Принцип работы геркона: технические характеристики, принцип работы, применение

технические характеристики, принцип работы, применение

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.

А) внешний вид геркона; В) обозначение на принципиальных схемах

С конструктивным исполнением, можно ознакомиться на рисунке 2.

Конструкция геркона

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.

Принцип работы нормально-разомкнутого геркона

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.

Принцип действия нормально-замкнутого геркона

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.

Срабатывание переключающего геркона

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.

Упрощенное изображение конструкции герконового реле

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.

Схема управления освещением прихожей

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.

Простая домашняя сигнализация

Обозначения:

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

В качестве сирены используется звуковой оповещатель АС-10.

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

Геркон. Принцип работы и обозначение на схеме.

Среди всевозможных радиоэлементов в электронике есть весьма любопытный и оригинальный. Возможно, вы уже слышали о нём или даже применяли в своих самоделках. Это – геркон.

Название этого электронного компонента происходит от словосочетания герметизированный контакт. В сущности, простейший геркон представляет собой два контакта, запаянных в стеклянную колбочку. Внутрь герметичной колбы закачан газ, который препятствует обгоранию контактов. Сами же контакты являются магнитоуправляемыми и изготавливаются из ферромагнитного материала (например, пермаллоя). Их можно замыкать посредством воздействия магнитного поля электромагнита, соленоида, либо постоянного магнита.

На принципиальных схемах геркон обозначается в виде двух контактов в кружке, символизирующем герметичный баллон геркона.

Условное обозначение геркона на принципиальных схемах и его внешний вид

Герконы можно легко обнаружить во многих инфракрасных датчиках движения, которые применяются в автоматических системах охраны. Там они используются в качестве реле.

Также геркон применяется в широко распространённом охранном датчике ИО-102 (или его аналогах). В его состав входит геркон с проволочными выводами и постоянный магнит. Геркон устанавливается на неподвижную часть двери или оконной форточки и подключается к охранному прибору двумя проводниками. Магнит крепиться на подвижной части двери или форточки. Это простейший пример применения герконов в охранной автоматике.

Охранный датчик серии ИО-102 на основе геркона

Герконы успешно применяются в качестве реле. Герконовое реле состоит из геркона и проволочной обмотки, так называемого, соленоида.

Если через проволочную обмотку пропустить ток, то под действием протекающего тока в обмотке образуется электромагнитное поле, которое и воздействует на геркон, замыкая его контакты.

Герконовые реле TRA-500 и Sh2A05BW, применяемые в приборах охранной автоматики

В чём преимущество герконового реле перед обычным электромеханическим?

• Во-первых, это сравнительно малые габариты и простота конструкции. Если взглянуть на обычные реле и герконовые, то можно убедиться в том, что герконовые заметно компактнее.

• Второе преимущество реле на герконах – устойчивость к обгоранию контактов и влажности. Поскольку контакты геркона находятся в герметичном стеклянном баллоне с химически инертным газом (чистым азотом или смесью азота и водорода), то, естественно, контакты не окисляются.

• Ещё одним немаловажным преимуществом герконовых реле является отсутствие подвижных элементов конструкции. Контакты геркона не подвержены трению и износу. Зазор между контактами геркона настолько мал, что его очень трудно увидеть.

Стоит отметить, что если через контакты геркона протекает большой ток, то они могут «залипнуть». При этом геркон либо выйдет из строя, либо будет периодически замыкаться даже без воздействия магнитного поля на контакты. К сожалению, такой геркон подлежит замене.

Сферы применения герконов очень обширны. Это и системы охранно-пожарной автоматики, всевозможные датчики положения, системы связи, приборы управления и контроля.

Одним из существенных недостатков, препятствующих ещё большему распространению герконов является низкая ударостойкость. Несмотря на это, в последнее время герконы применяются в автомобилестроении и даже в авиации.

По сравнению с обычными реле герконовые обладают большим быстродействием и меньшей шумностью. Переключение контактов герконового реле практически незаметно на слух.

Также стоит отметить, что герконы в основном служат для коммутации небольших токов.

Что следует учитывать при использовании герконов в своих электронных самоделках?

Максимально допустимое коммутируемое напряжение и ток. Так, геркон марки КЭМ-1 способен выдержать ток не более 2 Ампер и напряжение 300 Вольт. Если превысить эти значения, то геркон превратиться в обычный проводник – его контакты «пригорят» друг к другу. Необходимо также уточнить коммутируемую мощность геркона. Для упомянутого геркона КЭМ-1 этот параметр составляет не более 30 Ватт.

