На какой электронике применяются герконы. Принцип действия герконового реле

Современные технологии с каждым днём всё больше упрощают все сферы жизнедеятельности человека. Предмет рассмотрения сегодняшней публикации является один из таких полезнейших устройств. Современный герконовый датчик, как один из самых практичных и удобных коммутационных средств, (соединяющих электромеханические контакты в электрической цепи) – прагматичное и эффективное решение как для специального применения в профессиональной сфере, так и обычного бытового использования. Более подробно о том, что это такое, геркон, как работает и каков принцип его действия, можно ли сделать и подключить его своими руками в бытовых условиях – узнавайте далее.

Что это такое: геркон

Официально научное название геркон является образованием двух слов – герметичный и контакт. В своей сущности, название полностью оправдывает его основной функционал и предназначение, так как геркон – это коммутационное (соединяющее) устройство в электрике, которое действует на основе физических законов электромагнитного поля и передачи тока по проводникам.

Особенностью этого вида контакта является его герметичные условия действия.

Он окружён полностью герметичной стеклянной (чаще всего) оболочкой, что обеспечивает полную изоляцию и снижение уровня внешних воздействий на проводники.

Преимущества использования герконов, их свойства и особенности:

Высокая эффективность и прагматичность. Технические характеристики герметичных контактов высоки по сравнению (с учётом пропорциональности) с обычными реле (более подробно – ниже).
Меньше по размеру, по сути это маленький продолговатый шар с проводниками.
Долговечны, так как изоляция позволяет контактам подвергаться внешним влияниям в меньшей степени, при этом, избегая большинства внутренних явлений (дребезг, трения и т.д.).
Минимальная погрешность и высокий показатель быстроты срабатывания.
Удобство и комфортность использования в силу отсутствия возможных звуковых или визуальных феноменов.
Непрерывность действия.
Простое подключение.
Возможность использования при минимальных затратах, так как действует без потребности в дополнительной электроэнергии для запуска действия.

Некоторые контакты специально обрабатываются дополнительными веществами вроде ртути для увеличения стойкости ко временному влиянию, безопасности и эффективности. Такие устройства называются жидкими, так как находятся не в условиях инертного газа, а в какой-либо проводящей жидкой консистенции, например, ртути.

Технические характеристики геркона

Несмотря на то, что использование герконов отмечено в истории ещё с самого начала 70-ых, они по-прежнему актуальны во многих электроприборах и схемах по сей день. Это обусловлено рядом их полезных свойств и преимуществ по сравнению с другими видами коммутационных средств. Они практичны, долговечны, их легко привести в действие, при этом, не затратив много ресурсов.

Основные минусы и нюансы эксплуатации:

Вопреки действительно быстрому реагированию и срабатыванию, они всё же неспособны работать со значительными параметрами мощности. Даже распространённые 220 вольт – проблема для работы обычного контакта.
В герконах с использованием инертного газа (сухой геркон) существует несколько проблем эксплуатации, одними из которых являются электрические дребезги (вспышки, замыкание) и трение.
На фоне высоких возможностей, связанных с герметичной колбой, в которой находятся контакты, она хрупка и легко повреждаема.
Для работы необходима полная концентрация одного единственного источника магнитного поля, иначе контакт может быть условно растянут.

Особого внимания требует особенность герконов, когда происходит буквально прилипание контактов друг к другу. Иногда, в силу частого срабатывания, контакты могут непрерывно соприкасаться друг с другом, что создает замкнутый поток.

Классификация: герконовое реле

Одним из результатов практичного использования герконов является герконовое реле. Само по себе реле – это электромеханический механизм, осуществляющий размыкание и замыкание цепи на определённом её промежутке. Они широко использовались и используются по сей день. Так, например, нередко можно встретить герконовый выключатель, охранный датчик помещения или автомобиля, а ранее на их основе изготавливалась даже компьютерная клавиатура.

Классификация герконовых реле по принципу воздействия магнитного поля (типы):

Нормально разомкнутый (размыкающий) контакт. Такое устройство при попадании в область воздействия магнитного поля срабатывает и замыкающий цепь контакт соединяется.
Нормально замкнутый контакт. По аналогии с разомкнутым реагирует на магнитные волны и размыкает цепь при срабатывании.
Альтернативный вариант – переключающий контакт. Своеобразен, но практичен в применении, так как реагируя на магнитный источник цепь, состоящая из нескольких реле, замыкается в одном промежутке и размыкается в другом. При отстранении от поля – наоборот.

Примечательно, что все три вида достаточно актуальны и сегодня. Помимо основных качеств герконов, присущих им, они также могут работать в условиях высоких температур.

В качестве модернизации таких реле выступают так называемые герсиконы (герметичные силовые контакты).

Они оснащены дополнительными контактами, рассчитанными на образование на них электрической дуги. Это повышает переносимую мощность и уменьшает погрешности в работе геркона. Существуют также так называемые реле с памятью. Они названы таким образом потому, что после изоляции контактов от магнитного поля, они продолжают оставаться в первоначальном положении, как в было в поле. Это происходит потому что сами контакты выполнены из особого материала, постоянно имеющий определённый уровень заряда, т.е. намагничены.

Принцип работы: герконовый выключатель

Устройства, работающие на основе герконовых контактов, находят применение в самых разных сферах деятельности. Так, герконовый выключатель – это специальное устройство срабатывания, которое используется в охранных системах, имеющих обозначение СМК, в системе освещения помещений, срабатывания оповещений и многих других.

Пример работы герконового выключателя и его особенностей:

После открытия двери, предварительно встроенное в дверную коробку устройство приближается к активному магнитному полю.
Под действием поля контакты соединяются и создают направленный поток тока.
Переключатель срабатывает и в помещении горит свет, пока геркон не покинет поле.
Возможен вариант самопроизвольного размыкания цепи, вследствие чего потухнет. Такое происходит из-за сильного потока, который геркон не выдерживает.

