Где используется герконовые реле защиты. Магнитные герконы. Характеристики высоковольтных герконов и герконов повышенной мощности

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

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

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

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

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

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

На рисунке 4 представлен геркон SPDT-типа.

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

Рассмотрим несколько наиболее распространённых систем геркон-магнит.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1. Серии герконов Littelfuse

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

Основные параметры герконов

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

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

Временем отпускания называется интервал между рабочей точкой и точкой рассоединения.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Защита герконов и герконовых реле

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

Существует несколько способов устранить эту проблему.

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

Использование подавляющих RC-цепей (снабберных цепей).

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

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

По закону Ома:

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

(1)

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

(2)

где Isw – ток коммутации геркона.

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

Формовка и обрезка выводов герконов

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

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

Рассмотрим основные способы формовки и обрезки выводов геркона.

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

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

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

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

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

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

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

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

Выбор магнитов

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

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

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

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

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

Таблица 2. Выбор магнитов для управления герконами

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

Заключение

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

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

Достоинства герконов (англ. «Reed Switches»):

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

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

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

Полная гальваническая развязка за счёт стеклянного корпуса;

Достаточное для практики быстродействие (0.5… 1.5 мс);

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поговорим мы в этой статье про герконы, слово геркон расшифровывается как: герметичный магнитоуправляемый контакт. Геркон представляет собой небольшую вытянутую колбу с откачанным воздухом, внутри которого содержится пара гибких металлических ферромагнитных контактов. Контакты по длине перекрываются, но находятся на небольшом расстоянии друг от друга, этих контактов может быть несколько, на разные включения (замыкание или размыкание). При поднесении магнита к геркону контакты замыкаются (или размыкаются).

Герконы могут использоваться в датчиках (например датчик скорости на велосипеде), выключателях и пр… Раньше герконы использовались в реле, поверх геркона наматывалась катушка в несколько сотен витков (сопротивление обмотки может достигать 500-1500 Ом) и при подаче напряжения контакты геркона замыкались, сейчас реле с герконами редко где используются.

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

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

Герконы на схемах обозначаются следующим образом:

Особенности и преимущества герконов:
Как уже говорил, контакты геркона находятся в вакууме или в инертном газе и как следствие при работе они слабо обгорают, даже если при замыкании или размыкании между контактами возникает искра.
Герконы достаточно долговечные, если не бить геркон и не пропускать очень большие токи, то срок службы геркона бесконечен.
Герконы в работе почти бесшумны, слышно только цоканье контактов.
Относительно высокое быстродействие.

Недостатки герконов:
Герконы очень хрупкие, корпус герконов как правило изготовлен из хрупкого стекла, следовательно их нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударов.
Для их срабатывания нужно создать или приложить магнитное поле.
Иногда контакты герконов залипают, такое происходит после прохождения больших токов и проскакивания искры при срабатывании контактов, такой геркон необходимо заменить, герконы в основном служат для коммутации небольших токов. Ниже на рисунке Вы можете увидеть фотографию геркона с обгоревшими контактами.

Применение герконов

Как уже говорилось, чаще всего герконы применяются в системах охранной сигнализации, ставят их на дверь, окна… при открывании двери мимо геркона проходит магнит (который расположен на двери) и замыкает геркон. Можно сделать включение какого либо устройства при поднесении магнита к геркону, например включение компьютера, или сделать так чтобы двигатель скутера заводился только после того как поднесут к датчику магнит, ставить в качестве датчиков контроля положения, сделать так чтобы при поднятии какого либо предмета сработала сирена, или прикрепить геркон на колесо велосипеда для контроля скорости, давайте рассмотрим такую схему ниже!

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:

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

Герконы это один из элементов коммутации в электрических цепях, которые успешно применяются при определенных условиях. В некоторых случаях реле на герконах являются более эффективной альтернативой электромагнитным реле.

Область применения герконов

Контактные группы на герконах активно используют в электрических схемах охранной сигнализации. Группа контактов на герконах в одном корпусе может одновременно делать переключения в нескольких электрических цепях не связанных друг с другом. В сигнализации это применяют для включения звуковой, световой индикации сработки, для передачи сигналов на дежурный пульт управления.

На предприятиях с взрывоопасными примесями эффективно используют герконы для коммутации электрооборудования различного назначения, так как при замыкании и размыкании контактов нет искр выходящих за пределы герметичной стеклянной колбы корпуса. Для запуска мощных электродвигателей применяют герконы способные подключать цепи с нагрузкой до 45 кВт.

Кроме низковольтного оборудования, есть модели герконов которые используются для замыкания цепей с напряжением от 1000 В до 100 кВ, в релейной защите высоковольтных воздушных линиях для передачи электроэнергии. На таких элементах устанавливают дугогасящие конструкции и дэмпферные приспособления для гашения вибрационных колебаний контактов. Герконовые изделия для коммутации предоставляют возможность развития новых направлений в приборостроении, автоматических устройств управления и защиты в релейных системах.

