Что такое герконы, как они устроены и работают?

Применение

Герсикон типа КМГ-12. Токоведущая цепь герсикона состоит из токоподводов 1 и 2, гибкой связи 3, подвижного контакта 4 и регулируемого неподвижного контакта 5. Электромагнитный узел состоит из сердечника 6, обмотки 7, полюсов 8, 9, набора ферромагнитных пластин 10 и упора 11. Пластины 10 крепятся к полюсу 8 с помощью винта 12. Коммутирующая часть аппарата находится внутри герметичного керамического корпуса 13, заполненного инертным газом. Нажатие контактов регулируется в процессе сборки путём изменения положения неподвижного контакта 5. После регулировки контакт 5 пропаивается.

• Клавиатуры промышленных приборов и синтезаторов, до середины 1990-х годов — в клавиатурах компьютеров.
• Системы автоматики и безопасности (например, датчики открытия двери, позиционирования кабины лифта, верхней крышки ноутбука).
• Подводное оборудование (фонари для дайвинга и подводной охоты).
• Тестовое и измерительное оборудование (например, в схемах электрических счётчиков и велокомпьютеров).
• Медицинская и телекоммуникационная аппаратура.

Для коммутации силовых электрических цепей предназначен герсикон (герметичный силовой контакт) — герконовое реле с увеличенным коммутационным током и дополнительными дугогасительными контактами. Герсиконы используют в цепях как переменного, так и постоянного тока для управления элементами сильноточной промышленной автоматики и электродвигателями с мощностью до 3 кВт. Выпускаются герсиконы на ток до 180 А с быстродействием до 1200 включений в час.

Гезакон (герметизированный запоминающий контакт) — герконовое реле, обладающее свойством памяти. Отличительной особенностью гезакона является возможность сохранения состояния (вкл/выкл) после снятия управляющего магнитного поля. Это происходит за счёт того, что подвижная часть пружины-контакта изготовлена из магнитного материала с прямоугольной петлёй гистерезиса, обладающего достаточной намагниченностью для удержания контакта в замкнутом состоянии. Для возврата гезакона в исходное состояние необходимо подать в его катушку размагничивающий импульс тока обратной полярности.

Особая область применения герконов — 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».

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.

Герконы в колбе из зеленого стекла.

Преимущества 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. Сравнительные характеристики герконов приведены в таблице ниже:

Будет интересно Варисторы – что это такое, принцип действия, характеристики и параметры.

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.

Как подключить геркон.

Герконы: способы управления, примеры использования

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.

Размеры геркона.

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

Таблица стандартных технических характеристик герконов.

Достоинства герконовых реле:

1. Полная герметизация контакта позволяет их использовать герконовые реле в различных условиях влажности, запыленности и т. д.
2. Высокое быстродействие, что позволяет использовать герконовые реле при высокой частоте коммутаций.
3. Гальваническая развязка коммутируемых цепей и цепей управления герконовых реле.6. Расширенные функциональные области применения герконовых реле.
4. Надежная работа в широком диапазоне температур

Будет интересно Дроссели в электрике: что это и где используются?

Недостатки герконовых реле:

1. Восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от внешних воздействий.
2. Хрупкий корпус герконов, чувствительный к ударам.
3. Малая мощность коммутируемых цепей у герконов.
4. Возможность самопроизвольного размыкания контактов герконовых реле при больших токах.

Геркон на бумаге.

Преимущества

Какие позитивные стороны имеют герконовые датчики? Их список таков:

Отсутствует дребезг контактов (относится к герконам, у которых выводы смочены ртутью).
Долговечность

Считается, что если датчик не поддаётся физическим ударам (вследствие падения или при неосторожном обращении), через него не пропускают слишком большой ток, то он может работать бесконечно. Хотя согласно технической документации, число срабатываний всё же ограничено значением в 10 3 —10 8 .
Поскольку контакты геркона расположены в инертном газе или вакууме, то они слабо обгорают, даже когда происходит размыкание или размыкание с возникновением искры.
Данные датчики обладают меньшим размером, чем классические реле, и при этом рассчитаны на точно такой же ток.
При производстве для контактов не применяются драгоценные и тугоплавкие металлы, что позитивно сказывается на стоимости.
Герконы почти не создают шум.
Датчики обладают высоким быстродействием (если сравнивать их с классическими реле).

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.

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.

Любая техника может ориентироваться в окружающей среде только с помощью специальных датчиков, которые позволяют получить необходимую информацию. Они могут быть нацелены на выяснение скорости объекта, состояния, текущих целей или типа изменений в окружающей среде. Одними из самых полезных считаются герконовые датчики. Почему именно так?