Таким образом, если используя формулу мощности постоянного тока подсчитать допустимый ток через геркон при напряжении, например, 220 Вольт, то он составит величину меньше 2 Ампер, а точнее – 0,13 Ампер (130 мА).

Если же мы предполагаем, что через геркон будет протекать постоянный ток 1,5 Ампера, то максимально допустимое напряжение будет составлять всего 20 Вольт.

Применение геркона в самодельных устройствах просто огромно. Его можно использовать для гальванической развязки цепей, в качестве датчиков положения в электронных игрушках, системах сигнализации и контроля.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Научись паять! Минимальный наборчик для пайки.

• Цифровой мультиметр. Какой мультиметр выбрать новичку?

 

Что такое геркон и как он работает?

«Что такое геркон и как он работает. Геркон — это электромеханическое переключающее устройство, содержащее два ферромагнитных лезвия в герметично закрытой стеклянной оболочке, поэтому эти компоненты могут существовать или использоваться практически в любой среде».

Если вам нужна помощь в определенных областях, не стесняйтесь переходить к любому из следующих разделов:
Что такое геркон?
Как работает геркон?
История технологии герконовых переключателей
Заключение
Дополнительные ресурсы

Компания Standex Electronics располагает опытными инженерами и передовыми производственными мощностями. Standex является крупнейшим мировым лидером в области разработки продуктов и производственных услуг для конкретных клиентов. Мы производим уникальные решения практически для любой среды или приложения. Например, геркон — одна из наших самых успешных и широко используемых разработок. Являясь крупнейшим в мире производителем герконов, мы производим более 700 миллионов герконов в год.

Что такое геркон?

Геркон представляет собой электромеханическое коммутационное устройство. Общая структура проста. Две ферромагнитные лопасти, герметично запаянные в стеклянную оболочку. Другими словами, эти компоненты могут существовать или использоваться практически в любой среде. Кроме того, стеклянная оболочка имеет температурный коэффициент, точно соответствующий язычкам из никелевого железа (NiFe).

Простое взаимодействие магнита открывает и закрывает язычковые контакты. Точнее, наличие (или отсутствие) магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом или электромагнитной катушкой, вызывает размыкание или замыкание контактов. При разомкнутых контактах переключателя мощность не потребляется. Простота этой конструкции и работы позволяет герконам не иметь быстроизнашивающихся деталей и надежно работать в качестве «переключателя» для миллиардов операций в различных отраслях промышленности. Сегодня все основные сегменты рынка используют технологию герконов. Например, в контрольно-измерительном оборудовании, медицинской электронике, телекоммуникациях, автомобилях, системах безопасности и бытовой технике используются герконовые коммутационные компоненты. Поэтому неудивительно, что скорость роста герконов выше, чем когда-либо, когда мировое производство не может идти в ногу со спросом.

Геркон, показывающий детали области контакта геркона и компонентов геркона.

Как работает геркон?

Герконовые переключатели надежно переключают миллиарды операций, используя простое взаимодействие магнита для размыкания и замыкания контактов. Во-первых, основная работа геркона происходит, когда его подносят к постоянному магниту, и отдельные язычки намагничиваются притягивающей полярностью магнита. Во-вторых, когда внешнее магнитное поле становится достаточно сильным, магнитная сила притяжения закрывает лепестки геркона. В-третьих, магнитное поле, создаваемое язычковыми пластинами, рассеивается, когда магнитное поле снимается.

Самое главное, так как любой остаточный магнетизм на лезвиях язычка может повлиять на открытие и закрытие. Поэтому лезвия тростника отжигают и обрабатывают, удаляя любые магнитные ретенции. Нажмите здесь, чтобы увидеть геркон в действии.

Постоянный магнит и геркон параллельны друг другу, воздействуя на центральные магнитные лепестки. Расположение магнита дальше от геркона сфокусирует внимание на центральных лепестках и вызовет однократное открытие и закрытие, поскольку постоянный магнит движется параллельно плоскости геркона.

