Содержание:

В системах автоматики и защиты широко применяются различные датчики. Они работают на разных физических принципах. Например, хорошо известны датчики движения, срабатывающие дистанционно. Но в некоторых случаях необходим контроль событий на малых расстояниях. Например, если на несанкционированное открывание контролируются окна и двери помещений. Для этих целей идеально подходят датчики – герконы, о которых и будет рассказано далее.

Особенности конструкции

Герметичный контакт, которым по сути является этот элемент, получил свое название от сокращения описывающего его словосочетания. По своей конструкции – это просто контакт в корпусе из стекла. Но поскольку электротехника – это наука о контактах, плохое качество которых является причиной многих неисправностей, геркон сконструирован, как супер-контакт.

Две контактные пластины из магнитомягкого материала в области соприкосновения покрыты специальным образом другими металлами для получения большого срока службы при сохранении минимального сопротивления. Их окружает инертный газ (обычно азот) под давлением. Таким образом на многие годы обеспечиваются стабильные условия, позволяющие выполнять за время службы миллион или более срабатываний.

В зависимости от назначения датчика для срабатывания геркона используются магнитные поля. Это может быть поле постоянного магнита, перемещающегося, например, вместе с дверью или окном относительно рамы, на которой закреплен геркон. Но и электромагнитное поле катушки, через которую питается обмотка электродвигателя, также приведет к срабатыванию геркона, если ток будет определенной силы.

Магнитное поле намагничивает контакты геркона, делая их разноименными магнитными полюсами. И если напряженность этого поля достигает некоторой предельной величины, полюсы-контакты слипаются между собой. В таком состоянии они будут до тех пор, пока напряженность магнитного поля не уменьшится до определенной величины. После этого контакты возвращаются в исходное положение.

Использование в охранных системах

Герконы, применяемые в охранных системах, выпускаются адаптированными для определенных материалов конструкций, на которых они устанавливаются. Это связано с тем, что материал основания, на котором крепится герконовый датчик, может оказывать влияние на магнитные поля, используемые для срабатывания геркона. Очевидно, что пластиковое окно или деревянная дверь совсем иначе взаимодействуют с магнитным полем в сравнении с металлической дверной решеткой.

Функционирование датчика схоже с магнитной защелкой. Все элементы, участвующие в процессе, расположены на двери (окне) и раме, иногда их называют герконовымы выключателями. К ним присоединены провода. Поэтому, если датчик установлен снаружи, это все видно и вовсе не украшает интерьер. К тому же, при попытке проникновения в помещение через дверь или окно с таким датчиком, злоумышленник видит его и может нейтрализовать, отключив тем самым сигнализацию в месте проникновения.

Если герконовый датчик устанавливается скрыто, магнитное поле ослабляется невозможностью приблизить магнит вплотную к нему. Поэтому такой геркон должен быть боле чувствительным, чем тот, который ставится открыто. Но скрытый датчик существенно надежнее, хотя и его при внимательном рассмотрении можно заприметить, если в целом допущены какие-либо промахи с проводами, проложенными к нему. По этой причине усиления защиты рекомендуется применять несколько датчиков для одной двери или окна.

Как усилить защиту

Стандартным вариантом является датчик, расположенный на раме, и магнит на створке окна или на двери. В закрытом состоянии магнит максимально приближен к геркону, который поэтому замкнут. При открывании магнит удаляется от датчика, цепь размыкается, и сигнализация срабатывает. Но даже в скрытом виде магнит, а соответственно и датчик, можно обнаружить. Ведь магнитное поле не скроешь. Используя обычный компас, злоумышленник может найти место расположения датчика.

Ему остается лишь закрепить в этом месте свой магнит, и после этого сигнализация не сработает. Чтобы не произошло подобного сценария, нужен либо еще один скрытый геркон, который замкнет цепь сигнализации при открывании окна или двери, либо иной принцип подмагничивания датчика. Если геркон будет замыкаться при открывании окна и злоумышленник не будет об этом знать, он также применит к нему дополнительный магнит. Усиление магнитного поля приведет к срабатыванию защиты.

Усовершенствованным вариантом защиты будет использование электромагнита. Напряжение заданной длительности, подаваемое на электромагнит, и такое же по времени электромагнитное поле приведут к периодическому срабатыванию датчика. Пока этот процесс будет идти, защита не активируется. Но при задержке импульса от геркона защита сработает. Для того чтобы подделать поле электромагнита, надо будет провести целое исследование. К тому же, повторяемость сигналов можно изменять случайным образом, а это исключает возможность их подделки.

Область применения

Охранная сигнализация – это не единственное предназначение герконов. Поскольку магнитное поле и электрический ток – взаимосвязанные явления, герконы можно использовать в системах автоматики для контроля силы тока. Постоянные магниты, перемещающиеся вместе с предметами или жидкостями, обнаруживаются герконами после срабатывания контактов. Тем самым можно определять присутствие того или иного предмета в заданном месте или контролировать уровень жидкости по магнитному поплавку.