Несмотря на все особенности, такие датчики и автоматические выключатели широко распространены в охраняемых помещениях. Расшифровка аббревиатуры таких систем СМК – сигнализатор магнитоконтактный или магнитный контакт. Обращаем внимание на то, что все герконы не рассчитаны на многие стандартные показатели вольт. Например, 220В чаще всего потребуют взять дополнительный апгрейд геркона.

Составные элементы: геркон на размыкание

Герметичный контакт, работающий на размыкание цепи, работает по схеме разъединения контакта при помещении его в магнитное поле. Это может быть полезно, когда необходимо прекратить подачу тока в постоянно накалённой цепи. Использоваться такая схема может как в бытовых, так и в специальных условиях.

Основные элементы герконов :

Сердечник, встроенный в оболочку;
Контакты из проводящего материала;
Инертный газ (например, азот) или капля проводящей жидкости (ртуть);
Герметичный болон;
Прокладка из изоляции.

Существует также определённая маркировочная классификация, для которой предусмотрен справочник. Основные обозначения герконов: А (замыкает), В (размыкает), Р (ртуть), Ж (жидкий) и другие.

В электронных агрегатах и радиотехнике активно используются устройства коммутации и контакты. Но такие детали считаются ненадёжными, так как частая эксплуатация оборудования изнашивает их. Из-за этого специалисты часто используют герконовое реле, которое представлено в виде магнитоуправляемого герметического контакта. Для более длительной эксплуатации на них установлены качественные выключатели.

Краткое описание

В современном мире герконы практически не используются, так как в массовую продажу поступили более универсальные датчики Холла. Но всё же встречаются ситуации, когда без такого реле просто не обойтись. А всё дело в том, что устройством просто управлять, и его можно устанавливать в схему любого оборудования. Когда же мастеру нужно добиться высокой степени надёжности и долговечности от агрегата, тогда без геркона просто не обойтись.

Сегодня такое реле можно встретить в различных датчиках и аналогичных устройствах. Функциональные возможности принято делить на три основные категории:

Переключение.
Замыкание.
Размыкание.

Среди основных технических признаков можно выделить сухой и ртутный контакт. В последнем случае в стеклянном корпусе содержатся капли металла, которые особенно важны в процессе работы реле, так как улучшается качество контакта.

К тому же ртуть помогает избежать нежелательной вибрации, за счёт чего увеличивается время срабатывания установки. Именно поэтому специалисты всегда рекомендуют использовать этот тип контакта.

Характеристики устройства

Высококачественное герконовое реле состоит из двух контактов, которые изготовлены из специфического ферромагнитного сплава. Установлены они в прочной колбе, благодаря чему пользователь может всегда контролировать их работу. Если же к контактам поступает постоянный магнит, тогда происходит замыкание с формированием непрерывной цепи. Из-за такой специфичности герконовый коммутатор стали называть концевым выключателем.

Промышленные производители маркируют такие агрегаты в строгом соответствии с итоговой сферой применения. К примеру: если на реле нанесена аббревиатура КЭМ, то оно относится к категории коммутационных электрических механизмов. Большая буква «А» означает, что устройство можно эксплуатировать в любых погодных условиях, а вот детали с пометкой «В» предназначены исключительно для помещений. Часто можно увидеть сокращение МКА, которое означает, что этот магнитный коммутатор идеально подходит для любых условий использования.

Для стандартного переключающегося агрегата уровень сопротивления находится в пределах 0.2 Ом. Качественный геркон на размыкание отличается тем, что этот показатель составляет 1 кОм. Такие данные позволяют мастерам существенно ускорить переключение имеющихся цепей. Все магнитные выключатели такого типа применяются для силовых сетей напряжения, так как они обладают более высокими показателями. Магнитный размыкающий геркон активно используется в различных схемах, в компьютерной и охранной отрасли, а также контактных датчиках.

Разновидности моделей

Высококачественные герконовые реле принято делить на несколько категорий, которые отличаются между собой устройством контактной группы. Каждая разновидность обладает многочисленными положительными характеристиками, которые высоко ценятся как специалистами, так и домашними мастерами. В продаже представлено несколько видов герконов:

С переключающимся типом контактов.
Традиционные разомкнутые установки.
Специфические элементы с замкнутыми контактами.

Кроме основных функциональных признаков, специалисты выделяют и технологические параметры, которые разделяют коммутирующие герметичные агрегаты на сухие и ртутные.

Конструктивные отличия

Многофункциональный геркон представлен в виде герметичного баллона из стекла, внутри которого расположены чувствительные контакты. Эти элементы являются магнитными сердечниками, приваренными с торцовых сторон изделия. Все внешние части подключаются к имеющейся электросети.

Самыми востребованными сегодня считаются герконовые реле на замыкание. Контакты изготовлены из качественной ферромагнитной проволоки прямоугольной формы. Сердечники выпускаются из пермаллоя - материала, где основную роль играет мощность, а также размер геркона. В случае надобности покрытие может быть заменено на серебро, золото, родий.

Готовую колбу вакуумируют или же запускают в неё инертный газ, что предотвращает развитие коррозии в выключателе. В процессе изготовления специалисты также учитывают тот факт, что между сердечниками присутствует зазор определённого диаметра.

Принцип работы

Переключающий геркон с контактами замыкания укомплектован двумя сердечниками, которые отличаются повышенной магнитной проницаемостью. Эти два элемента расположены в герметичном стеклянном баллоне, который заполнен инертным газом либо газовой смесью. В самой колбе присутствует давление мощностью 50 кПа. Особая инертная среда не позволяет контактам окисляться.

Баллон геркона помещается во внутренний отсек управляющей обмотки, которая подключена к источнику постоянного тока. В момент включения питания на ответственном реле формируется необходимое магнитное поле, которое проходит по сердечникам контактов, а затем по зазору и замыкается на управляющей катушке. Рабочий поток энергии создаёт тяговую силу, которая соединяет контакты между собой.

Дополнительное покрытие контактов серебром, золотом, палладием или же радием помогает снизить сопротивление контактов. После включения питания в катушке электромагнита исчезает усилие, а сами пружины работают по принципу размыкания. Стоит отметить, что в герконовом реле полностью отсутствуют поверхности, где детали были бы подвержены трению между собой. Сами контакты отличаются разнообразием функций, так как они могут выполнять всю работу проводника, магнитопровода и пружин.

