Ни одна современная система охраны, контроля, пожаротушения, экстренного оповещения не может функционировать без применения датчиков, связывающих ее с окружающим миром. Датчики определяют наличие задымления, пыли в воздухе, движение объектов и еще множество других изменений.

Герконовый датчик по-прежнему используется во многих подобных системах благодаря своей надежности.

Что такое геркон

Геркон – электромеханическое устройство, замыкающее либо размыкающее электрические контакты под влиянием магнитного поля, генерируемого электромагнитом, либо постоянным магнитом.

Термин «геркон» означает герметичный контакт. Обусловлено это его конструкцией. Состоит он из двух ферромагнитных пластин, запаянных в стеклянную капсулу с двумя выходными контактами и заполненную инертным газом. Такая оболочка минимизирует воздействие окружающей среды и обеспечивает надежное функционирование устройства.

Колба может содержать азот, иссушенный воздух, иной инертный газ. Также из колбы может быть откачан весь газ до состояния вакуума. Этим добиваются повышения уровня коммутируемого напряжения.

Назначение и область применения

Герконовые датчики, несмотря на вытеснение их датчиками Холла, по-прежнему находят применение во многих устройствах и системах:

1. Клавиатуры синтезаторов и промышленного оборудования. Конструкция датчиков исключает возможность возникновения искры. Поэтому в первую очередь их применяют на взрывоопасном производстве, где присутствуют горючие испарения или пыль.
2. Бытовые счетчики.
3. Автоматические системы охраны и контроля положения.
4. Оборудование, работающее под водой или в условиях высокой влажности.
5. Телекоммуникационные системы.
6. Медицинское оборудование.

В системах безопасности применяются устройства, состоящие из геркона и магнита. Они сообщают об открытии или закрытии дверей.

Также применяются герконовые реле, состоящие из контактного датчика и проволочной обмотки. Такая система обладает некоторыми преимуществами: простота, компактность, влагостойкость, отсутствие движущихся деталей.

Используются герконы и в особых областях – это механизмы защиты от перегрузок и короткого замыкания высоковольтных и радиотехнических электроустановок. Также это высокомощные радары, лазеры, радиопередатчики и прочее оборудование, работающее под напряжением до 100 кВ.

Разновидности

В зависимости от нормального состояния контактов устройства разделяют на:

• замкнутые – цепь размыкается под воздействием магнитного поля;
• переключаемые – под воздействием поля замыкается один контакт, а при отсутствии поля – другой;
• разомкнутые – срабатывание геркона происходит при появлении магнитного поля.

В зависимости от конструкции датчики бывают:

• газовые – стеклянная гильза заполнена сухим воздухом или инертным газом;
• ртутные – на контакты, дополнительно наносится ртуть, которая способствует улучшению коммутации, минимизирует сопротивление и убирает вибрацию замыкаемых пластин.

Герконы по техническим характеристикам подразделяются на:

1. Герконы.
2. Газакон – устройство, обладающее функцией памяти. То есть положение контактов сохраняется после отключения магнитного поля.
3. Геркотроны – реле с высоковольтной изоляцией. Предназначено для работы в устройствах с напряжением от 10 до 100 кВ.
4. Герсикон – реле, предназначенное для управления оборудованием и автоматикой с мощностью до 3 кВт. Конструкция характеризуется увеличенным коммутационным током и наличием дугогасительных контактов.

Благодаря разнообразию конструкций герконы продолжают использовать во многих областях.

Принцип действия

Геркон по принципу работы схож с выключателем. Реле состоит из пары токопроводящих сердечников с зазором между ними. Они герметично запаяны в стеклянной колбе с инертной средой, исключающей процесс окисления.

Вокруг колбы размещается управляющая обмотка, питаемая постоянным током. При подаче питания обмотка генерирует магнитное поле, воздействующее на сердечники, и приводит к замыканию контактов между собой.

При отключении катушки от питания магнитный поток исчезает и контакты размыкаются пружинами. Надежность обеспечивается отсутствием трения между контактами, которые, в свою очередь, выполняют роль проводника, пружины и магнитопровода.