Замыкание контактов геркона происходит от воздействия магнитного поля. И чем больше его напряженность, тем больше сила притяжения контактов. Но восстановление их исходного состояния происходит под воздействием сил упругости. Они невелики. Поэтому крайне важно не допустить перегрева контактов и их сваривания. Для этого необходимо в точности соблюдать режимы работы так, как указано в технической документации герконов. Тогда этот уникальный коммутатор прослужит много лет.

Геркон

Герконы и герконовое реле

Герко́н (сокращение от «гер метичный [магнитоуправляемый] кон такт») - электромеханическое устройство, представляющее собой пару ферромагнитных контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбу. При поднесении к геркону постоянного магнита или включении электромагнита контакты замыкаются. Герконы используются как бесконтактные выключатели , датчики близости и т. д.

Геркон с электромагнитной катушкой составляет герконовое реле .

Существуют также герконы, размыкающие цепь при возникновении магнитного поля, и герконы с переключающей группой контактов.

Герконы различаются также по конструктивным особенностям. Они бывают сухими (с сухими контактами) и ртутными, в которых капля смачивает контактирующие поверхности, уменьшая их электрическое сопротивление и предотвращая вибрацию пластин в процессе работы.

• геркон - это элемент, механически замыкающий (или размыкающий) электрическую цепь при должном изменении напряженности магнитного поля;
• датчик Холла - это полупроводниковое устройство, через которое во время работы протекает электрический ток и возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная напряженности магнитного поля.

Параметры

• Магнитодвижущая сила срабатывания - значение напряженности магнитного поля , при котором происходит замыкание контактов геркона.
• Магнитодвижущая сила отпускания - значение напряженности магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона.
• Сопротивление изоляции - электрическое сопротивление зазора между сердечниками (в разомкнутом состоянии).
• Сопротивление контактного перехода - сопротивление контактной области, которая образуется при замыкании сердечников.
• Пробивное напряжение - напряжение, при котором происходит пробой геркона.
• Время срабатывания - время между моментом приложения управляющего магнитного поля, и моментом первого физического замыкания электрической цепи герконом.
• Время отпускания - время между моментом снятия приложенного к геркону магнитного поля, и моментом последнего физического размыкания электрической цепи герконом.
• Емкость - электрическая емкость между выводами геркона в разомкнутом состоянии.
• Максимальное число срабатываний - число срабатываний, при котором все основные параметры геркона остаются в допустимых пределах.
• Максимальная мощность - максимальная мощность, коммутируемая герконом.
• Коммутируемое напряжение
• Коммутируемый ток

Преимущества

• Контакты геркона находятся в вакууме или в инертном газе и слабо обгорают, даже если при замыкании или размыкании между контактами возникает искра.
• Долговечность герконов. Считается, что если не бить геркон и не пропускать очень большие токи, то срок службы геркона бесконечен, (хотя в технических данных на герконы указаны ограничения, 10 8 -10 9 и больше срабатываний).
• Меньший размер по сравнению с классическим реле, рассчитанным на такой же ток.
• Отсутствие необходимости применения тугоплавких и драгоценных металлов для контактов.
• Герконы почти бесшумны.
• Высокое (относительно классических реле) быстродействие.

Недостатки

• Наличие дребезга при включении, что влечет за собой множественные срабатывания за небольшой промежуток времени.
• Дороговизна и больший вес по сравнению с открытыми контактами.
• Необходимость создания магнитного поля.
• Сложность монтажа.
• Хрупкость - герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок.
• Ограниченная скорость срабатывания
• Иногда контакты «залипают» (остаются в замкнутом состоянии) - такой геркон подлежит замене.

Применение

• Клавиатуры - клавишных синтезаторов и компьютеров (в клавиатурах компьютеров практически не используется с середины 1990-х годов) (удачное использование всех достоинств геркона).
• Клавиатуры промышленных приборов, где требуется долговечность и взрывобезопасность.
• Датчики: охранные (датчик открытия двери), велокомпьютеров , верхней крышки ноутбука (открытие и закрытие) и т. п.
• Подводное оборудование: фонари для дайвинга, подводной охоты.
• Лифты: датчики позиционирования кабины
• Телерадиоаппаратура
• Электронные счётчики тока 1 фазные и 3х фазные (используемые в многоквартирных домах,в промышленности)

Основная тенденция - замена герконов твердотельными датчиками Холла .

• Особая область применения - устройства для передачи дискретных сигналов управления и защиты от перегрузок по току высоковольтных электро- и радиотехнических установок, таких как мощные лазеры, радары, радиопередающие устройства, электрофизические установки и др. виды аппаратуры, работающей под напряжениями 10 - 100 кВ. Специально для этих видов аппаратуры В. И. Гуревичем разработаны герконовые реле с высоковольтной изоляцией, так называемые "геркотроны" или "высоковольтные изолирующие интерфейсы", описанные в его книгах (см. ниже).