Повышение плотности тока помогает уменьшить габариты катушки магнита в несколько раз. Провод в эмали активно используют для намотки. Все узлы геркона проходят через штамповку, а соединения выполняются сваркой или же пайкой. В этих агрегатах активно используются магнитные экраны, которые помогают снизить зоны состояния включения.

Слаженная работа реле обусловлена тем, что все пружины устанавливаются без дополнительного натяга, за счёт чего устройство готово к работе сразу после запуска. Вместо привычных электромагнитов могут применяться постоянные магниты, из-за чего герконы называют поляризованными. Для нажатия контактов реле требуется некое усилие, которое обусловлено наличием магнитной катушки. Такой эффект нельзя встретить в обычных электромагнитных агрегатах, где вся сила зависит от пружины.

Принцип действия герконового реле на размыкание отличается тем, что система реле под воздействием электромагнита намагничивает сердечники, которые поэтапно отталкиваются между собой и размыкают цепь. Те модели, которые относятся к замкнутому типу, оснащены тремя контактами, один из них покрыт металлом, а остальные - ферромагнитным составом.

Преимущества и недостатки

Каждый агрегат отличается как положительными, так и отрицательными характеристиками. Если пользователь знает все сильные и слабые стороны приобретённого изделия, он может подобрать ему наиболее подходящую сферу применения. Именно поэтому перед покупкой герконового реле нужно изучить его преимущества:

Когда все положительные стороны изучены, можно ознакомиться и с недостатками. Если мастер обладает необходимым опытом работы, то он сможет устранить мелкие недочёты. Среди основных недостатков герконового коммутатора можно выделить следующие характеристики:

Несмотря на значительное преобладание положительных характеристик, герконовое реле постепенно вытесняется другими аналогами полупроводникового типа (к примеру, датчик Холла). Решающую роль сыграла более высокая прочность конструкции, полное отсутствие дребезжания, а также небольшой размер.

Сферы применения

Высококачественные и многофункциональные герконовые выключатели считаются востребованными в системах охраны, где они используются в качестве реле. Такие устройства также монтируются в специальные датчики. Не стоит забывать и о других сферах применения:

Правила управления герконом

В связи с тем, что такое оборудование используется не только в быту, но и во многих других отраслях, каждый пользователь должен знать, как с ним обращаться. Только в этом случае можно рассчитывать на качественную работу реле. Тем более что управлять герметичным коммутатором можно двумя основными способами:

Используя магнит постоянного типа.
Воздействуя катушкой, которая подсоединена к постоянному источнику тока.

В первом варианте пользователь может задействовать угловое или же линейное перемещение постоянного магнита. Кроме того, часто встречается способ, когда специальная шторка перекрывает рабочее поле. Такой вариант можно встретить в универсальных датчиках уровня и положения, а также в охранной сигнализации.

Второй способ позволяет специалистам соорудить мощное реле на основе геркона. В отличие от известных традиционных конструкций, такой агрегат будет более надёжным, качественным и долговечным, так как в его схеме будут отсутствовать какие-либо подвижные элементы. А вот что касается небольшого количества контактных групп, то этот небольшой минус можно легко устранить, если использовать сразу несколько герконов.

В качестве примера применения такого способа управления можно смело назвать токовое реле. Этот агрегат представлен в виде мощной катушки, которая обмотана прочным проводом большого сечения. Во внутреннем отсеке обязательно располагается герметичный коммутатор.

Универсальность этого приспособления может использоваться в качестве надёжной защитной системы от перегрузки в цепях постоянного тока. Вдобавок мастер может регулировать чувствительность прибора за счёт линейного перемещения коммутатора внутри катушки.

Геркон – сверхточный быстродействующий герметичный переключатель, управляемый магнитным полем . Количество его срабатываний – до пяти миллиардов раз. На его основе выпускаются датчики магнитного поля и герконовые реле для самых различных применений – от бытовой техники до авиации и космонавтики. В статье описаны особенности выбора герконов и дан табличный обзор широкой линейки этих изделий производства Littelfuse .

Слово «геркон» является сокращением слов «герметичный контакт». Первый геркон был разработан в 1936 году американской компанией Bell Telephone Laboratories. Впоследствии они стали широко применяться в качестве датчиков, и на их основе были созданы герконовые реле.

Геркон (рисунок 1) состоит из двух ферромагнитных проводников, имеющих плоские контакты, герметизированные в стеклянной капсуле. Без внешнего магнитного поля контакты разомкнуты, и между ними есть небольшой диэлектрический зазор. В магнитном поле контакты замыкаются. Контактная область обеих пластин имеет напыленное или гальваническое покрытие, выполненное из очень стойкого к эрозии металла (обычно – родий, иридий или рутений). Структура слоев покрытия контактов приведена на рисунках 2а и 2б для родия и иридия соответственно.

Иридий, рутений и родий – очень стойкие к эрозии металлы платиновой группы. Благодаря напылению из этих металлов количество срабатываний контактов достигает пяти миллиардов раз. В полость капсулы обычно закачивают азот. Некоторые типы герконов вакуумируются для увеличения максимально допустимого коммутируемого напряжения. Контакты геркона в магнитном поле намагничиваются, и между ними возникает магнитодвижущая сила, равная напряженности магнитного поля. Если напряженность магнитного поля достаточно велика, чтобы преодолеть упругие силы в контактах, возникающие при их упругой деформации, то контакты замыкаются. Когда поле ослабевает, контакты снова размыкаются.

Существует два типа герконов: SPST-NO (Single Pole, Single Throw Normally Open, то есть «один полюс, один канал») – обычный выключатель, в котором два контакта нормально разомкнуты; SPDT-CO (Single Pole, Double Through Change Over, то есть «один полюс, два канала – переключение») – переключатель, в котором один контакт всегда нормально замкнут, а второй нормально разомкнут.

