Герконовый датчик на размыкание

Устройства коммутации, или контакты применяют в радиотехнике и электронных устройствах. В электромагнитном реле контакты – это ненадежная конструкция, имеются трущиеся детали из металла. Они изнашиваются, работоспособность реле снижается. Герконы – это магнитоуправляемые герметические контакты. Выключатели на герконах были придуманы для качественной эксплуатации, повышения срока службы. Первые устройства на основе герконов возникли в прошлом веке в 30-е годы, а изобретен геркон был в 1922 году.

В современное время герметические контакты применяются не слишком широко, их постепенно вытесняют датчики Холла. Но есть места, где геркон не имеет конкурентов, он простой в использовании, имеет сухой контакт, гальваническую развязку. До сих пор магнитоуправляемый контакт используется в электронике. Герконы устанавливают там, где нужна долговечность коммутации, надежность работы. Они входят в разные датчики, реле, позиционные выключатели.

Виды

Как и все контактные группы, герметические контакты разделяются на виды по функциям:

• Замыкающие.
• Переключающие.
• Размыкающие.

По технологии изготовления и конструкции, герконы разделяются на группы:

• Сухие.
• Ртутные.

Сухие магнитные контакты работают как обычные. В ртутных образцах внутри корпуса из стекла расположены контакты с капелькой ртути. Капля ртути нужна для смачивания контактов в работе, улучшения контакта, уменьшить сопротивление перехода, устранить дребезг контактов.

Дребезг – это вибрация контактной группы при срабатывании на замыкание или размыкание. При одной сработке возникает ложная коммутация сигнала передачи, повышается время срабатывания. Если дребезг окажется в усилителе звука при включении сигнала, то произойдет искажение звука, работа усилителя нарушится. При использовании геркона в цифровых микросхемах необходимо подавлять дребезг фильтрами RS триггеров или RC цепочек. Герконовые контакты используют в схемах микроконтроллеров, в которых дребезг герконов устраняют с помощью программ, что уменьшает скорость работы системы.

Устройство

Конструкция магнитоуправляемого контакта выполнена из стеклянного баллона. В баллоне расположены контакты, изготовленные из магнитных сердечников, которые приварены с торцов колбы. Наружные элементы магнитных сердечников подключены к сети питания. Это видно на схеме.

1. Колба стеклянная.
2. Контакт переключения.
3. Стационарный контакт.

Наиболее распространены замыкающие герметические контакты. У них контакты из проволоки прямоугольного сечения, с ферромагнитными свойствами. Также сердечники могут быть выполнены из пермаллоевой проволоки. Это зависит от размера и мощности герконового датчика. Покрытие контактов выполняют также из родия, золота и т.д.

В колбу закачивают инертный газ, либо создают вакуум. Это не позволяет развиваться коррозии и ржавчине в датчике геркона. При производстве герконов необходимо учитывать, что имеется промежуток между сердечниками.

Работа геркона

Простое реле с контактами замыкания имеет в составе два сердечника с контактами, имеющие повышенную магнитную проницаемость. Они находятся в герметичном баллоне из стекла, с инертным газом, либо смесь газов. Создается давление в баллоне 50 кПа. Среда инертности не дает окисляться контактам.

Баллон геркона ставится внутри управляющей обмотки, подключенной к постоянному току. При включении питания на реле образуется магнитное поле, проходящее по сердечникам контактов, по зазору и замыкается по управляющей катушке. Магнитный поток создает тяговую силу, соединяющую контакты друг с другом.

Чтобы сопротивление контактов сделать наименьшим, касающиеся поверхности покрыты серебром, радием, палладием и т.д. При выключении питания в катушке электромагнита геркона усилие исчезает, пружины размыкают контакты. В герконовых реле нет поверхностей трения деталей, контакты имеют много функций, выполняют работу магнитопровода, проводника и пружины.

Чтобы уменьшить габариты катушки магнита, повышают плотность тока. Применяют провод в эмали для намотки катушки. Детали геркона штампованные, соединения производятся пайкой или сваркой. В герконах используются магнитные экраны для снижения зоны состояния включения.

Пружины в герконовых реле установлены без дополнительного натяга, они включаются сразу, не тратя время на старт. Вместо электромагнита могут применяться также постоянные магниты. Такие герконы называются поляризованными. Усилие нажатия контактов герконового реле обуславливается магнитной силой катушки, в отличие от обычных электромагнитных реле, у которых усилие зависит от пружин.

На размыкание геркон работает по-другому. Система магнитов реле при действии электромагнитной силы намагничивают сердечники одноименно, которые отталкиваются между собой и размыкают цепь.