Герконы имеют ряд механических и электрических параметров, которые характеризуют их свойства. Эти параметры можно разделить на две большие группы: механические и электрические.

Механические параметры герконов

К механическим параметрам относится магнитодвижущая сила срабатывания . Этот параметр показывает, при каком значении напряженности магнитного поля происходит срабатывание и отпускание контакта. В технической документации это называется как магнитодвижущая сила срабатывания (обозначается Vср) и магнитодвижущая сила отпускания (обозначается Vотп).

Немаловажными параметрами геркона, в ряде случаев основными, является скорость его срабатывания и отпускания . Эти параметры измеряются обычно в миллисекундах и обозначаются соответственно как tср и tотп, которые в целом характеризуют быстродействие геркона. Герконы, имеющие меньшие геометрические размеры обладают более высоким быстродействием.

Максимальное число срабатываний , или попросту ресурс, также относится к группе механических параметров. Этот параметр оговаривает, при каком числе срабатываний все свойства геркона, как механические, так и электрические сохраняются в пределах допустимых значений. В технической документации обозначается как Nmax.

Электрические параметры герконов

Эти параметры такие же, как у обычных механических контактов. Сопротивление, измеренное между замкнутыми контактами называется сопротивлением контактного перехода и обозначается как Rк, а сопротивление, измеренное между разомкнутыми контактами есть не что иное, как сопротивление изоляции Rиз.

Электрическая прочность геркона . Этот параметр характеризует пробивное напряжение Uпр. Это напряжение в основном определяет качество изоляции между контактами, которое в свою очередь обусловлено качеством вакуума или заполнения колбы инертными газами. Кроме этого пробивное напряжение зависит от величины зазора между контактами и качества их покрытия.

Мощность, коммутируемая герконом определяется в основном его конструкцией: материалом и размерами контактов, а также типом покрытия контактных площадок. В технической документации этот параметр обозначается как Pmax.

Емкость , измеренная между разомкнутыми контактами обозначается как Cк. Она зависит лишь от геометрических размеров геркона и расстояния между разомкнутыми контактами.

Способы управления герконами

Их можно разделить на две большие группы: управление постоянным магнитом и управление при помощи катушки с током. Эти способы показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Различные способы управления герконами

Управление герконом при помощи постоянного магнита

Наиболее прост и распространен способ управления с линейным перемещением магнита. Здесь вполне уместно вспомнить , где магнит укреплен на двери и заставляет срабатывать геркон, когда дверь закрыта.

Способ с угловым перемещением магнита используется намного реже, как правило, в тех случаях, когда другие способы применить по какой -либо причине невозможно.

Перекрытие магнитного поля шторкой использовалось в клавиатурах различных вычислительных устройств, вплоть до девяностых годов прошлого столетия, а может быть можно встретить где-нибудь и до сих пор.

Управление герконом при помощи катушки с постоянным током

Этот способ получил наибольшее распространение при создании герконовых реле . Конструкция этих реле достаточно проста: внутрь катушки с током просто помещается геркон, и при этом не требуется никаких дополнительных пружинок и рычагов, как у обычного реле. Единственный в этом случае недостаток это небольшое количество контактных групп.

Если катушку выполнить достаточно толстым проводом, способным пропустить большой ток, то можно получить герконовое токовое реле. Такие реле широко применялись в мощных источниках постоянного тока в качестве датчика системы защиты от перегрузок. Точная настройка уровня срабатывания такого датчика осуществляется резьбовым механизмом, позволяющем плавно перемещать геркон вдоль оси катушки.

П реимущества и недостатки герконов

Как и любая вещь герконы имеют свои недостатки и преимущества. Сначала поговорим, естественно, о преимуществах.

По сравнению с обычными коммутирующими контактами герконы имеют чуть ли не в 100 раз большую надежность по сравнению с обычными открытыми контактами. Эта надежность обусловлена более высоким сопротивлением изоляции (достигает десятков МегаОм), и большей электрической прочностью: пробивное напряжение у некоторых типов герконов достигает нескольких десятков киловольт.

Неоспоримым преимуществом герконов является их быстродействие: у некоторых моделей герконов частота коммутации достигает 1000Гц, а скорость срабатывания и отпускания находится в пределах (0,5 - 2,0мс) И (0,2 - 1,0мс) соответственно.

Срок службы некоторых герконов доходит до 4 - 5 млрд. срабатываний, что намного выше аналогичного показателя для обычных не защищенных контактов. Также к достоинствам герконов следует отнести легкий способ согласования с нагрузкой а также работа герконов без применения источников электрической энергии.

Недостатки герконов

На фоне достоинств недостатки, наверно, не так уж и велики. Во-первых, это небольшая коммутируемая мощность. Кроме того малое количество контактных групп в одном баллоне а для «сухих» герконов дребезг контактов. К недостаткам же можно отнести также хрупкость стеклянного баллона и в некоторых случаях высокую чувствительность к внешним магнитным полям.

Борис Аладышкин

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.