Принцип работы герконов

Работа основана на использовании магнитных сил поля возникающих между ферромагнитными элементами в герконе. Эти силы могут деформировать и перемещать, феритовые пластины контактов, при этом они замыкаются или размыкаются. Магнитное поле для намагничивания ферромагнитных контактов в зоне размещения прибора создается двумя способами:

Катушкой наматываемой на корпус, на которую подается постоянный ток;

Совет №1 величину магнитного потока можно регулировать самостоятельно, наматывая провод на корпус катушки до момента срабатывания контактов

Внешним постоянным магнитом.

Простейшая конструкция геркона

Виды герконовых реле

Большой спрос на использование герконов в самых различных отраслях с учетом условий производства порождает большое количество моделей изделия. Все герконовые реле можно разделить по виду контактов:

С разомкнутыми контактами в исходном состоянии;
С замкнутыми контактами в исходном состоянии;
С комбинированными группами контактов, когда в одном корпусе находятся нормально замкнутые и разомкнутые герконы.

По виду конструкции герконовые реле разделяют на два вида:

Сухие – с наполнением колбы инертным газом или с вакуумом внутри, это делается для увеличения устойчивости контактов к большим токовым нагрузкам;
Мокрые – герконы в точках соприкосновения контактов имеют жидкий металл, ртуть при вибрации играет роль амортизатора, предотвращая размыкание.

Основные технические характеристики герконов

По причине большого разнообразия конструкций герконовых реле, с различными функциональными назначениями есть характеристики, которые актуальны только для конкретного вида. Рассмотрим основные, которые присущи для всех разновидностей герконовых реле:

Уровень вибрации — при превышении заданного уровня стеклянные колбы герконов могут треснуть, контакты замкнуться или разомкнуться. Измеряется та величина количеством колебаний в секунду;
Максимальное для контактов напряжение в коммутируемой электросети измеряется в вольтах и кВ, зависит от сечения и материала контактов, записывается как Uмах;
Допустимая мощность , при которой контакты не теряют своих ферромагнитных свойств и способности выполнять свои функции. Мощность геркона определяют материал и сечениеконтактов, чем больше сечение тем больше допускается электрическая мощность сети, обозначается в технической документации как Рmax измеряется в Вт; кВт;
Число коммутационных циклов – количество размыканий и замыканий до износа контактов, при котором они уже не могут выполнять своего функционального назначения. В некоторых технических источника это называется ресурс работы, обозначается как N мах, где N – количество срабатываний обычно исчисляется от 4-5 милиардов;
Время отпускания – промежуток времени от момента обесточивания катушки до перехода контактов в исходное состояние 0,2 — 1мкс;
Время реакции – время от момента подачи тока на катушку до замыкания или размыкания контактов 0,5 – 2 мкс;
Емкость контактов – Ск, может быть только в разомкнутом состоянии контактов, зависит от промежутка между ними и геометрических размеров контактных пластин.

Последние два параметра в технической документации могут формулировать как скорость замыкания и размыкания контактов в миллисекундах, записываются как Тср и Тотп. Эти величины показывают быстродействие геркона, малогабаритные модели имеют более высокое быстродействие. Частота коммутационных циклов может достигать 1000 Гц.

Напряжение пробоя – величина напряжения (десятки кВольт), при которой между ферритовыми контактами в разомкнутом состоянии пробивает электрическая дуга или искра. Это напряжение характеризует электрическую прочность геркона, которая во многом зависит от материалов, из которых сделаны контакты, покрытия и зазора между ними;
Напряженность поля – величина, при которой происходит переключение контактов, иногда этот параметр называют магнитодвтжущая сила Vср – срабатывания. Под срабатыванием понимается замыкание контактов и Vотп. Отпускания, подразумевают размыкание контактов.
Сопротивление контактного перехода – имеет два значения, измеряется в замкнутом состоянии Rк (контакта) очень малые величины. В разомкнутом состоянии Rиз(изоляции) – сопротивление изоляции в пределах десятков МОм.

Таблица: ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕРКОНОВ НА ЗАМЫКАНИЕ КОНТАКТОВ

Модель геркона	KЭM-1	KЭM-6	MK36701	MKA-27101
Вид модификации геркона	стандарт	стандарт	промежуточные	промежуточные
сила магнитного поля, А	54…110,1	37…50	51…80	31…60
Интервал времени срабатывания, мс	3	2	2	1,5
	31	11	20	11
	221	151	101	111
Величина тока коммутации, А	1,1	0,26	0,36	0,36
Напряжение пробоя, В	501	501	—	501
Сопротивление контактов замкнутого геркона, Ом	0,09	0,11	0,071	0,121
частота замыканий, Гц	101	21	50	100
Рабочая температура, °С	-61…+123	-61…+125	-61…+100	-61…+100
Допустимый диапазон частот вибрации, Гц	1…601	1…50	1…600	1…601
Длина и Ø баллона, мм	50/80	36/63,5	36/63,5	27/45,6

