pulsos de duração constante
Figura 13 – Obtendo pulsos de duração constante

 

Para os casos em que a velocidade de rotação do imã é mais alta e, portanto, um formato em barra pode trazer problemas de vibrações, podemos usar um imã em anel, conforme mostra a figura 14.

 

Figura 14 – Usando um imã em anel
Figura 14 – Usando um imã em anel

 

Observe que, como no caso anterior a cada volta do imã temos o fechamento e abertura dos contatos duas vezes.

Uma imã em anel ou cilindro com 4 pólos, conforme mostra a figura 15 permite a produção de 4 pulsos a cada volta.

 

Figura 15 – Obtendo 4 pulsos por volta
Figura 15 – Obtendo 4 pulsos por volta

 

Um recurso muito interessante é mostrado na figura 16, e consiste na conversão de um reed switch NA (normalmente aberto) num reed switch NF (normalmente fechado).

 

Figura 16 – Convertendo um reed switch NA em NF
Figura 16 – Convertendo um reed switch NA em NF

 

Com o afastamento do imã de acionamento, o imã fixo fecha o circuito magnético através das lâminas, mantendo-as unidas e com isso os contatos fechados.

Com a aproximação do imã de acionamento na posição de cancelamento dos pólos o campo magnético é neutralizado com a abertura do circuito magnético e conseqüentemente dos contatos.

Outro processo interessante de acionamento é mostrado na figura 17.

 

Figura 17 – Acionamento através de blindagem magnética
Figura 17 – Acionamento através de blindagem magnética

 

Trata-se do acionamento através de blindagem magnética. Um material magnético que coloque 'em curto' as linhas de força do campo magnético do imã de acionamento, ao ser interposto entre este imã e o reed abre o circuito magnético de acionamento, e com isso os contatos.

 

ACIONAMENTO POR BOBINAS

O acionamento dos reed switches a partir de bobinas permite a elaboração de sensíveis relés. A principal vantagem de sua utilização está no fato de que, se não dispusermos de um reed relé pronto que tenha as características desejadas fica bastante fácil enrolarmos uma bobina especial que atenda as nossas necessidades.

Mas sem dúvida, uma outra vantagem igualmente importante está no fato de que a enorme sensibilidade dos reed switches e a não existência de partes móveis a não ser as próprias lâminas, permite a elaboração de relés com características que não seriam possíveis de se obter com configurações comuns.

Para obtermos um relé (reed relé) do tipo NA, com uma ampola simples NA de reed switch, basta enrolarmos em sua volta uma bobina com as características de acionamento desejadas, de acordo com a figura 18.

 

Figura 18 – Obtendo um reed relé
Figura 18 – Obtendo um reed relé

 

Para termos um reed relé normalmente fechado (NF) com a ampola do tipo NA, basta usar a configuração da figura 19.

 

Figura 19 – Um reed relé NF
Figura 19 – Um reed relé NF

 

O pequeno imã permanente montado junto ao reed switch, mantém o circuito magnético fechado e, portanto, suas lâminas unidas (circuito fechado).

Com o campo magnético criado pela bobina, que deve ter polaridade certa, o campo é cancelado e o circuito magnético interrompido, abrindo o contatos do reed switch.

O pequeno imã permanente pode ser substituído por uma bobina de polarização, conforme sugere a aplicação da figura 20.

 

Figura 20 – Usando uma bobina de polarização
Figura 20 – Usando uma bobina de polarização

 

O trimpot P1 atua como controle de polarização determinando a sensibilidade do relé.

 

MANUSEIO E USO

Os reed switches são componentes delicados e, portanto, devem ser manejados com cuidado. Uma quebra da ampola ou problemas de vedação junto aos terminais pode causar a perda do gás inerte do interior do dispositivo que é responsável pela durabilidade dos contatos e pela tensão de isolamento entre outras características do componente.

Conforme já vimos, o corte dos terminais altera a sensibilidade do componente pois este ajuda a fechar o circuito magnético de acionamento.

Não devemos nunca cortar o terminal de um reed diretamente com um alicate de corte. Devemos firmá-lo com outro alicate e depois cortá-lo, o mesmo sendo indicado para o caso de dobras, conforme mostra a figura 21.

 

Figura 21 – Cortando o terminal de um reed switch
Figura 21 – Cortando o terminal de um reed switch

 

O fabricante também indica o comprimento mínimo do terminal cortado, devendo este fator ser respeitado ao ser utilizado o componente.

Com cargas de baixas tensões e baixas correntes o reed switch tem uma durabilidade que se estende a milhões de operações.

No entanto, a medida que as cargas se tornam maiores a vida útil do componente é reduzida. Cuidados especiais devem ser tomados com cargas capacitivas e indutivas.

Basicamente estes são os mesmos cuidados que tomamos com contatos de relés. Sugerimos aos leitores interessados nestes problemas consultar o nosso livro Relés – Circuitos e Aplicações que contém um capítulo que trata especificamente deste problema.

 

 


Opinião

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