Геркон, описанный выше и представленный на рисунке 3, относится к SPST-типу.

На рисунке 4 представлен геркон SPDT-типа.

Общая пластина является единственной подвижной частью такого геркона, в отсутствие магнитного поля она замкнута с нормально замкнутым контактом реле. При возникновении магнитного поля соответствующей силы общая пластина замыкается с нормально разомкнутым контактом. Обе пластины нормально разомкнутого и нормально замкнутого контактов являются неподвижными. Разомкнутые контакты имеют ферромагнитное покрытие, а нормально замкнутый контакт выполнен из немагнитного материала. При помещении в магнитное поле подвижный и нормально-разомкнутый контакт намагничиваются в одинаковом направлении, и при достаточной напряжённости магнитного поля происходит замыкание подвижного контакта с неподвижным ферромагнитным контактом. При исчезновении внешнего магнитного поля намагниченность контактов ослабевает, и они размыкаются. Для того, чтобы остаточная намагниченность была минимальной, при изготовлении герконов применяют высокотемпературную обработку контактов. В качестве источника магнитного поля для геркона чаще всего используют постоянный магнит (рисунок 5) или соленоид.

Рассмотрим несколько наиболее распространённых систем геркон-магнит.

Приближение и удаление магнита перпендикулярно (рисунок 6) или под углом (рисунок 7) к главной геометрической оси геркона:

В данном случае геркон будет замыкаться при приближении и размыкаться при отдалении магнита. Рассмотрим более подробно, обратившись к рисунку 8.

Концентрация силовых линий магнита уменьшается при удалении магнита от геркона. Наиболее сконцентрированы магнитные линии на полюсах магнита. Наиболее обширная зона взаимодействия магнита с герконом находится в центре геркона. При нахождении постоянного магнита в пределах этой зоны магнитное поле является достаточным для надежного срабатывания контактной группы. Пунктиром показана зона гистерезиса – при вхождении магнита в эту зону магнитное поле еще не обладает достаточной напряженностью для срабатывания контактной группы, но ее достаточно для удержания контактной группы в сработавшем состоянии. В случае иной конфигурации контактной группы геркона, отличной от рассматриваемой SPST, под срабатыванием будет пониматься размыкание нормально-замкнутого контакта и замыкание подвижного контакта с нормально-разомкнутым контактом SPDT геркона. Замыкание контактов геркона может активироваться с помощью параллельного движения кольцевого магнита вдоль оси геркона, как показано на рисунке 9.

Конфигурация зон взаимодействия будет схожа с предыдущей системой, так как ось геркона и направление магнитных линий магнита будут совпадать с описанной выше ситуацией, как видно на рисунке 10.

Геркон может активироваться при помощи плоского магнита или кольцевого магнита с двумя или 2N полюсами (рисунок 11).

Для понимания зон взаимодействия геркона обратимся к рисункам 12 и 13.

Как видно, зоны взаимодействия находятся на концах геркона. В центральной части геркона находится «мертвая зона», в которой геркон остается открытым. Таким образом, двигающийся перпендикулярно геркону магнит, чьи полюса расположены подобным образом, активировать геркон не будет (рисунок 14).

Геркон можно экранировать с помощью магнитного материала (например, стального листа). На рисунке 15 изображены неподвижный геркон и неподвижный магнит между которыми движется экранирующий предмет.

Основные типы герконов, выпускаемые компанией Littelfuse, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Серии герконов Littelfuse

Длина корпуса, мм	Нагрузочная способность (Стандартная: ≤10 Вт, ≤0,5 A, ≤200 В)	Тип контактов	Key Features
7	Стандартная	SPST	Супер-компактный (7 мм стеклянный корпус)
10	Стандартная	SPST	Очень компактный (10 мм стеклянный корпус)
13	Стандартная	SPST	Компактный (12.7 мм стеклянный корпус)
14	Стандартная	SPST	Дешевый, более гибкие выводы
14	Стандартная	SPST	Малый гистерезис
15	Стандартная	SPST	Низкая цена
15	~240 В (20 Вт)	SPST	~ 240 В макс. рабочее напряжение
15	20 Вт	SPST	Малый гистерезис
15	20 Вт	SPST	Длинные выводы, повышенный ресурс
19	1000 В	SPST	Высоковольтный
20	~240 В, 50 Вт	SPST	Напряжение переключения ~240 В, высокая мощность
50	100 Вт, 3 A, 400 В	SPST	Большой, высокая мощность
15	Стандартная	SPDT	Малый корпус
40	30 Вт, 0.5 A, 500 В	SPDT	Высокая мощность
40	50 Вт, 1.5 A, 500 В	SPDT	Большой, высокая мощность

Основные параметры герконов

Время срабатывания – время между моментом приложения магнитного поля и моментом замыкания контактов геркона.

На рисунке 16 представлен график зависимости величины магнитного поля от времени. Вначале геркон помещают в сильное магнитное поле до момента насыщения (при этом даже при увеличении магнитной индукции намагниченность, достигнув максимума, остается неизменной). После этого магнитное поле ослабляют до 0 и начинают постепенно увеличивать. Рабочая точка на данном графике означает такую величину магнитного поля, при которой контакты геркона замыкаются. Точка рассоединения – соответствует величине магнитного поля, при которой контакты размыкаются. Нужно заметить, что сила поля в точке рассоединения всегда ниже, чем в рабочей точке. Это связано с тем, что у контактов геркона всегда остается небольшая намагниченность.

Временем отпускания называется интервал между рабочей точкой и точкой рассоединения.

Магнитодвижущая сила (МДС) срабатывания ( pull — in ) – это величина силовой характеристики магнитного поля, при которой происходит замыкание контактов геркона. В системе СИ единицами измерения магнитодвижущей силы являются Ампер*витки (AT или Amper*turns). Когда измеряют магнитодвижущую силу с помощью соленоида, рабочая точка (замыкание) обычно дается при температуре 20°С, так как из-за термического расширения медного провода в катушке магнитное поле будет меняться приблизительно на 0,4%/°С.

