Силовые герконы. Магнитные герконы. Конструктивные и технические признаки

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.

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.

Приобретались эти датчики по наводке из комментариев к одному из моих прошлых обзоров.
По большому счёту обозревать тут нечего, поскольку принцип их действия простой, но одному моему товарищу стало интересно, что это вообще такое и как оно работает - об этом и решил написать этот небольшой наглядный обзор.

Принцип работы

Геркон (гер метизированный кон такт) представляет собой стеклянную колбочку, внутри которой находятся две упругие контактные ферромагнитные пластины, которые при погружении в магнитное поле смыкаются и образуется контакт, по которому затем течёт ток.
Колбочка при этом обычно заполнена инертным газом или в ней содержится вакуум. Пример работы схематично отображён на анимации ниже, где подносится обычный магнит.

Почему пластины собственно смыкаются и размыкаются от наличия магнитного поля. Как уже было выше сказано, пластины сами по себе - ферромагнитные, т.е. они активно притягивают к себе магнит и в тоже время сами активно притягиваются магнитом. Аналогичные свойства есть у обычного железа. Магнит имеет две полярности - северную и южную, причём магнитные линии всегда идут от северного полюса к южному. При поднесении магнита к геркону, магнитные линии также будут проходить через эти упругие пластины. В данном случае на рисунке, северный полюс магнита расположен слева, южный - справа. Соответственно край верхней пластины становится южной полярности, а край нижней пластины - северной полярности - в итоге пластины замыкаются. При отдалении магнита - пластины за счёт своей упругости размыкаются. Если магнит по отношению к этим пластинам расположить неправильно, то магнитные линии будут проходить через них неравномерно, и контакты не смогут сомкнуться.

В продаже можно найти три основных типа герконовых датчиков:
1) Нормально открытые (обозреваемые), которые в обычном состоянии разомкнуты, а при погружении в магнитное поле - цепь замыкается.
2) Нормально закрытые, - уже обратный принцип: в обычном состоянии контакты замкнуты, но при погружении в магнитное поле контакты размыкаются.
3) Герконы-переключатели, - в отличии от двух первых, имеют уже 3 вывода и 3 пластины внутри соответственно. В спокойном состоянии замкнута одна пара контактов, при погружении в магнитное поле - уже другая пара.

Герконы также бывают рассчитанными на коммутацию большого тока или ртутными, где места соприкосновения пластин смочены каплей ртути для подавления дребезга контактов. Основное применение герконов - системы безопасности и автоматики, как наиболее простой пример - автоматический запуск какого-либо действия при открывании двери или окна, например посыл сигнала тревоги. На основе герконов делают герконовые реле - в высоковольтных установках такие используются для защиты от перегрузок по току, в этом случае геркон помещается в катушку.

Внешний вид. Размеры
Взял нормально открытые (разомкнутые) в количестве 10 штук.
Стеклянная капсула со слегка зеленоватым оттенком.

Размеры соответствуют 2x14мм

Собрал на макетке простую цепь со светодиодом, в разрыв которой поместил геркон, дабы проверить его работу, поднеся к нему плоский неодимовый магнит, и поскольку магнитные поля имеют разные полюса, то контакты в герконе стабильно замыкаются только если направить магнит на него торцом и поперёк.

В других положениях магнита, контакты в герконе не будут замкнуты:

Пример с магнитами из мотора: повернув одной стороной - контакты замыкаются, другой стороной - никакой реакции. Поэтому этот момент стоит учитывать.

Как происходит изменение состояния пластин - в увеличенном виде под цифровым микроскопом

Вдобавок ко всему неплохо было бы показать простейший наглядный тест работы этого датчика с выполнением какого-нибудь действия при открывании-закрывании двери комнаты, например включении настольной лампы посредством .

Сначала надо упаковать сам геркон.

Надевается кусочек термоусадки, обжимается горячим воздухом

Необходимо загнуть один вывод. Но тут меня поджидал первый блин комом - отогнув вывод практически у самого основания колбочки - стекло раскололось и геркон пришёл в негодность:

Чтобы этого не произошло, надо вывод, отступив от основания капсулы на 1-2мм, зажать пинцетом и только потом уже загибать его:

Второй вывод чуть укоротил, вместе с термоусадкой

Припаиваю провод к обоим выводам провод

Теперь всё это дело надо как-то закрепить. Поэтому мелкими ломтиками нашинковал стержень от клеевого пистолета:

Надел на геркон сверху ещё термоусадки, у основания немного набил внутрь обрезков термоклея:

Обдул горячим воздухом

Излишки клея убрал

Дело осталось за малым. Прикрепить магнит на дверь, а геркон на стену, напротив магнита. Для показательного теста здесь сгодился и обыкновенный скотч, благо и обратно можно быстро всё снять.

Магнит и геркон расположены поперёк друг другу

Электронно-программная часть проста: плата Pro Mini настроена на внешнее прерывание, где вывод прерывания через этот самый геркон соединён с питанием платы и пока дверь закрыта и возле геркона есть магнит, цепь замкнута, контроллер спит, а реле, управляющие светильником - выключено. Как только дверь открывается, а магнит отводится в сторону, геркон размыкается, возникает внешнее прерывание, которое подаёт импульс на реле и светильник включается.

Применений в самоделках может найтись много, особенно с простыми и дешёвыми контроллерами Attiny13 или, если проект совсем простой - с транзисторами. Ввиду своего мелкого размера, геркон можно хитро спрятать от посторонних глаз. Я буду использовать их в новой версии энергоэффективной GSM-сигнализации, правда для её полноценной сборки необходимо дождаться ещё нескольких компонентов. Из минусов отмечу хрупкость капсулы и уязвимость перед другими магнитными полями. Касаемо надёжности пишут, что у них довольно большой цикл замыкания-размыкания за счёт герметичности внутри капсулы. В общем, посмотрим.