Особенностью герконового датчика является то, что на пружины реле в состоянии покоя не действуют никакие силы. Это позволяет им замыкать контакт за доли секунды.

Применяться могут и постоянные магниты. Такие устройства называют поляризованными.

Нормально замкнутые устройства имеют другой принцип функционирования. Под воздействием электромагнитной силы система магнитов заряжает сердечники одним потенциалом, заставляя их отталкиваться друг от друга, размыкая цепь.

Переключаемые герконы состоят из трех контактов. Один из них установлен стационарно и не магнитится, 2 других сделаны из ферромагнитного сплава. При наведении магнитного поля пара разомкнутых контактов замыкается, размыкая пару с немагнитным контактом.

Подключение герконового датчика

Документация, поставляемая в комплекте с датчиками, дает исчерпывающую информацию о том, как подключить геркон.

Для функционирования и безопасности датчика часть реле, генерирующая магнитное поле, монтируется на подвижную часть конструкции. Сам геркон крепится на стационарно установленный элемент конструкции или здания.

Подвижная часть плотно примыкает, воздействуя магнитным полем катушки на контактную сеть геркона и замыкая этим электрическую цепь. Датчик системы информирует о правильном функционировании системы. Как только катушка, расположенная на подвижной части, перестает воздействовать на датчик, сеть размыкается и автоматика сообщает о нарушении целостности системы.

По способу монтажа датчики бывают:

• скрытого крепления;
• наружного крепления.

В зависимости от физических свойств поверхности, на которой происходит подключение геркона, бывают:

• датчики для монтажа на стальных конструкциях;
• датчики, монтируемые на магнитопассивных конструкциях.

При монтаже герконового реле необходимо помнить о некоторых особенностях установки:

1. Рекомендуется избегать расположения вблизи источников ультразвука. Он в состоянии оказать негативное воздействие на параметры датчика.
2. Не допускать расположения рядом с источником постороннего магнитного поля.
3. Обезопасить колбу датчика от ударов и повреждений. В противном случае газ испарится, нарушится контакт, и сердечники быстро придут в негодность.

Герконовые переключатели не могут коммутировать большие токи в силу маломощности сердечников. Поэтому их нельзя использовать для включения и выключения мощных электрических устройств.

Их включают в маломощную коммутационную схему для контроля реле, которое осуществляет управление оборудованием.

Преимущества

Герконовые датчики обладают следующими преимуществами:

1. Полная герметичность позволяет использовать их в пожароопасных помещениях и агрессивных средах.
2. Моментальное срабатывание позволяет использовать их в устройствах с высокой коммутационной частотой.
3. Исключение дребезга контактов у ртутных датчиков. Они применяются в оборудовании с повышенными требованиями к чистоте сигнала.
4. Малые габариты от 4 мм, простота конструкции, низкая стоимость изготовления.
5. Высокая функциональность и универсальность реле.
6. Возможность коммутировать маломощные сигналы.
7. Большой температурный диапазон работы – от -55 до + 110 ºC.
8. Высокая прочность сердечников.
9. Отсутствие поверхностей трения.

Высокая универсальность, надежность и цена по-прежнему позволяют герконам соперничать с прямыми конкурентами.

Недостатки

Как и все устройства, герконы обладают и недостатками:

1. Низкая чувствительность магнитов.
2. Высокая восприимчивость к внешним магнитным потокам. Как следствие, может потребоваться использование дополнительных экранов.
3. Иногда контакты после снятия магнитного поля могут остаться в замкнутом положении, из которого их не вывести.
4. Капсула выполнена из тонкого стекла и легко разрушается при падениях и ударах.
5. При подаче напряжения с низкой частотой контакты самопроизвольно размыкают и замыкают цепь.
6. При подаче больших токов контакты сердечников могут самопроизвольно размыкаться.

По этим причинам при использовании реле необходимо соблюдать ряд ограничительных мер, указанных в сопроводительной документации.

Краткая история создания герконов

Коммутационные устройства или просто контакты очень широко применяются в различной электрической и радиотехнической аппаратуре. С целью улучшения эксплуатационных свойств, прежде всего срока службы и надежности соединения и были разработаны магнитоуправляемые герметизированные контакты получившие название герконы .