История технологии герконов

Компания Bell Labs впервые изобрела герконы в конце 1930-х годов. Хотя они используются уже несколько десятилетий, в принципах работы герконов мало что изменилось. В 1940-х годах датчики и реле широко использовали технологию герконов. Более того, раннее электронное и тестовое оборудование использовало компоненты геркона для выполнения шаговых и переключающих функций. В конце 1940-х годов телефонные коммутаторы центрального офиса Western Electric начали использовать герконовые реле. Технология герконовых переключателей значительно улучшила телекоммуникации как в 1940-х и до сих пор.

Заключение

Благодаря их образцовой производительности новые области применения герконов продолжают расти все более быстрыми темпами. Команда Standex готова удовлетворить постоянно меняющиеся потребности клиентов из разных отраслей и по всему миру с помощью нашего подхода Partner, Solve, Deliver® . Свяжитесь с нашей командой, чтобы узнать больше о наших тщательно разработанных решениях.

Дополнительные ресурсы

Для более глубокого понимания того, как работает геркон, загрузите наш справочник по технологиям Reed.

Этот справочник содержит подробное описание того, что такое геркон и как он работает. Получите обширные знания о различных приложениях, функциях и преимуществах.

Принцип работы и функция геркона

Принцип работы геркона

Принцип работы геркона очень прост. Две намагничиваемые пружинные детали (обычно из железа и никеля), перекрывающие друг друга на концах, запечатаны в стеклянную трубку. Две пружинные части расположены внахлест с небольшим зазором всего в несколько микрон. Точки контакта на этих двух пружинных элементах покрыты слоем твердого сплава, обычно родия и рутения, что значительно увеличивает частоту переключений и срок службы изделия. Стеклянная трубка заполнена инертным газом высокой чистоты (например, азотом). Для некоторых сухих герконов внутренняя часть находится в вакууме, чтобы улучшить их характеристики при высоком напряжении.

Роль пружинки аналогична проводнику магнитного потока. В нерабочем состоянии две пружинные части не соприкасаются друг с другом. Когда магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом или электромагнитной катушкой, проходит мимо, внешнее магнитное поле вызывает генерацию различных полярностей вблизи положений конечных точек двух пружинных частей. Когда магнитная сила превышает силу упругости пружины, две пружинки притягиваются и замыкают электрическую цепь. Когда магнитное поле ослабевает или исчезает, сухой геркон освобождается из-за собственной эластичности, и контакт размыкается, чтобы разомкнуть цепь.

Переключаемая пружинная часть соприкасается с нормально замкнутой частью, когда нет магнитного поля. Когда создается достаточно сильное магнитное поле, пружинная часть перемещается к нормально открытой части, а нормально открытая и нормально закрытая части фиксируются. И фиксированные детали, и переключаемая пружинная часть являются ферромагнитными деталями. Разница лишь в том, что контактная поверхность нормально замкнутого сухого геркона приварена к сухому геркону немагнитным металлом. При помещении в магнитное поле неподвижные части с обеих сторон нормально разомкнутой и нормально закрытой имеют одинаковую полярность, но противоположную полярности подвижной пружинной части. Немагнитный металл на нормально закрытом конце изолирует магнитный поток. Следовательно, когда магнитная сила между нормально открытым концом и поворотным элементом пружины достаточно велика, поворотный элемент пружины вступит в контакт с нормально открытым элементом, чтобы замкнуть цепь.

Роль магнитного геркона

Магнитный геркон широко используется в бытовой технике, автомобилестроении, связи, промышленности, медицине, безопасности и других областях. Кратко объясним применение магнитных герконов в магнитных герконовых реле и сухих герконовых датчиках.

Магнитное герконовое реле

Размещение магнитного геркона вокруг катушки приводит к тому, что ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле, подобное полю постоянного магнита. Вокруг коммутатора размещен коаксиальный экран для коммутации высокочастотных сигналов до 20 ГГц. Поскольку сухие герконы не имеют чувствительных частей, контакт может коммутировать сигналы низкого уровня.

Сухой герконовый датчик

Сухие герконовые датчики с помощью магнитного геркона могут обнаруживать различные движения с помощью постоянных магнитов. Сухие герконы потребляют нулевой ток в разомкнутом состоянии, что делает их идеальным выбором для энергосберегающих устройств. Даже когда воздух, пластик и металл разделены, магниты и сухие герконы, как правило, могут быть разделены физическими корпусами или другими барьерами. Сухие герконовые датчики используются для обнаружения движения, подсчета, определения уровня жидкости, измерения уровня жидкости, переключения в суровых условиях, имплантированных устройств и т.