Параметры переключающих и измерительных герконов

Марки герконов	МКС-27102	КЭМ-3	МКС-15101	МКА-52181	МКА-27801
сила магнитного потока, А	51…74	31…100	31…45	81	31…100
	1,51	1,51	1,51	2.1	2.1
Допустимая мощность коммутации, Вт	31	31	0,36.1	1,49	1
Допустимое напряжение коммутации, В	151	125	35	35	301
Допустимый ток коммутации, А	1.1	1.1	0,011	0,11	0,011
Сопротивление замкнутых контактов, Ом	0,151	0,31	0,151	0,081	0,11
частота замыканий и размыканий, Гц	51	101	100,1	100,1	50.1
Интервалы рабочей температуры, °С	-61… + 125	-61… + 125	-61… + 125	-61… + 85	-61… + 85
Диапазон сачтоы вибрации, Гц	1…2000.1	1…2000.1	1…2000,1	1…601	5…601
Длина и Ø баллона, мм	27/67	18/54	15/50	53/79,5	28/52,3

герконы с большой мощностью

Марка геркона	MKA-52141	MKA-52142	MKA-52202
Модификация геркона	высоковольтный	высоковольтный	мощный
Сила магнитного потока переключения, А	100…200,1	300.1	180…300.1
Временной интервал переключения, мс	3,1	3,1	8,1
Допустимая мощность коммутации, Вт	51	51	251
Допустимое напряжение коммутации, В	5000.1	10000.1	380.1
Допустимый ток коммутации, А	3,1	3,1	4,1
Напряжение пробоя, В	10000.1	15000.1	800.1
Сопротивление между замкнутыми контактами, Ом	0,1	0,1	0,3
Диапазон рабочих температур, °С	-40…+85	-60…+100	-45…+60
Допустимые частоты вибрационные нагрузки, Гц	1…600	1…60	1…10
Длина колбы и Ø мм	53/5,4/80	52/5,5/90	52/7,0/0

Особенности управления контактами геркона

Можно выделить два способа управления, каждый из которых имеет свои конструктивные особенности:

Управления по средствам магнитного поля от постоянного магнита.

Геркон устанавливается неподвижно, магнит перемещается в пространстве относительно геркона, при приближении на расстояние когда сила магнитного поля достаточная для переключения контактов происходит срабатывание. Аналогично при удалении магнита от геркона, поле ослабеет, и контакты геркона возвращаются в исходное состояние.

Классическим примером такого варианта является применение геркона в системах охранной сигнализации, когда геркон устанавливается на дверную коробку, а магнит на двери, можно наоборот.

Пример монтажа герконовых датчиков на двери
А – контакты находятся в разомкнутом состоянии;
Б – контакты замыкаются сигнализация срабатывает:

Совет №2 Рекомендуется в этом случае использовать датчики цилиндрической формы в пластиковом корпусе. Они незаметно устанавливаются в просверленные отверстия в коробке и двери. Для маскировки сверху можно наклееить эластичные заглушки соответствующего цвета.

В зависимости от условий эксплуатации и функционального назначения, конструктивные решения могут быть разные:

Магнит может вращаться вокруг оси, меняя полярности тем самым переключать контакты геркона.
Между герконом и магнитом может перемещаться экранирующая магнитная шторка, для шунтирования поля;
Подвижным может быть любой элемент, несколько, элементов или все, шторка, магнит и геркон, все определяют условия конкретного объекта.

Управление герконом по средствам катушки, через которую пропускается постоянный ток

Такой способ получил широкое применение в конструкциях герконовых реле с небольшим количеством групп контактов. В полый сердечник корпуса, на который намотана обмотка, помещают один или несколько герконов.

Примером такого использования являются токовые датчики защиты в электросетях питающих оборудование. Катушки наматываются достаточно толстым проводом, чтобы выдерживать токовые нагрузки, используемые на производственном процессе. При превышении тока магнитное поле отключает контакты геркона, оборудование обесточивается. Настройка осуществляется перемещением по резьбовому соединению геркона внутри катушки вдоль оси.

Достоинства герконовых переключателей

В отличие от обычных реле с электромагнитными катушками и сердечником в герконовых нет механических элементов, привода рычага для перемещения контактов и стального сердечника в катушке. За счет этого конструкция получается меньших габаритов.
Многие показатели герконовых реле в сотни раз выше, чем обычных реле, сопротивление изоляции, пробивное напряжение, соответственно электрическая прочность.
Очевидно, что обычные реле не могут сравниться с герконами по быстродействию. Частота коммутации контактов на герконах 1000Гц;
Ресурс работы герконов исчисляется в миллиардах циклах переключений;