Отношение между размыканием и замыканием, выраженное, как правило, в процентах, называется гистерезисом. В зависимости от материалов металлических контактов, их жесткости, длины, площади соприкосновения, гистерезис будет сильно меняться (рисунок 17).

Гистерезис – это отношение магнитодвижущей силы срабатывания к магнитодвижущей силе в точке рассоединения. Обычно этот параметр выражают в процентах. Компания Littelfuse выпускает специальные серии герконов (MACD-14, MASM-14), в которых гистерезис сведен к минимуму. Обычно такие герконы применяются в датчиках уровня жидкостей, в системах позиционирования.

Контактное сопротивление ( contact resistance ) – максимальное сопротивление геркона в замкнутом состоянии.

Удельное сопротивление контактов геркона или герконового реле очень мало и обычно составляет от 7,8х10 -8 до 10х10 -8 Ом/м. Это выше удельного сопротивления меди, которое равняется 1,7х10 -8 Ом/м. Контактное сопротивление герконов обычно составляет около от 70 до 200 мОм, а сопротивление контактов в герконовом реле – около 150 мОм.

Динамическое сопротивление контактов ( Dynamic Contact Resistance ( DCR ) – это сопротивление контактов геркона в рабочем/динамическом режиме. Статичное контактное сопротивление геркона – достаточно малоинформативный параметр, который не позволяет выявить проблемы, связанные с реальным состоянием контактов. Замыкание и размыкание контактов геркона с частотой от 50 до 200 Гц дает намного больше информации. Подача на геркон напряжения 0,5 В и тока 50 мА может помочь выявить потенциальные проблемы. Эти измерения могут быть выполнены с помощью осциллографа и легко оцифрованы при автоматическом контроле качества (рисунок 18). Не стоит использовать более высокое напряжение, чтобы не изнашивать контакты геркона. Если на производстве контакты геркона не были правильно очищены перед корпусированием, то на них может находиться тончайшая диэлектрическая пленка толщиной в несколько ангстрем. Из-за нее может быть нарушена коммутация слабых сигналов. При использовании более высокого напряжения эта проблема может никак не проявиться.

Если на катушку подать сигнал с частотой 50…200 Гц, ток коммутации будет порядка 0,5 мА. Дребезг контактов после замыкания может продолжаться около 100 мс, и за ним последует динамический шум, который будет длиться около 0,5 мс. Природа этого динамического шума состоит в том, что после замыкания контактов происходят гармонические колебания, и в месте контакта изменяется сопротивление из-за меняющегося в зоне контакта давления. При этом размыкания не происходит. На рисунке 19 видно, что после завершения фазы динамического шума начинается «волновая» фаза, длящаяся 1 мс или чуть более. Вибрация контактов геркона в магнитном поле соленоида через 2…2,5 мс прекращается, и сопротивление стабилизируется.

Наблюдая за осциллограммой этого динамического теста, мы можем сделать некоторые выводы о качестве тестируемого геркона. Как только на соленоид подается напряжение, колебательный процесс должен завершиться за время, приблизительно равное 1,5 мс. Если колебания продолжаются более 2,5 мс, это может означать, что контакты плохо намагничиваются. В результате ресурс данного геркона будет небольшим, особенно если он будет работать с большой нагрузкой (рисунок 20).

Если динамический шум или дребезг контактов длятся значительно дольше 3 мс, это может быть следствием нарушения герметичности геркона, трещины в корпусе, перегрузки по току или напряжению. Также это может быть следствием загрязнения контактов при производстве или попадания влажного воздуха внутрь корпуса геркона. На рисунках 21 и 22 изображены такие случаи.

На рисунке 23 изображен случай, когда после завершения фазы динамического шума продолжаются стохастические колебания контактов, вследствие которого динамическое сопротивление контактов не стабилизируется.

Напряжение переключения/коммутации ( switching voltage ) – это обычно максимальное постоянное напряжение, которое может быть приложено к геркону в момент замыкания контактов. Если напряжение на герконе выше 5…6 В, при этом может произойти перенос микроскопического количества металла с одного контакта на другой. Несмотря на это, при работе с напряжениями до 12 В герконы и герконовые реле имеют наработку на отказ в десятки миллионов раз срабатываний. А при напряжении 5 В и меньше количество срабатываний увеличивается до миллиардов раз. Высококачественные герконовые реле Littelfuse могут работать в слабосигнальных цепях с напряжениями всего в несколько нановольт.

Ток переключения или коммутационный ток ( switching current ) – это максимальный постоянный ток или амплитудное значение переменного тока в момент замыкания контактов геркона. В случае превышения этого значения срок службы геркона значительно сократится.

Несущий ток ( carry current ) – это максимальное значение тока при замкнутых контактах геркона. Микросекундные импульсы тока могут значительно превосходить это значение без сокращения срока службы геркона. В то же время длительные импульсы тока или постоянный ток, превышающий несущий, приведут к сокращению срока службы геркона или выходу его из строя. Герконы и герконовые реле в отличие от своих электромеханических собратьев могут работать с очень малыми токами, на уровне нескольких фемтоампер (фемто = 10 -15).

Эквивалентная емкость ( contact capacitance ) – емкость геркона в замкнутом состоянии. Для герконов SPST-типа эта величина обычно составляет 0,1…0,2 пФ. Для переключающих герконов SPDT-типа эквивалентная емкость обычно составляет 1…2 пФ.

Этот параметр имеет большое значение при применении геркона в высокочастотных цепях.

Коммутируемая мощность ( switching power ) – это максимальная мощность, которая может потребляться нагрузкой, подключенной через геркон. Так как мощность рассчитывается как произведение коммутируемого напряжения и тока переключения, то для 10 Вт геркона не стоит пропускать ток более 500 мА при напряжении 200 В, для такого тока максимальное коммутационное напряжение составит всего 20 В. Превышение данного параметра также неминуемо влечет за собой сокращение срока службы геркона.

Сопротивление изоляции ( insulation resistance ) – сопротивление геркона в открытом состоянии. По этому параметру герконы превосходят большинство существующих на сегодняшний день ключей, так как их сопротивление изоляции измеряется в тераомах. Величина токов утечки геркона в открытом состоянии составляет единицы пикоампер.