Первые образцы таких контактов появились еще в 30 - е годы прошлого столетия, а первый магнитоуправляемый контакт был изобретен еще в 1922 году в Петербурге профессором В. Коваленковым, за что ему было выдано авторское свидетельство СССР №466. Конструкция такого контакта показано на рисунке 1.

Устроен такой контакт следующим образом. К сердечнику 3 из магнитомягкого материала через изолирующие прокладки 5 прикреплены контакты 1 и 2, выполненные также из магнитомягкого материала. При пропускании тока через катушку 4 в сердечнике 3 возникает магнитное поле и намагничивает контакты 1 и 2, которые замыкаются. Размыкание контактов происходит при прекращении тока через катушку.

Рисунок 1. Магнитоуправляемый контакт профессора В. Коваленкова

По сути это был самый первый магнитоуправляемый контакт, только без герметизирующей оболочки. В герметизирующую оболочку подобный контакт был впервые помещен американским инженером W.B. Ellwood лишь в 1936 году. В семидесятых годах прошлого столетия герконы достигли своего максимального развития, и нашли широкое применение в различных устройствах электронной техники.

В настоящее время герконы используются менее интенсивно, поскольку их «вытеснили» . Но в некоторых случаях герконы остались вне конкуренции, что обусловлено простотой применения, гальванической развязкой от источника питания, свойствами «сухого контакта», поэтому герконы до сих пор применяются в различных схемах и устройствах.

В тех случаях, когда требуется высокая надежность и долговечность коммутирующего элемента герконы просто незаменимы. Как составная часть герконы входят в конструкции различных датчиков, электромагнитных реле, особенно слаботочных, а также позиционных переключателей и некоторых других устройств.

Разновидности герконов

Так же, как и обычные контакты, герконы могут быть замыкающие (1 нормально - разомкнутый контакт), переключающие (1 переключающий контакт) и работающие на размыкание (1 нормально - замкнутый контакт). Это деление по функциональным признакам.

По признакам конструктивно - технологическим герконы делятся на две большие группы: с сухими контактами и с контактами ртутными. Первая разновидность так и называется сухими герконами, а вторая ртутными герконами. Собственно, в работе сухих герконов, по сравнению с обычными контактами, ничего особенного нет.

В ртутных герконах внутри герметичного стеклянного корпуса кроме контактов находится еще капелька ртути. Назначение этой ртутной капельки - смачивание контактов во время срабатывания для улучшения качества контакта за счет уменьшения переходного сопротивления, а кроме того для избавления от дребезга контактов.

Дребезгом называется вибрация контактов при замыкании и размыкании, что при однократном срабатывании приводит к многократной коммутации передаваемого сигнала, а кроме того к значительному увеличению времени срабатывания.

Представьте себе, что такой дребезг будет присутствовать во время переключения входного сигнала! В случае, когда такой дребезжащий контакт работает совместно с цифровыми микросхемами, приходится принимать меры по подавлению дребезга в виде RC - цепочек или .

Различные контакты, в том числе и герконовые, применяются и в , но в них дребезг контактов подавляется программным способом. Это также снижает быстродействие системы в целом.

Конструкция герконов

Конструкция различных типов герконов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 . Конструкция герконов

Все герконы представляют собой герметичный стеклянный баллон , внутри которого находится контактная группа . Контакты представляют собой магнитные сердечники, вваренные в торцы баллона. Наружные концы сердечников предназначены для подключения к внешней электрической цепи.

Наибольшее распространение получил геркон с контактной группой, работающей на замыкание или, как показано на рисунке «разомкнутый». Каждый контакт - сердечник выполнен из ферромагнитной упругой проволоки, которая расплющена до прямоугольной формы. Для изготовления сердечников применяется пермаллоевая проволока диаметром 0,5 - 1,3 мм в зависимости от мощности геркона и, соответственно, его габаритов.