У геркона с переключением один из 3-х контактов замкнутый, выполнен из немагнитного металла. Остальные два контакта сделаны из ферромагнитного состава. Под действием магнитного поля разомкнутые контакты замыкаются, а замкнутый немагнитный размыкается. Хотя магнитное поле есть всегда, как поле Земли, но такого поля не хватает для срабатывания геркона, поэтому им пренебрегают.

Применение герконов

Герконовые датчики и выключатели используют:

• Медицинские приборы и аппараты коммуникации.
• Аппараты для подводников.
• Синтезаторы и клавиатуры.
• Тестирующие приборы, измерители.
• Приборы автоматики и безопасности.

В охранных системах датчики на герконах применяют в качестве реле. Охранный датчик включает магнит и геркон. Простейшее герконовое реле состоит из обмотки и геркона.

Достоинствами реле на герконах можно назвать:

• Небольшие габариты, простое устройство.
• Защита от влаги, подгорания контактной группы.
• Нет трущихся частей.

Такие датчики на герконах широко применяются, но в них имеются и недостатки, такие как подверженность к механическим повреждениям. Это большой минус для применения во многих системах.

В системах сигнализации герконы незаменимы. Установить датчик не составляет большого труда. Когда дверь закрыта, то контакт геркона замкнут. При открывании двери магнит, закрепленный на косяке, отходит от геркона, магнитная сила снижается, цепь питания размыкается. Это служит сигналом для срабатывания схемы оповещения.

Похожая ситуация с применением геркона в лифтах. Чтобы определить расположение кабины лифта, используют герконы. С помощью магнитов и геркона просто управлять оборудованием освещения. В счетчиках учета электроэнергии также присутствуют герконы.

Советы по использованию

При использовании герконовых реле или датчиков можно дать несколько советов, которые учитывают нюансы применения таких устройств:

• При монтаже герконов по возможности избегайте источников ультразвука, он может отрицательно влиять на электрические параметры датчика, изменять их.
• Находящийся рядом источник магнитного поля также может менять характеристики и свойства магнитного выключателя.
• Герконовые реле и датчики боятся ударов и механических повреждений. Инертный газ внутри датчика при ударе может выйти вследствие нарушения герметичности резервуара с газом. Это выведет геркон из строя.
• При осуществлении пайки необходимо руководствоваться предписаниями инструкции производителя герконового датчика.

Герсиконы

Реле на герконах имеет широкий разброс коэффициента возврата по причине погрешности технологии изготовления. Чтобы повысить номинальную мощность и ток коммутации в герконовые реле встраивают вспомогательные контакты для погашения дуги.

Такие реле получили название герсиконов, или силовых герметичных контактов. Промышленное производство выпускает герсиконы на силу тока до 180 ампер. У них частота коммутации достигает до 1200 включений в час. Герсиконами запускают асинхронные электродвигатели с номинальной мощностью до 3000 Вт.

Ферритовые герконовые реле

Это особый класс реле на герконах с ферритовыми сердечниками. Они имеют функцию памяти. Чтобы сделать переключение в герконах такого типа, нужно подать токовый импульс обратной полярности для того, чтобы размагнитить сердечник из феррита. Их называют запоминающими герметичными контактами, или гезаконами.

Что это такое?

Сегодня герконы практически не используют, так как появились датчики Холла. Но все же в некоторых случаях данные изделия незаменимы. Они просты в использовании, и это служит тем, что их еще используют в различном типе схем или же устройств.

Если нужны надежность и долговечность, то эта деталь незаменима ничем. Где применяется выключатель? Он может входить в конструкцию датчика, электронных реле и других устройств.

Герконы, как и другие аппараты или их детали делятся на различные виды.

По функциям:

Конструктивные и технические признаки:

1. Сухой контакт (без каких бы то ни было секретов, работает по принципу описанном чуть ниже).
2. Ртутный контакт (в стеклянном корпусе к контакту добавлены ртутные капли, которые их смачивают, когда срабатывает геркон, что улучшает качество контакта. Также это позволяет избежать контактного дребезга (вибрации), что увеличивает время срабатывания.

Исходя из этого, лучше в использование взять ртутный контакт, но и это не во всех моментах.

Конструктивные особенности

Конструкция геркона представляет собой герметичный баллон из стекла, внутри которого находятся контакты. Эти контакты – это сердечники из магнита, которые приварены с торцевых сторон колбы. Внешние части этих сердечников подключаются к электросети. На схеме ниже демонстрируется устройство изделий:
где:

1. Колба из стекла.
2. Переключающийся контакт.
3. Неподвижный контакт.