Диэлектрическая абсорбция ( dielectric absorbtion ) – это эффект, связанный с поляризацией диэлектриков в герконе при разряде емкостного заряда контактов. Данный эффект проявляется в виде задержки или уменьшения протекания через замкнутый геркон очень малых токов на уровне наноампер.

Резонансная частота ( resonance frequency ) – это частота собственных колебаний геркона, при которой начинаются собственные вибрации контактов, которые, в свою очередь, влияют на такие параметры геркона как напряжение пробоя и напряжение коммутации. Герконы с капсулами 20 мм обычно имеют резонансную частоту в диапазоне 1500…2000 Гц. Более компактные 10 мм герконы имеют более высокую резонансную частоту: 7000…8000 Гц. Для того, чтобы избежать проблем в работе геркона, нужно учесть вибрации среды эксплуатации и резонансную частоту геркона.

Защита герконов и герконовых реле

В цепях, где геркон работает с индуктивной нагрузкой, такой как катушка реле, соленоид, трансформатор или миниатюрный мотор, энергия магнитного поля, накопленная в индуктивных компонентах, при коммутации будет испытывать высокие нагрузки по напряжению и току. Это обстоятельство будет негативно сказываться на сроке службы геркона.

Существует несколько способов устранить эту проблему.

Использование шунтирующего диода (в зарубежной литературе он часто встречается под названием flyback или freewheeling diode) возможно в цепях постоянного тока (рисунок 24). Для переменного напряжения придется использовать защитный диод Зенера (он же лавинный диод или TVS-диод), варистор или RC-цепочку (снабберную RC-цепь). Каждый из способов имеет как достоинства, так и недостатки.

Использование подавляющих RC-цепей (снабберных цепей).

Существует два варианта подключения снабберной цепи: параллельно геркону (рисунок 26) или параллельно нагрузке (рисунок 27). Первый способ является предпочтительным. Он позволяет снизить напряжение при коммутации и таким образом избежать образования искр. Но в этом случае при коммутации через геркон будет протекать больший ток, обусловленный разрядом конденсатора.

Таким образом, мы столкнемся с решением задачи по выбору подходящего по сопротивлению резистора и конденсатора по емкости. Малая емкость будет плохо сглаживать скачки напряжения при переходных процессах, особенно при большой реактивной составляющей нагрузки. А большая повысит стоимость снабберной цепи и при этом увеличит коммутационный ток, что также негативно скажется на долговечности геркона. Для ограничения тока во время замыкания контактов геркона используется резистор. Посчитаем сопротивление:

По закону Ома:

Напряжение на герконе должно лежать в пределах 0,5 от максимального пикового значения Vpk напряжения (1)

(1)

и троекратного его превышения 3*Vpk. Производим расчет по формуле (2):

(2)

где Isw – ток коммутации геркона.

Уменьшение сопротивления резистора в снабберной цепи уменьшит износ контактов геркона от электрических дуг, при этом высокое сопротивление будет положительно влиять на ограничение тока «конденсатор-геркон». Для подбора подходящей емкости рекомендуется начать с 0,1 мкФ. Это очень распространенная емкость и ее цена очень мала. Если этой емкостью не удается избавиться от искр при замыкании контактов геркона, то попробуйте ее постепенно увеличивать до исчезновения искр при коммутации. Параллельно с этим не забывайте про ток коммутации.

Формовка и обрезка выводов герконов

Длина и форма аксиальных выводов герконов не всегда удобны для применения в конкретном приборе. Однако необдуманная модификация может значительно сказаться на работе геркона. При резке и формировании выводов герконов важно использовать правильные опорные и режущие инструменты, чтобы избежать повреждения герметичных уплотнений «стекло-металл». Поврежденный корпус может иметь как незаметные глазу сколы, так и крупные трещины. Такие дефекты могут быть обнаружены визуально с использованием микроскопа с небольшим увеличением. Но бывают случаи, когда нарушается герметизация корпуса, и даже описанная выше методика измерения динамического сопротивления может не выявить заметного ухудшения. С течением времени в геркон будет попадать влага, и его функционирование будет нарушаться.

Для того, чтобы избежать повреждений, рекомендуется оставлять 1 мм длины вывода между точкой формовки либо обрезки – и корпусом геркона. При этом вывод геркона должен быть полностью зафиксирован, чтобы механическое напряжение при формовке или обрезке не передавалось на остальную часть вывода.

Рассмотрим основные способы формовки и обрезки выводов геркона.

Обрезка выводов геркона с помощью бокорезов с двусторонней заточкой (рисунок 28) недопустима, так как при этом сила, деформирующая вывод, будет передаваться в сторону корпуса.

Обрезка выводов бокорезами с односторонней заточкой допустима (рисунок 29), при этом надо помнить, что плоская сторона губок бокорезов должна находится со стороны корпуса геркона. Также следует обратить внимание на качество заточки и наличия люфта у используемого инструмента.

Обрезка выводов с помощью зажима, жестко фиксирующего контакты геркона (рисунки 30 и 31).

Обрезка выводов геркона с частичной фиксацией (рисунок 32) недопустима.

Формовка выводов геркона без фиксации вывода запрещена (рисунок 33), так как в таком случае деформации подвергается и часть вывода, уходящая в корпус геркона.

Формовка выводов геркона при фиксации вывода в двух точках, как показано на рисунке 34, допустима, так как опора В не дает деформироваться выводу в направлении от нее к корпусу геркона.

Формовка при полной фиксации вывода геркона, как показано на рисунках 35 и 36, также допустима.

После правильной формовки и обрезки выводов геркона можно получить распространенные конфигурации, изображенные на рисунке 37.

Выбор магнитов

Для общего применения в основном используются четыре группы магнитов: ферросплавы, альнико AlNiCo, неодимовые NdFeB и самариевые SmCo (таблица 2). Для того чтобы подобрать подходящий магнит, следует учитывать такие факторы как температура среды, размагничивание близкорасположенными источниками магнитных полей, свободное пространство для движения, химический состав окружающей среды.

