Будь-які механічні контакти схильні до зносу. Щоб зменшити вплив цього деструктивного фактора, у першій половині минулого століття було розроблено магнітокеровані комутаційні пристрої, контактна група яких містилася у вакуумну колбу. У СРСР такі елементи отримали назву «Геркон», за скороченням від «герметизований контакт», в англомовній технічній документації прийнято назву «reed switch».

Давайте розглянемо принцип дії цих пристроїв, конструкцію, основні характеристики, переваги та недоліки. На завершення статті буде наведена пара корисних схемде використовуються геркони.

Зовнішній вигляд та особливості конструкції

Дані пристрої є контактною групою, виготовленою на основі феррі магнітного матеріалу, яка міститься в скляну колбу. З неї відкачано повітря (створені умови максимально наближені до вакууму), як варіант можливе наповнення інертним газом. Зовнішній вигляд пристрою та його позначення на принципових схемахпредставлені нижче.

З конструктивним виконанням можна ознайомитися на малюнку 2.

Позначення:

• А – висновки пристрою.
• В – скляна колба.
• С – контактна група.
• D – інертний газ чи вакуум.

Різновиди

Комутаційні пристрої цього класу прийнято розділяти залежно від пристрою контактної групи на такі види:

1. Елементи з нормально розімкненими контактами ( зовнішній виглядтакого пристрою показано на рис. 1).
2. Елементи із нормально-замкненим контактом.
3. З контактом, що перемикається.

Крім функціональних ознак, перерахованих вище, є і технологічні, що розділяють герметичні пристрої, що комутують, на дві групи: сухі і ртутні. Відмінна рисаостанніх у тому, що всередині колби міститься крапля ртуті. Вона служить для «змочування» контактної групи, це дозволяє суттєво знизити перехідний опір та вібрацію (брязкот) контактів при комутації, що позитивно відбивається на якості контакту.

Принцип дії

Спрацьовування пристрою (замикання, розмикання або перемикання контактів) потрібно впливати на елемент магнітним полем, напруженість якого буде достатньою для комутації. Як джерело такого поля може виступати звичайний або електромагніт.

Під впливом силових ліній відбувається намагнічування контактів і з подолання порога пружності вони комутують ланцюг.

Відповідно, як тільки на контактну групу перестане діяти магнітне поле, вона повернеться у вихідний стан. Тобто, функціонально контакти крім свого прямого призначення відіграють роль магнітопроводу та пружного елемента.

Пристрої із нормально-замкненими контактами діють трохи інакше. Їхні феримагнітні пружні елементи, потрапляючи під вплив магнітного, поля набувають однакового заряду, що змушує їх відштовхуватися, розриваючи контакт.

Іноді в таких комутаторах тільки один пружний елемент виконаний з феримагнітного сплаву, внаслідок наближення магніту він притягується до нього, відключаючи ланцюг.

Подібний принцип задіяний у герконах з групою контактів, що перемикає, в якому два з них виготовляються з магнітного матеріалу. Під впливом магніту вони притягуються один до одного, а немагнітний контакт залишається у вихідному положенні. Внаслідок цього відбувається перекомутація ланцюга.

Основні параметри

Властивості герметичних комутаторів визначаються механічними та електричними параметрами. До перших відносяться:

• N max - Число, що вказує максимально допустиму кількість спрацьовувань без зміни основних характеристик.
• V cp – величина, що відображає інтенсивність поля, необхідну для реакції пристрою. У технічній термінології цю характеристику називають магніторушійною силою.
• V отп - величина, що відповідає силі розмикання.
• t cp – час, необхідне спрацьовування контактної групи.
• t отп – інтервал часу, необхідний відпускання.
• Останні два параметри є найбільш значущими з механічних характеристик, оскільки описують швидкість комутації.
• Тепер перерахуємо основні електричні характеристики:
• R K – опір між контактами у замкнутому стані.
• R З – опір розімкнених контактів.
• U ПР - напруги пробою, дана характеристиказалежить як від попереднього параметра, і відстані між групою контактів. Крім цього, на електричну міцність впливає наповнення колби.
• P max - Комутована потужність.
• C K – ємність, утворена розімкненими контактами.