Непосредственно контактирующие поверхности покрыты благородным металлом, золотом, палладием, родием, серебром и сплавами на их основе. Такое покрытие не только уменьшает , но и способствует повышению коррозионной стойкости контактной поверхности.

Внутренне пространство баллона заполнено инертным газом (водородом, аргоном, азотом или их смесью) или просто вакуумировано, также способствует уменьшению коррозии контактов и повышению их надежности. При изготовлении сердечники располагают таким образом, чтобы между ними оставался зазор, кстати, определенного размера.

Рис. 3. Геркон

Принцип работы геркона

Для того, чтобы вызвать срабатывание контактной группы, необходимо вокруг геркона создать магнитное поле достаточной напряженности. При этом абсолютно не важно, как это поле будет создано, либо просто постоянным магнитом, либо электромагнитом. Силовые линии внешнего магнитного поля намагничивают внутренние контакты - сердечники геркона, в результате чего они преодолевают силы упругости, притягиваются и замыкают электрическую цепь.

В таком состоянии контакты будут находиться до тех пор, пока вокруг них есть магнитное поле достаточной напряженности: достаточно выключить электромагнит или убрать подальше обычный постоянный магнит, как контакты сразу разомкнутся. Следующее срабатывание контактов произойдет, когда магнитное поле появится вновь. Из всего сказанного можно сделать вывод, что контакты выполняют сразу три функции: упругих элементов (пружин), магнитопровода, и собственно проводящих контактов.

Несколько по-иному действует геркон, работающий на размыкание. Его магнитная система устроена так, что при воздействии магнитного поля контакты - сердечники намагничиваются одноименно, поэтому отталкиваются друг от друга, размыкая электрическую цепь.

У переключающего геркона один из трех контактов, как правило, нормально - замкнутый выполняется из металла немагнитного, а оба нормально - разомкнутых контакта из ферромагнитного, как было сказано чуть выше. Поэтому при воздействии на геркон магнитного поля нормально разомкнутые контакты просто замыкаются, а немагнитный нормально - замкнутый, оставаясь на своем первоначальном месте, размыкается.

Примечание. Нормально - разомкнутый контакт , это который разомкнут при отсутствии управляющего воздействия, в данном случае магнитного поля. Соответственно нормально - замкнутый контакт замкнут при отсутствии магнитного поля.

Конечно, магнитное поле присутствует всегда, например магнитное поле Земли. И нельзя, вроде бы, сказать про отсутствие магнитного поля совсем. Но магнитное поле Земли для срабатывания геркона недостаточно, поэтому им можно пренебречь и сказать об отсутствии магнитного поля, в данном случае внешнего.

Продолжение читайте в следующей статье.

Продолжение статьи:

Борис Аладышкин

Во многих электрических приборах возникает потребность в защищенных от воздействий внешней среды управляемых переключателях. Требуется механизм, контакты которого не обгорают на воздухе, и им не мешает влага. Требуется ускорить процесс включения-выключения цепи и исключить присутствие между контактами посторонних примесей, они присутствуют в атмосфере или появляются на контактах переключателя со временем. В случаях, когда требуется надежность и долговечность, применяются герконы.

Устройство было изобретено профессором В. Коваленковым в Санкт-Петербурге в 1922 году. В 30-е годы того же столетия началось их производство и массовое применение в электрическом оборудовании.

Геркон – что это такое

Геркон – это два и более контакта, заключенных в стеклянный корпус. Для подключения к наружной электрической цепи, концы контактов выведены за пределы корпуса устройства. Внутренний объем герметизирован и заполнен инертным газом. Лишенные доступа атмосферного воздуха, контакты надежно защищены от вредного влияния окружающей среды:

• Отсутствует кислород, способствующий окислению контактной группы;
• Отсутствует влажность, при которой возможно самопроизвольное срабатывание;
• Отсутствуют механические примеси, которые могут препятствовать возникновению контакта.

Стекло способствует надежной изоляции контактной группы . Но применение хрупких материалов корпуса не позволяет применять устройство в условиях повышенных нагрузок: вибрации, резких механических воздействий.