Неодимовые магниты обладают наибольшей энергией, наибольшей остаточной намагниченностью и коэрцитивной силой. Они имеют сравнительно невысокую цену и более высокую механическую прочность, чем самариевые SmCo. Могут использоваться при температурах среды до 200°C. Не рекомендуется использовать эти магниты в средах с повышенным содержанием кислорода.

Самариевые SmCo имеют высокую энергию и подходят для применений, где требуется высокая стойкость к размагничиванию. Имеют великолепную термическую стабильность и могут использоваться в средах до 300°C, обладают высокой коррозийной стойкостью. При этом их цена – самая высокая среди всех типов магнитов. Их недостатком является очень высокая хрупкость.

Альнико AlNiCo намного дешевле, чем магниты из редкоземельных элементов и подходят для большинства применений. Имея низкую коэрцитивную силу, отличаются великолепной термической стабильностью вплоть до 550°C.

Ферритовые магниты являются самыми дешевыми, но при этом хрупкими. Имеют неплохую термическую стабильность и могут использоваться при температурах до 300 °C. Очень стойки к коррозии. Требуют механической обработки для соответствия жестким габаритным допускам.

Таблица 2. Выбор магнитов для управления герконами

Показатели	Увеличение показателей →
Цена	Феррит	AlNiCo	NdFeB	SmCo
Энергия	Феррит	AlNiCo	SmCo	NdFeB
Диапазон рабочих температур	NdFeB	Феррит	SmCo	AlNiCo
Коррозионная стойкость	NdFeB	SmCo	AlNiCo	Феррит
Коэрцитивная сила	AlNiCo	Феррит	NdFeB	SmCo
Механическая прочность	Феррит	SmCo	NdFeB	AlNiCo
Температурный коэффициент	AlNiCo	SmCo	NdFeB	Феррит

Заключение

В современном мире с каждым днем становится все больше «умных вещей», которые значительно упрощают наши повседневные задачи. Немалую роль в этом сыграли датчики на основе герконов. Фантастическая надежность, четкость срабатывания, отсутствие потребности в питании, простота применения и великолепные коммутационные свойства для слабосигнальных цепей сделали герконы одними их самых распространенных электронных компонентов, применяющихся всюду, от холодильников до самолетов.

Геркон (сокращение от слов «герметичный контакт») - это механический датчик, замыкающий свои контакты при воздействии магнитного поля. Корпусом геркона служит герметичная стеклянная колба, внутри которой параллельно друг другу располагаются две металлические пластины. С электрической точки зрения стандартный геркон эквивалентен одиночной замыкающей кнопке без фиксации положения.

Достоинства герконов (англ. «Reed Switches»):

Малая мощность, требуемая для управления (50…200 мВт);

Низкое сопротивление между замкнутыми контактами (0.05…0.2 Ом);

Высокое сопротивление между разомкнутыми контактами (10’"… 10’^ Ом);

Полная гальваническая развязка за счёт стеклянного корпуса;

Достаточное для практики быстродействие (0.5… 1.5 мс);

Длительный срок службы (10^.. 10^ переключений);

Механическая устойчивость, широкий диапазон температур (-60…+150’С), возможность эксплуатации в запылённых и агрессивных средах.

В зависимости от принципа действия герконы подразделяются на замыкающие и переключающие. В зависимости от коммутируемого напряжения различают низковольтные (менее 1 кВ) и высоковольтные герконы. В зависимости от длины корпуса - стандартные и миниатюрные (менее 10 мм).

Основные области применения герконов: реле, клавиатуры, промышленные и охранные датчики. Ведущими производителями герконов на мировом рынке являются фирмы: OKI (Япония), Hamlin Electronics (США), Fujitsu (Япония), РЗМКП (Россия) и др.

На Рис. 3.25, а…и показаны схемы подключения герконов к МК.

Рис. 3.25. Схемы подключения герконов к МК (начало):

а)/1/ - это узконаправленный датчик магнитного поля, состоящий из геркона КЭМ-1А (SF1), помещённого в металлический корпус от конденсатора КБГ-М с прорезью;

б) датчик тока на основе геркона КЭМ-2 с намотанным на его баллон проводом (8 витков ПЭВ-2.0). МК фиксирует замыкание/размыкание контактов SF1 при токе срабатывания 2 А и токе отпускания 1.5 А. Положение геркона внутри катущки Ы подбирается экспериментально;

в) цепочка С/, R1 устраняет ложные срабатывания геркона SF1 и «дребезг» его контактов. Для ускорения заряда конденсатора С/ можно временно перевести линию МК в режим выхода с НИЗКИМ уровнем, при этом резистор /?2ограничивает ток через ключевой транзистор МК;

Рис. 3.25. Схемы подключения герконов к МК {окончание):

г) подмагничивающая катушка L2 повышает чувствительность срабатывания датчика тока. Катушки L/, L2 наматываются поверх геркона SFI и содержат соответственно 10 витков провода ПЭВ-0.8 и 200 витков провода ПЭВ-0.06;

д) последовательное включение герконов ^SF/… 5/77 с логической функцией «И»;

е) параллельное включение герконов 5F/… 5/77 с логической функцией «ИЛИ»;

ж) резистор R1 защищает вход МК от мощных электромагнитных наводок на контакты геркона SF1. Конденсатор С/ служит первой ступенью подавления «дребезга» механических контактов. Окончательная фильтрация сигнала осуществляется программно;

з) помехоустойчивый опрос геркона SF1, который может замыкаться с частотой до 100 Гц. Функцию ФНЧ выполняют цепочки RI, С/ и R2, С2\

и) конденсатор С/ формирует короткий импульс ВЫСОКОГО уровня на входе МК при замыкании геркона SF1. Реальное состояние его контактов можно определить по напряжению на резисторе R2 через АЦП МК (0.45 В - замкнуто, О В - разомкнуто). Большое сопротивление резистора R1 снижает потребление тока в цепи геркона по сравнению со схемой на Рис. 3.25, ж.