Як здійснюється керування?

Керувати герметичним комутатором можна двома способами:

• використовуючи постійний магніт;
• впливаючи котушкою, підключеною до постійного джерела струму.

У першому варіанті управління може здійснюватися шляхом лінійного чи кутового переміщення постійного магніту. Також зустрічається спосіб, у якому поле перекривається за допомогою спеціальної шторки.

Як приклад використання способу управління за допомогою магніту можна навести датчики рівня, а також положення, охоронну сигналізаціюі т.д.

Другий варіант дозволяє створити реле на основі геркона. На відміну від традиційної конструкції, такий пристрій буде більш надійним і довговічним, оскільки практично не містить рухливих механічних елементів. Що стосується невеликої кількості контактних груп, цей недолік легко усувається шляхом збільшення кількості задіяних герконів.

Прикладом застосування цього способу управління може бути струмове реле на основі геркона. Воно є котушкою, намотаною проводом товстого перерізу, всередині якої розміщується герметичний комутатор. Дане пристосування може служити як захисної системивід навантаження в ланцюгах постійного струму. Чутливість пристрою легко регулювати шляхом лінійного переміщення комутатора всередині котушки.

Плюси та мінуси

Будь-яка конструкція, крім переваг, не позбавлена ​​недоліків. Знаючи сильні та слабкі сторони пристрою, можна знайти оптимальну сферу для його застосування. Давайте розглянемо, у чому полягає переваги герметичних комутаторів, до таких властивостей можна віднести:

• Висока надійність комутації. Вона майже на два порядки перевищує цей показник у відкритих контактних груп. Це досягається за рахунок високого опору між розімкненими контактами (R З), воно може обчислюватися десятками МОм. Важливу роль відіграє показник електричної міцності (U ПР), напруга пробою в деяких моделей перевищує 10 кВ.
• Швидкодія також є незаперечною перевагою. Частота комутації багатьох моделей наближається до 1 кГц. Що стосується параметрів, що описують швидкість комутації, то вони перебувають у наступних діапазонах: t cp – від 0,4 до 1,8 мс, t відп – від 0,25 до 0,9 мс, що набагато перевищує подібні характеристики відкритих контактних груп.
• Довговічність, кількість спрацьовувань обчислюється мільярдами, жодна відкрита контактна група навіть близько не може наблизитися до цього рубежу.
• Цей тип комутаторів невимогливий до узгодження з навантаженням.
• Управління може здійснюватись без використання електроенергії.

Характерні недоліки:

• Низькі показники комутованої потужності.
• Невелика кількість контактів.
• Брус при спрацьовуванні (конструкції «мокрого» типу позбавлені цього недоліку).
• Великі розміри сучасної радіотехнічної бази.
• Недостатня міцність скляної колби.
• Чутливість впливу зовнішніх магнітних полів.

Незважаючи на явну перевагу позитивних якостейДані пристрої поступово витісняються напівпровідниковими аналогами, такими як датчики Холла. Відсутність брязкоту, невеликі розміриі більше висока міцністьвідіграли вирішальну роль.

Приклади практичного застосування у побуті

Як і було обіцяно на початку статті, наводимо кілька корисних схем, у яких використовуються геркони. Почнемо з універсального керування освітленням у передпокої. Принцип роботи полягає в наступному: при відкритті вхідні дверіавтоматично вмикається світло, і через кілька хвилин вимикається. При достатньому рівні освітлення, світло в передпокої не вмикається.