Принцип действия

Принцип, на котором базируется функционирование извещателя магнитоконтактного — это способность магнита воздействовать на железо и иные магнитные металлы. Если дистанция между магнитом и контактами сокращается до определенной величина, то на них начинает оказывать влияние магнитная сила, в результате чего они либо сходятся, либо расходятся. Какой процесс имеет место, определяется конструкцией извещателя. Если же магнит удаляется на определенное расстояние, то процесс сменяется на противоположный. Контакты помещается внутри колбы из стекла и совмещают свойства магнитопровода, пружины и токопровода. При возрастании дистанции происходит  уменьшение энергии магнитного поля в геометрической прогрессии. Поэтому если такое расстояние между герконом и магнитом возрастет, поскольку дверь оказалась чуть открыта, то энергия магнитного поля существенно снизится, в результате чего она не будет в состоянии удерживать контакты вмести, и они разойдутся.

Пять самых распространенных моделей герконов

• ИО 102-20 — это точечная модель, ее применяют, чтобы отслеживать положение ангарных ворот, контейнеров и иных объектов в плане их закрывания/открывания либо передвижение, об имевшем место событии поступает сигнал на панель контроля. Модель также можно применять в качестве концевого выключателя.
• Извещатели ИО 102-20 А2П ИБ, которые обладают маркировкой ОЕхiaIIBТ6Х устаналиваются внутри пространств, где существует опасность детонации, ихподключение производится посредством особой искробезопасной линии.
• ИО102-11М (СМК-3М) — это модель, которая рассчитана на установку внутри дверей и окон, они применяется в ловушечных устройствах, которые направляют сигнал на панель охраны. Замыкание контактов происходит, когда дистанция между элементами датчика не превышает 6 миллиметров, а размыкание наблюдается, когда этот показатель превышает 25 миллиметров. Сила тока до полуампера, а напряжение — до ста вольт.
• ИО-102-55 «Кенар» — это модель точечного типа, которая рассчитана на отслеживание того, была ли открыта дверь из алюминия или дерева либо иного аналогичного материала, в изделие встроена система, уберегающая его от саботажа. Контакты размыкаются при расстоянии 12 миллиметров, размыкаются при дистанции 45 миллиметров. Коммутируемая сила тока — 50 миллиампер, напряжения — 50вольт. Нормально-замкнутые контакты.
• ИО 102 2 — это устройство-геркон относится к кнопочным. Как магнит, так и геркон располагаются внутри того же корпуса, благодаря чему монтаж аппарата сравнительно несложен.
• EWD1 Eldes — это адресный магнитоконтактный извещатель, относимый к беспроводным, он функционирует аналогично прочим аппаратам, отслеживающим открывание/закрывание, его особенность в том, что тревожный сигнал он передает с помощью радиоволн. Чтобы определить адрес, необходимо отправить смску. Кроме того, на корпусе устройства присутствует тревожная кнопка. Диапазон частоты радиоволн — 866–869 мегагерц. Изделий способно работать автономно полтора года. Внутри закрытого пространства оно способно посылать радиосигнал на 30 метров, а на улице — на полтораста метра. Способен взаимодействовать с устройствами ELDES Wireless.

Параметры

• Магнитодвижущая сила срабатывания — значение напряжённости магнитного поля, при котором происходит замыкание контактов геркона.
• Магнитодвижущая сила отпускания — значение напряжённости магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона.
• Сопротивление изоляции — электрическое сопротивление зазора между сердечниками (в разомкнутом состоянии).
• Сопротивление контактного перехода — электрическое 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.
• Ёмкость — электрическая ёмкость 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.

Достоинства и недостатки

Применение герконов, конечно же, не так широко распространено, как, например, электромеханических реле, но всё же, они не являются дефицитными деталями. Поэтому остро вопрос, где же взять геркон, среди радиолюбителей не стоит. К несомненным преимуществам размыкающих герконов, впрочем, как и замыкающих, относится:

• высока надёжность — она превышает показатели обычных реле использующих открытые контакты почти в 100 раз;
• быстродействие — скорость срабатывания по сравнению с электромеханическими реле может быть быстрее в два-три раза;
• отсутствие шума;
• гальваническая развязка — их последовательное подключение в линию позволяет создать электрическую развязку управляющих и коммутируемых цепей;
• возможность коммутировать даже слабые по уровню сигналы;
• небольшой размер;
• долговечность — устройство способно совершить миллиарды включений, что обусловлено отсутствием трения;
• способность их работать без источника электроэнергии.