Как работает геркон

В основе принципа работы геркона лежит электромагнитное поле – магнит. Контактная группа в состоянии покоя находится в замкнутом или разомкнутом состоянии в зависимости от типа устройства.

При внесении в зону восприятия устройства магнитного поля – приближения магнита или другого механизма, обладающего подобными свойствами, контакты устройства намагничиваются и происходит их притягивание друг к другу. Результат - замыкание, включение электрической цепи. В другом случае, контакты намагничиваются таким образом, что отталкиваются друг от друга – происходит размыкание, выключение электрической цепи.

Возможно комбинированное действие , когда происходит переключение. До внесения в зону устройства магнитного поля, ток тек по одной контактной цепи, после переключения по другой.

Для примера возможной работы геркона, можно предположить, что им заменен комнатный выключатель. Теперь если поднести магнит к бывшему выключателю, где теперь установлен геркон, загорится лампочка, при удалении магнита – погаснет.

Виды устройств

Все устройства разделяются на группы по принципу работы:

• Нормально замкнутый геркон. В состоянии покоя, без внесения магнитного поля цепь устройства замкнута;
• Геркон нормально разомкнутый. В состоянии покоя, без магнитного поля, цепь устройства разомкнута;
• Переключающий. Комбинирует в себе замкнуты и разомкнутые устройства;
• Бистабильный. Имеет собственный магнит, который сохраняет положение контактов устройства в последнем состоянии после исчезновения внесенного магнитного воздействия.

Технические характеристики

По техническим характеристикам герконы разделяются в зависимости от условий применения. Учитываются такие факторы:

• Климатические условия. Например, работа при пониженных температурах;
• Окружающая среда. Например, жидкость;
• Проходящие через устройство напряжение и сила тока. Например, геркотроны позволяют применять напряжение до 100 киловольт.

Применение

Благодаря низкой цене и простоте конструкции, монтажа и использования, герконовые датчики и герконовые выключатели успешно применяются в случаях, когда их хрупкость не имеет значения. Область их применения обширна: от бытовых нужд до промышленных процессов.

Электрические компоненты устанавливаются в бытовых приборах в виде реле, в электросчетчиках и даже стационарных кнопочных телефонах – щелчки набора номера импульсным номеронабирателем результат, по сути, его работы.

Охранные сигнализации — один из примеров применения герконов. На косяк двери устанавливается магнит, на дверь – геркон. При удалении магнита из зоны восприятия устройства происходит замыкание или размыкание цепи, в результате которого становится известно о нарушении охраняемого периметра.

В пожарных датчиках также применяются эти устройства. При возникновении опасной ситуации, электрическая цепь включается при помощи геркона. Работать такой датчик может как в помещении, так и на улице.

В промышленных областях они применяют также во многих ситуациях. Например, для измерения уровня жидкости используется поплавковое устройство . В лифтовом хозяйстве герконы применяются для определения местоположения кабины подъемника.

Группа контактов, заключенная в стеклянную колбу, с инертным газом применятся везде, где необходимо замыкать, размыкать и переключать электрическую цепь.

Любые механические контакты подвержены износу. Чтобы уменьшить влияние этого деструктивного фактора, в первой половине прошлого века было разработаны магнитоуправляемые коммутационные устройства, контактная группа которых помещалась в вакуумную колбу. В СССР такие элементы получили название «Геркон», по сокращению от «герметизированный контакт», в англоязычной технической документации принято название «reed switch».

Давайте рассмотрим принцип действия этих устройств, конструкцию, основные характеристики, достоинства и недостатки. В завершении статьи будет приведена пара полезных схем, где используются герконы.

Внешний вид и особенности конструкции

Данные устройства представляют собой контактную группу, изготовленную на основе ферримагнитного материала, которая помещается в стеклянную колбу. Из нее откачен воздух (созданы условия максимально приближенные к вакууму), как вариант возможно наполнение инертным газом. Внешний вид устройства и его обозначение на принципиальных схемах представлены ниже.

С конструктивным исполнением, можно ознакомиться на рисунке 2.

Обозначение:

• А – выводы устройства.
• В – стеклянная колба.
• С – контактная группа.
• D – инертный газ или вакуум.