Позначення:

• Резистори: R1 – 68 кім, R2 – 33 кім, R3 – 470 кім, R4 – 10 кім, R5 – 27 кім.
• Конденсатори: С1 - 0,1 мкф, С2 - 100 мкф х 25 В, С3 - 470 мкф х 25 В.
• Стабілітрон та діоди: VD1 – КС212Ж, VD2 та VD3 – КД522 (1N4148), VD4 – КД209 (1N4004).
• Транзистори: VT1 та VT2 – ÌRF840.
• SG1 – будь-який звичайний герконовий датчик, наприклад 59145-030.
• FR1 - фоторезистор, підійде будь-якого типу з опором на світлі не нижче 8 кОм, у темряві - 120-180 кОм.
• Тригер D1 - К561ТМ2 (СD4013).

Налаштування схеми зводиться до підбору опору R1 для вибору оптимального часу затримки відключення освітлення.

Тепер розглянемо схему простий домашньої сигналізації, де також використовується типовий герконовий датчик для дверей.

Позначення:

• Резистори: R1, R2 і R3 – 100 кОм, R4 – 33 кОм, R5 – 100 кОм, R6 – 1 кОм.
• Конденсатори: С1 - 100 мкф х 16, С2 - 50 мкф х 16 В, С3 0,068 мкф.
• Діоди та світлодіод: VD1 та VD2 – КД522 (1Т4148), HL1 – АЛ307Б.
• Транзистори: VT1 – КТ829, VT2 – К361.
• Мікросхема: К561ЛА7.
• S1 – герконовий датчик 59145-030.

Як сирена використовується звуковий оповіщувач АС-10.

Живлення схеми здійснюється від акумулятора 12, ємністю 4 А * год.

У багатьох електричних приладіввиникає потреба у захищених від впливів зовнішнього середовищакерованих перемикачах. Потрібний механізм, контакти якого не обгорають на повітрі, і їм не заважає волога. Потрібно прискорити процес вмикання-вимкнення ланцюга та виключити присутність між контактами сторонніх домішок, вони присутні в атмосфері або з'являються на контактах перемикача з часом. У випадках, коли потрібна надійність та довговічність, застосовуються геркони.

Пристрій був винайдений професором В. Коваленковым у Санкт-Петербурзі 1922 року. У 30-ті роки того ж століття почалося їх виробництво та масове застосуванняв електричному устаткуванні.

Геркон – що це таке

Геркон – це два і більше контакти, укладені у скляний корпус. Для підключення до зовнішнього електричного ланцюга кінці контактів виведені за межі корпусу пристрою. Внутрішній обсяг герметизований та заповнений інертним газом. Позбавлені доступу атмосферного повітря, контакти надійно захищені від шкідливого впливунавколишнього середовища:

• Відсутня кисень, що сприяє окисленню контактної групи;
• Відсутня вологість, за якої можливе мимовільне спрацьовування;
• Відсутні механічні домішки, які можуть перешкоджати контакту.

Скло сприяє надійній ізоляції контактної групи. Але застосування крихких матеріалівкорпусу не дозволяє застосовувати пристрій за умов підвищених навантажень: вібрації, різких механічних впливів.

Як працює геркон

В основі принципу роботи геркон лежить електромагнітне поле - магніт. Контактна група у стані спокою знаходиться у замкнутому або розімкнутому стані залежно від типу пристрою.

При внесенні до зони сприйняття пристрою магнітного поля- Наближення магніту або іншого механізму, що володіє подібними властивостями, контакти пристрою намагнічуються і відбувається притягування один до одного. Результат - замикання, увімкнення електричного ланцюга. В іншому випадку контакти намагнічуються таким чином, що відштовхуються один від одного – відбувається розмикання, вимкнення електричного ланцюга.

Можлива комбінована дія, коли відбувається перемикання. До внесення в зону пристрою магнітного поля, струм потік по одному контактному ланцюгу, після перемикання по іншій.

Для прикладу можливої ​​роботигеркона, можна припустити, що він замінений кімнатний вимикач. Тепер якщо піднести магніт до колишнього вимикача, де тепер встановлений геркон, загориться лампочка, при видаленні магніту згасне.