Благодаря своим свойствам герконы нашли применение в разнообразных датчиках позиционирования, измерительных приборах (велосипедный спидометр), в автоматических подъёмниках, выключателях, ноутбуках (регистрируют открытие и закрытие крышки) и даже в компьютерных клавиатурах.

Но, несмотря на это, герконы также имеют недостатки. Главный из них — хрупкость, из-за неё приборы нельзя использовать в местах сильной вибрации. Кроме этого, в результате износа площадок контакты могут «залипать», а в случае больших токов (нагрева) самопроизвольно размыкаться.

Но, как видно, на фоне достоинств недостатки не так уж и велики. Очень часто, используя геркон, радиолюбители собирают собственную недорогую систему сигнализации или автоматический блок включения света.

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.

Конструкция

Герконы различаются по контактной группе:

• с нормально разомкнутым контактом (замыкает электрическую цепь в присутствии магнитного поля);
• с нормально замкнутым контактом (разрывает электрическую цепь в присутствии магнитного поля);
• с переключающимся контактом (при отсутствии магнитного поля замкнута одна пара выводов, при наличии — другая).

По конструктивным особенностям выделяют:

• «сухие» герконы (колба заполнена осушенным воздухом или специальным газом);
• ртутные, или «смоченные» герконы (контактирующие поверхности смочены каплей ртути для уменьшения электрического сопротивления контакта и предотвращения дребезга).

Обычно колба геркона содержит азот или аналогичный инертный газ. Для увеличения допустимого коммутируемого напряжения некоторые типы герконов вакуумируются. В качестве материала для контактных пластин обычно используются сталь и никель с напылением из более стойкого металла (родий, рутений) в местах контакта. Критическим показателем качества и надёжности геркона является герметичность в месте соприкосновения стекла корпуса и металла проводников.

Конструкция извещателя

Извещатели магнитоконтактные могут иметь три типа контактов, а именно переключающийся, нормально замкнутый, а также нормально разомкнутый. Герконы подразделяются на смоченные и сухие. Смачивание осуществляется с помощью ртути, это дает возможность устранить дребезжащий звук, а если изделия сухие, то они располагаются в газовой среде, при этом таким газом в стандартном случае является азот. У части герконов внутри колбы вакуум, это делается с целью увеличить показатели коммутируемого напряжения.

Датчик включает два составных элемента, в первом располагается постоянный магнит, который в некоторых случаях может быть также электромагнитом, в то же время внутри второго находится геркон, оснащенный выводами контактов. Если датчик имеет охранное назначение, то электромагнит внутри него не применяется. Контактная система по своей конструкции является баллоном из стекла, внутри которого находятся две пружины с перекрывающимися концами, среда вокруг них — инертный газ. Количества пластин будет равно трем, если речь идет о перекидном герконе. Дистанция от одной контактной площадки до другой держится в пределах от трехсот до пятисот микрон. Смыкание контактов происходит под воздействием магнитного поля. Пружина обладает настолько небольшим изгибом, что ее ослабления не наблюдается, из-за этого количество ее переключений может достигать десять миллиардов. Инертный газ уберегает контакты от воздействия искр и коррозии.

Датчики подразделяются на врезные и накладные. Экраны, которые являются магнитно непроницаемыми, служат для защиты от нарушителей. Такие экраны требуются, чтобы на геркон не оказал влияние магнит, располагающийся извне.

Врезной геркон для установки в деревянный проем

Устройства для окон и дверей могут относиться к магнито пассивным либо к магнитоактивным. Датчики подразделяются на два типа по пригодности к установке на тех или иных окнах и дверях. Первый тип обладает магнитами меньшей силы и сравнительно невелик по размерам. Устройства такого типа устанавливают на объектах, выполненных из алюминия или дерева либо же иных материалов, лишенных магнитных свойств. Устройства второго типа существенно крупнее, и у них мощные магниты, они рассчитаны на двери из металлов с магнитными свойствами. Внутри системы беспроводного типа применяются исключительно адресные извещатели магнитоконтактные, оснащенные радиомодулем.

Блок с магнитом, который служит задающим элементом датчика, находится внутри подвижной части объекта, который отслеживается (к примеру, в самой двери), а исполнительный модуль располагается внутри неподвижной части конструкции, к примеру, внутри дверного косяка. Чтобы устройство работало стандартным образом, требуется, чтобы его компоненты находились друг напротив друга.