Разновидности

Коммутационные устройства данного класса принято разделять в зависимости от устройства контактной группы на следующие виды:

1. Элементы с нормально-разомкнутыми контактами (внешний вид такого устройства показан на рис. 1).
2. Элементы с нормально-замкнутым контактом.
3. С переключающимся контактом.

Помимо функциональных признаков, перечисленных выше, имеются и технологические, разделяющие герметичные коммутирующие устройства на две группы: сухие и ртутные. Отличительная особенность последних заключается в том, что внутри колбы содержится капля ртути. Она служит для «смачивания» контактной группы, это позволяет существенно снизить переходное сопротивление и вибрацию (дребезг) контактов при коммутации, что положительно отражается на качестве контакта.

Принцип действия

Срабатывание устройства (замыкание, размыкание или переключение контактов) требуется воздействовать на элемент магнитным полем, напряженность которого будет достаточной для коммутации. В качестве источника такого поля может выступать обычный или электромагнит.

Под воздействием силовых линий происходит намагничивание контактов и по преодолению порога упругости они коммутируют цепь.

Соответственно, как только на контактную группу перестанет действовать магнитное поле, она вернется в исходное состояние. То есть, функционально контакты помимо своего прямого назначения играют роль магнитопровода и упругого элемента.

Устройства с нормально-замкнутыми контактами действуют несколько иначе. Их ферримагнитные упругие элементы, попадая под воздействие магнитного, поля приобретают одинаковый заряд, что заставляет их отталкиваться, разрывая контакт.

Иногда в таких коммутаторах только один упругий элемент выполнен из ферримагнитного сплава, в результате приближения магнита он притягивается к нему, отключая цепь.

Подобный принцип задействован в герконах с переключающей группой контактов, в котором два из них изготавливаются из магнитного материала. Под воздействием магнита они притягиваются друг к другу, а немагнитный контакт остается в исходном положении. В результате происходит перекоммутация цепи.

Основные параметры

Свойства герметичных коммутаторов определяются механическими и электрическими параметрами. К первым относятся:

• N max – число, указывающее максимально допустимое количество срабатываний без изменения основных характеристик.
• V cp – величина отображающая интенсивность поля необходимую для реакции устройства. В технической терминологии данную характеристику называют магнитодвижущей силой.
• V отп – величина соответствующая силе размыкания.
• t cp – время, необходимое на срабатывание контактной группы.
• t отп – интервал времени, необходимый на отпускание.
• Последние два параметра наиболее значимые из механических характеристик, поскольку описывают скорость коммутации.
• Теперь перечислим основные электрические характеристики:
• R K – сопротивление между контактами в замкнутом состоянии.
• R ИЗ – сопротивление разомкнутых контактов.
• U ПР – напряжения пробоя, данная характеристика зависит как от предыдущего параметра, так и расстояния между группой контактов. Помимо этого на электрическую прочность влияет наполнение колбы.
• P max – коммутируемая мощность.
• C K – емкость, образуемая разомкнутыми контактами.

Как осуществляется управление?

Управлять герметичным коммутатором можно двумя способами:

• используя постоянный магнит;
• воздействуя катушкой, подключенной к постоянному источнику тока.

В первом варианте управление может осуществляться путем линейного или углового перемещения постоянного магнита. Также встречается способ, при котором поле перекрывается при помощи специальной шторки.

В качестве примера использования способа управления при помощи магнита можно привести датчики уровня, а также положения, охранную сигнализацию и т.д.

Второй вариант позволяет создать реле на основе геркона. В отличие от традиционной конструкции, такое устройство будет более надежным и долговечным, поскольку практически не содержит в себе подвижных механических элементов. Что касается небольшого количества контактных групп, то этот недостаток легко устраняется путем увеличения количества задействованных герконов.

Примером применения данного способа управления может служить токовое реле на основе геркона. Оно представляет собой катушку, намотанную проводом толстого сечения, внутри которой размещается герметичный коммутатор. Данное приспособление может служить в качестве защитной системы от перегрузки в цепях постоянного тока. Чувствительность прибора легко регулировать путем линейного перемещения коммутатора внутри катушки.