Види пристроїв

Усі пристрої поділяються на групи за принципом роботи:

• Нормально замкнений геркон. У стані спокою, без внесення магнітного поля ланцюг пристрою замкнутий;
• Геркон нормально розімкнений. У стані спокою, без магнітного поля, ланцюг пристрою розімкнуто;
• Перемикаючий. Комбінує в собі замкнуті та розімкнені пристрої;
• Бістабільний. Має власний магніт, який зберігає положення контактів пристрою в останньому стані після зникнення магнітного впливу.

Технічні характеристики

За технічними характеристиками геркони поділяються залежно від умов застосування. Враховуються такі фактори:

• Кліматичні умови Наприклад, робота за знижених температур;
• Навколишнє середовище. Наприклад, рідина;
• напруга і сила струму, що проходять через пристрій. Наприклад, геркотрони дозволяють застосовувати напругу до 100 кіловольт.

Застосування

Завдяки низькій ціні та простоті конструкції, монтажу та використання, герконові датчикиі герконові вимикачі успішно застосовуються у випадках, коли їх крихкість не має значення. Область їх застосування велика: від побутових потребдо промислових процесів.

Електричні компонентивстановлюються в побутових приладіву вигляді реле, в електролічильниках і навіть стаціонарних кнопкових телефонах - клацання набору номера імпульсним номеронабирачем результат, по суті, його роботи.

Охоронні сигналізації - один із прикладів застосування герконів. На одвірок дверей встановлюється магніт, на двері – геркон. При видаленні магніту із зони сприйняття пристрою відбувається замикання або розмикання ланцюга, в результаті якого стає відомо про порушення периметра, що охороняється.

У пожежних датчиках також використовуються ці пристрої. При виникненні небезпечної ситуації електричний ланцюг включається за допомогою геркона. Працювати такий датчик може як у приміщенні, так і на вулиці.

У промислових областяхвони застосовують також у багатьох ситуаціях. Наприклад, для вимірювання рівня рідини використовується поплавковий пристрій. У ліфтовому господарстві геркони застосовуються визначення місцезнаходження кабіни підйомника.

Група контактів, укладена у скляну колбу, з інертним газом застосовується скрізь, де необхідно замикати, розмикати та перемикати електричний ланцюг.

Геркон - Надточний швидкодіючий герметичний перемикач, керований магнітним полем. Кількість його спрацьовувань – до п'яти мільярдів разів. На його основі випускаються датчики магнітного поляі герконові реледля самих різних застосувань- Від побутової техніки до авіації та космонавтики. У статті описано особливості вибору герконів та надано табличний огляд широкої лінійки цих виробів виробництва.Littelfuse .

Слово "геркон" є скороченням слів "герметичний контакт". Перший геркон був розроблений 1936 року американською компанією Bell Telephone Laboratories. Згодом вони стали широко застосовуватися як датчики, і на їх основі були створені герконові реле.

Геркон (малюнок 1) складається з двох феромагнітних провідників, що мають плоскі контакти, герметизовані у скляній капсулі. Без зовнішнього магнітного поля контакти розімкнені, між ними є невеликий діелектричний зазор. У магнітному полі контакти замикаються. Контактна область обох пластин має напилене або гальванічне покриття, Виготовлене з дуже стійкого до ерозії металу (зазвичай - родій, іридій або рутеній). Структура шарів покриття контактів наведена на рисунках 2а та 2б для родію та іридію відповідно.

Іридій, рутеній та родій – дуже стійкі до ерозії метали платинової групи. Завдяки напиленню з цих металів кількість спрацьовувань контактів сягає п'яти мільярдів разів. У порожнину капсули зазвичай закачують азот. Деякі типи герконів вакуумуються для збільшення максимально допустимої напруги, що комутується. Контакти геркона в магнітному полі намагнічуються, і з-поміж них виникає магнитодвижущая сила, рівна напруженості магнітного поля. Якщо напруженість магнітного поля досить велика, щоб подолати пружні сили в контактах, що виникають при їхній пружній деформації, контакти замикаються. Коли поле слабшає, контакти знову розмикаються.