Самыми распространенными являются герконовые датчики на замыкание. Контакты из ферромагнитной проволоки прямоугольного вида. В зависимости от мощности и размера геркона, сердечники изготовляют из пермаллоевой проволоки. Также покрытие можно заменить и другими металлами (золото, серебро, родий и другие).

В колбу запускают инертный газ или вакуумируют, что не дает возможности развития коррозии в герконовом выключателе. При изготовлении детали также учитывается то, что между сердечниками есть зазор определенного размера.

Как работает герконновый датчик?

Контактные группа придет в действие только в том случае, если вокруг герконового выключателя будет определенное напряжение магнитного поля, которое создано любым способом, будь оно постоянным или же электромагнитным. Принцип действия заключается в том, что сердечники внутри колбы намагничиваются, притягиваются один к другому и этим замыкают цепь. Все это будет находиться в действии до исчезновения магнитного поля. Дальнейшие срабатывания тоже зависят от наличия магнитного поля вокруг геркона.

Принцип работы магнитного датчика на размыкание работает немного по-другому. При наличии магнитного поля контакты намагничиваются одинаковым наименованием и отталкиваются друг от друга, чем цепь размыкается.

Переключающийся герконовый выключатель при магнитном поле: замыкает разомкнутые контакты, а немагнитный контакт остается таким, как и был до этого.

Наглядно увидеть, как работают герконы, вы можете на видео ниже:

Пробивное напряжение устройств может вырастать до 5 кВ. Срабатывает датчик в 0,5-2 мс, а выключается в 0,1-0,7 мс, а это значительно меньше нежели, к примеру, срабатывание электромагнитного реле.

Назначение и область применения

Используют герконовые выключатели и по сей день в:

• клавиатуры и синтезаторы;
• оборудование для безопасности и автоматики;
• оборудование для подводного плавания;
• оборудование для тестирования и снятия замеров;
• аппаратура в медучреждениях и коммуникационные аппараты.

К примеру, в системах охраны геркон используют как реле. Также устройства используются и в охранном датчике. Из себя это представляет: геркон плюс магнит. Если рассматривать герконовое реле, то оно представляет собой: геркон и обмотка из проволоки. Плюсами такого реле, являются:

• маленький размер и простота конструкции;
• не поддается влиянию влаги и обгоранию контактов;
• нет подвижных элементов.

Применять такие детали можно много в чем и где. Но одним существенным недостатком является низкая ударостойкость, а это уж немаловажно для различного рода систем, датчиков и т.д.

Плюсы и минусы приспособления

Использование герконовых датчиков дало как положительные, так и отрицательные моменты:

• конструкция, позволяющая уменьшать размеры;
• быстрое срабатывание и отключение;
• полностью герметизированы сердцевины;
• электрическая прочность между контактами;
• долгое время служения (за исключением ударов);
• геркон работает в любых погодных условиях от -60 до +120 градусов.
• низкая ударостойкость;
• восприятие внешних магнитных полей;
• низкая мощность при коммутации цепи;
• произвольное размыкание при высоком токе;
• иногда могут возникать замыкания и размыкания произвольно.

Советы по применению

Если вам нужно использовать герконы, то учитывайте следующие нюансы применения:

1. Обязательно нужно избегать ультразвука, так как он может воздействовать и изменить электрические характеристики.
2. При установке следует помнить о том, что магнитное поле может изменить характеристики выключателя.
3. Запрещается ударять и ронять герконовые выключатели, т.к. из-за инертного газа, который при ударе разбалтывается, баллон может лопнуть, что выведет устройство из строя.
4. Следует придерживаться рекомендациям от производителя при паянии.

Технические характеристики

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

Маркировка герконов зависит от области, в которой они действуют. Каждая из существующих аббревиатур что-то обозначает (например, КЭМ – коммутация электрических механизмов, А – работа в любых климатических условиях, В – работа только в помещении). При выборе необходимо учитывать эти нюансы.

Найти выключатели можно в электротехнических магазинах, на радиорынках или же заказать в интернете. Если вам нужен геркон для автомобиля, то приобрести его можно в автосервисе. Также есть возможность сделать герконовый выключатель самому, но для этого нужно дорогое оборудование.

Вот мы и рассмотрели технические характеристики герконов, а также их принцип работы и область применения. Надеемся, теперь вам стало понятно, что собой представляют данные выключатели и для чего они используются.

Будет полезно прочитать:

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.

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.

«>