Плюсы и минусы

Любая конструкция помимо преимуществ не лишена недостатков. Зная сильные и слабые стороны устройства можно найти оптимальную сферу для его применения. Давайте рассмотрим, в чем заключается преимущества герметичных коммутаторов, к таковым свойствам можно отнести:

• Высокую надежность коммутации. Она практически на два порядка превышает этот показатель у открытых контактных групп. Это достигается за счет высокого сопротивления между разомкнутыми контактами (R ИЗ), оно может исчисляться десятками МОм. Немаловажную роль играет и показатель электрической прочности (U ПР), напряжение пробоя у некоторых моделей превышает 10 кВ.
• Быстродействие также является неоспоримым преимуществом. Частота коммутации многих моделей приближается к 1 кГц. Что касается параметров, описывающих скорость коммутации, то они находятся в следующих диапазонах: t cp – от 0,4 до 1,8 мс, t отп – от 0,25 до 0,9 мс, что намного превышает подобные характеристики открытых контактных групп.
• Долговечность, число срабатываний исчисляется миллиардами, ни одна открытая контактная группа даже близко не может приблизиться к этому рубежу.
• Данный тип коммутаторов нетребователен к согласованию с нагрузкой.
• Управление может производиться без использования электроэнергии.

Характерные недостатки:

• Низкие показатели коммутируемой мощности.
• Небольшое число контактов.
• Дребезг при срабатывании (конструкции «мокрого» типа избавлены от этого недостатка).
• Большие размеры для современной радиотехнической базы.
• Недостаточная прочность стеклянной колбы.
• Чувствительность к воздействию внешних магнитных полей.

Несмотря на явное преобладание положительных качеств, данные устройства постепенно вытесняются полупроводниковыми аналогами, такими как датчики Холла. Отсутствие дребезга, небольшие размеры и более высокая прочность сыграли решающую роль.

Примеры практического применения в быту

Как и было обещано в начале статьи, приводим пару полезных схем, в которых используются герконы. Начнем с универсального управления освещением в прихожей. Принцип работы заключается в следующем: при открытии входной двери автоматически включается свет, и спустя несколько минут выключается. При достаточном уровне освещения, свет в прихожей не включается.

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 68 кОм, R2 – 33 кОм, R3 – 470 кОм, R4 – 10 кОм, R5 – 27 кОм.
• Конденсаторы: С1 – 0,1 мкФ, С2 – 100 мкФ х 25 В, С3 – 470 мкФ х 25 В.
• Стабилитрон и диоды: VD1 – КС212Ж, VD2 и VD3 – КД522 (1N4148), VD4 – КД209 (1N4004).
• Транзисторы: VT1 и VT2 – ÌRF840.
• SG1 – любой обычный герконовый датчик, например, 59145-030.
• FR1 – фоторезистор, подойдет любого типа с сопротивлением на свету не ниже 8 кОм, в темноте – 120-180 кОм.
• Триггер D1 – К561ТМ2 (СD4013).

Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R1, для выбора оптимального времени задержки отключения освещения.

Теперь рассмотрим схему простой домашней сигнализации, где в также используется типовой герконовый датчик для двери.

Обозначения:

• Резисторы: R1, R2 и R3 – 100 кОм, R4 – 33 кОм, R5 – 100 кОм, R6 – 1 кОм.
• Конденсаторы: С1 – 100 мкФ х 16 В, С2 – 50 мкФ х 16 В, С3 0,068 мкФ.
• Диоды и светодиод: VD1 и VD2 – КД522 (1Т4148), HL1 – АЛ307Б.
• Транзисторы: VT1 – КТ829, VT2 – К361.
• Микросхема: К561ЛА7.
• S1 – герконовый датчик 59145-030.

В качестве сирены используется звуковой оповещатель АС-10.

Питание схемы осуществляется от аккумулятора 12 В, емкостью 4 А*ч.

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.

1. 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.

1. 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).

1. 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

Серия	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.

1. 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.

1. 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.

1. 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.

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

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

1. 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.