Існує два типи герконів: SPST-NO (Single Pole, Single Throw Normally Open, тобто один полюс, один канал) - звичайний вимикач, в якому два контакти нормально розімкнуті; SPDT-CO (Single Pole, Double Through Change Over, тобто «один полюс, два канали – перемикання») – перемикач, в якому один контакт завжди нормально замкнутий, а другий нормально розімкнутий.

Геркон, описаний вище та представлений на малюнку 3, відноситься до SPST-типу.

На малюнку 4 представлений геркон SPDT-типу.

Загальна пластина є єдиною рухомою частиною такого геркона, відсутність магнітного поля вона замкнута з нормально замкнутим контактом реле. У разі виникнення магнітного поля відповідної сили загальна пластина замикається з нормально розімкненим контактом. Обидві пластини нормально розімкнутого та нормально замкнутого контактів є нерухомими. Розімкнені контакти мають феромагнітне покриття, а нормально замкнутий контакт виконаний з немагнітного матеріалу. При поміщенні в магнітне поле рухомий і нормально розімкнутий контакт намагнічуються в однаковому напрямку, і при достатній напруженості магнітного поля відбувається замикання рухомого контакту з нерухомим феромагнітним контактом. При зникненні зовнішнього магнітного поля намагніченість контактів слабшає і вони розмикаються. Для того щоб залишкова намагніченість була мінімальною, при виготовленні герконів застосовують високотемпературну обробку контактів. Як джерело магнітного поля для геркона найчастіше використовують постійний магніт (рисунок 5) або соленоїд.

Розглянемо кілька найпоширеніших систем Геркон-магніт.

1. Наближення та видалення магніту перпендикулярно (малюнок 6) або під кутом (малюнок 7) до головної геометричної осі геркона:

У цьому випадку геркон замикатиметься при наближенні і розмикатиметься при віддаленні магніту. Розглянемо докладніше, звернувшись до малюнку 8.

Концентрація силових ліній магніту зменшується під час видалення магніту від геркона. Найбільше сконцентровані магнітні лінії на полюсах магніту. Найбільша зона взаємодії магніту з герконом знаходиться в центрі геркона. При перебування постійного магніту в межах цієї зони магнітне поле є достатнім для надійного спрацьовування контактної групи. Пунктиром показана зона гістерезису - при входженні магніту в цю зону магнітне поле ще не має достатньої напруженості для спрацьовування контактної групи, але її достатньо для утримання контактної групи в стані. У разі іншої конфігурації контактної групи геркона, відмінної від SPST, під спрацьовуванням буде розумітися розмикання нормально-замкнутого контакту і замикання рухомого контакту з нормально-розімкнутим контактом SPDT геркона. Замикання контактів геркона може активуватися за допомогою паралельного руху кільцевого магніту вздовж осі геркона, як показано на малюнку 9.

Конфігурація зон взаємодії буде схожа з попередньою системою, так як вісь геркона і напрямок магнітних ліній магніту збігатимуться з описаною вище ситуацією, як видно на малюнку 10.

1. Геркон може активуватися за допомогою плоского або кільцевого магніту з двома або 2N полюсами (рисунок 11).

Для розуміння зон взаємодії геркона звернемося до малюнків 12 та 13.

Як бачимо, зони взаємодії перебувають у кінцях геркона. У центральній частині геркона знаходиться «мертва зона», де геркон залишається відкритим. Таким чином, магніт, що посувається перпендикулярно геркону, чиї полюси розташовані подібним чином, активувати геркон не буде (рисунок 14).

1. Геркон можна екранувати за допомогою магнітного матеріалу (наприклад, сталевого листа). На малюнку 15 зображені нерухомий геркон і нерухомий магніт між якими рухається предмет, що екранує.

Основні типи герконів, що випускаються компанією Littelfuse, наведено у таблиці 1.