Контакты или как их еще называют коммутационные устройства используются в электронной и радиотехнике. Герконовые выключатели были разработаны для улучшения качества эксплуатации: времени службы и, конечно же, надежности. В этой статье мы рассмотрим технические характеристики герконов, принцип работы и область применения.

Что это такое?

Сегодня герконы практически не используют, так как появились датчики Холла. Но все же в некоторых случаях данные изделия незаменимы. Они просты в использовании, и это служит тем, что их еще используют в различном типе схем или же устройств.

Если нужны надежность и долговечность, то эта деталь незаменима ничем. Где применяется выключатель? Он может входить в конструкцию датчика, электронных реле и других устройств.

Герконы, как и другие аппараты или их детали делятся на различные виды.

По функциям:

замыкание;
переключение;
размыкание.

Конструктивные и технические признаки:

Сухой контакт (без каких бы то ни было секретов, работает по принципу описанном чуть ниже).
Ртутный контакт (в стеклянном корпусе к контакту добавлены ртутные капли, которые их смачивают, когда срабатывает геркон, что улучшает качество контакта. Также это позволяет избежать контактного дребезга (вибрации), что увеличивает время срабатывания.

Исходя из этого, лучше в использование взять ртутный контакт, но и это не во всех моментах.

Конструктивные особенности

Конструкция геркона представляет собой герметичный баллон из стекла, внутри которого находятся контакты. Эти контакты – это сердечники из магнита, которые приварены с торцевых сторон колбы. Внешние части этих сердечников подключаются к электросети. На схеме ниже демонстрируется устройство изделий:

где:

Колба из стекла.
Переключающийся контакт.
Неподвижный контакт.

Самыми распространенными являются герконовые датчики на замыкание. Контакты из ферромагнитной проволоки прямоугольного вида. В зависимости от мощности и размера геркона, сердечники изготовляют из пермаллоевой проволоки. Также покрытие можно заменить и другими металлами (золото, серебро, родий и другие).

В колбу запускают инертный газ или вакуумируют, что не дает возможности развития коррозии в герконовом выключателе. При изготовлении детали также учитывается то, что между сердечниками есть зазор определенного размера.

Как работает герконновый датчик?

Контактные группа придет в действие только в том случае, если вокруг герконового выключателя будет определенное напряжение магнитного поля, которое создано любым способом, будь оно постоянным или же электромагнитным. Принцип действия заключается в том, что сердечники внутри колбы намагничиваются, притягиваются один к другому и этим замыкают цепь. Все это будет находиться в действии до исчезновения магнитного поля. Дальнейшие срабатывания тоже зависят от наличия магнитного поля вокруг геркона.

Принцип работы магнитного датчика на размыкание работает немного по-другому. При наличии магнитного поля контакты намагничиваются одинаковым наименованием и отталкиваются друг от друга, чем цепь размыкается.

Переключающийся герконовый выключатель при магнитном поле: замыкает разомкнутые контакты, а немагнитный контакт остается таким, как и был до этого.

Наглядно увидеть, как работают герконы, вы можете на видео ниже:

Пробивное напряжение устройств может вырастать до 5 кВ. Срабатывает датчик в 0,5-2 мс, а выключается в 0,1-0,7 мс, а это значительно меньше нежели, к примеру, срабатывание электромагнитного реле.

Назначение и область применения

Используют герконовые выключатели и по сей день в:

клавиатуры и синтезаторы;
оборудование для безопасности и автоматики;
оборудование для подводного плавания;
оборудование для тестирования и снятия замеров;
аппаратура в медучреждениях и коммуникационные аппараты.

К примеру, в системах охраны геркон используют как реле. Также устройства используются и в охранном датчике. Из себя это представляет: геркон плюс магнит. Если рассматривать герконовое реле, то оно представляет собой: геркон и обмотка из проволоки. Плюсами такого реле, являются:

маленький размер и простота конструкции;
не поддается влиянию влаги и обгоранию контактов;
нет подвижных элементов.

Применять такие детали можно много в чем и где. Но одним существенным недостатком является низкая ударостойкость, а это уж немаловажно для различного рода систем, датчиков и т.д.

Плюсы и минусы приспособления

Использование герконовых датчиков дало как положительные, так и отрицательные моменты:

конструкция, позволяющая уменьшать размеры;
быстрое срабатывание и отключение;
полностью герметизированы сердцевины;
электрическая прочность между контактами;
долгое время служения (за исключением ударов);
геркон работает в любых погодных условиях от -60 до +120 градусов.
низкая ударостойкость;
восприятие внешних магнитных полей;
низкая мощность при коммутации цепи;
произвольное размыкание при высоком токе;
иногда могут возникать замыкания и размыкания произвольно.

Если вам нужно использовать герконы, то учитывайте следующие нюансы применения:

Обязательно нужно избегать ультразвука, так как он может воздействовать и изменить электрические характеристики.
При установке следует помнить о том, что магнитное поле может изменить характеристики выключателя.
Запрещается ударять и ронять герконовые выключатели, т.к. из-за инертного газа, который при ударе разбалтывается, баллон может лопнуть, что выведет устройство из строя.
Следует придерживаться рекомендациям от производителя при паянии.

Технические характеристики

Все технические характеристики основных типов герконовых выключателей приведены в таблице ниже:

Маркировка герконов зависит от области, в которой они действуют. Каждая из существующих аббревиатур что-то обозначает (например, КЭМ – коммутация электрических механизмов, А – работа в любых климатических условиях, В – работа только в помещении). При выборе необходимо учитывать эти нюансы.

Найти выключатели можно в электротехнических магазинах, на радиорынках или же заказать в интернете. Если вам нужен геркон для автомобиля, то приобрести его можно в автосервисе. Также есть возможность сделать герконовый выключатель самому, но для этого нужно дорогое оборудование.

Вот мы и рассмотрели технические характеристики герконов, а также их принцип работы и область применения. Надеемся, теперь вам стало понятно, что собой представляют данные выключатели и для чего они используются.

Нравится(0 ) Не нравится(0 )