Таблиця 1. Серії герконів Littelfuse

Серія	Довжина корпусу, мм	здатність навантаження (Стандартна: ≤10 Вт, ≤0,5 A, ≤200 В)	Тип контактів	Key Features
	7	Стандартна	SPST	Супер-компактний (7 мм скляний корпус)
	10	Стандартна	SPST	Дуже компактний (10 мм скляний корпус)
	13	Стандартна	SPST	Компактний (12.7 мм скляний корпус)
	14	Стандартна	SPST	Дешеві, гнучкіші висновки
	14	Стандартна	SPST	Малий гістерезис
	15	Стандартна	SPST	Низька ціна
	15	~240 В (20 Вт)	SPST	~ 240 макс. робоча напруга
	15	20 Вт	SPST	Малий гістерезис
	15	20 Вт	SPST	Довгі висновки, підвищений ресурс
	19	1000 В	SPST	Високовольтний
	20	~240 В, 50 Вт	SPST	Напруга перемикання ~240 В, висока потужність
	50	100 Вт, 3 A, 400 В	SPST	Великий, висока потужність
	15	Стандартна	SPDT	Малий корпус
	40	30 Вт, 0.5 A, 500 В	SPDT	Висока потужність
	40	50 Вт, 1.5 A, 500 В	SPDT	Великий, висока потужність

Основні параметри герконів

Час спрацьовування – час між моментом застосування магнітного поля та моментом замикання контактів геркона.

На малюнку 16 представлено графік залежності величини магнітного поля від часу. Спочатку геркон поміщають у сильне магнітне поле досі насичення (при цьому навіть при збільшенні магнітної індукції намагніченість, досягнувши максимуму, залишається незмінною). Після цього магнітне поле послаблюють до 0 і поступово починають збільшувати. Робоча точка на даному графікуозначає таку величину магнітного поля, коли контакти геркона замикаються. Точка роз'єднання відповідає величині магнітного поля, при якій контакти розмикаються. Слід зазначити, що сила поля у точці роз'єднання завжди нижче, ніж у робочій точці. Це з тим, що з контактів геркона завжди залишається невелика намагніченість.

Часом відпускання називається інтервал між робочою точкою та точкою роз'єднання.

Магніторушійна сила (МДС) спрацьовування ( pull — in ) – це величина силовий характеристикимагнітного поля, коли він відбувається замикання контактів геркона. У системі СІ одиницями виміру магніторушійної сили є Ампер*витки (AT або Amper*turns). Коли вимірюють магніторушійну силу за допомогою соленоїда, робоча точка (замикання) зазвичай дається при температурі 20°С, оскільки через термічне розширення мідного дротув котушці магнітне поле змінюватиметься приблизно 0,4%/°С.

Відношення між розмиканням та замиканням, виражене, як правило, у відсотках, називається гістерезисом. Залежно від матеріалів металевих контактів, їх жорсткості, довжини, площі зіткнення, гістерезис сильно змінюватиметься (рис. 17).

Гістерезис - Це відношення магніторушійної сили спрацьовування до магніторушійної сили в точці роз'єднання. Зазвичай цей параметр виражають у відсотках. Компанія Littelfuse випускає спеціальні серії герконів (MACD-14, MASM-14), у яких гістерезис зведений до мінімуму. Зазвичай такі геркони застосовуються в датчиках рівня рідин, системах позиціонування.

Контактний опір ( contact resistance ) – максимальний опір геркона у замкнутому стані.

Питомий опір контактів геркона або герконового реле дуже малі і зазвичай становить від 7,8х10 -8 до 10х10 -8 Ом/м. Це вище питомого опоруміді, що дорівнює 1,7 х10 -8 Ом/м. Контактний опір герконів зазвичай становить від 70 до 200 мОм, а опір контактів у герконовому реле – близько 150 мОм.

Динамічне опір контактів ( Dynamic Contact Resistance ( DCR ) – це опір контактів геркона у робочому/динамічному режимі. Статичний контактний опір геркона – досить малоінформативний параметр, який дозволяє виявити проблеми, пов'язані з реальним станом контактів. Замикання та розмикання контактів геркона із частотою від 50 до 200 Гц дає набагато більше інформації. Подача на геркон напруги 0,5 В та струму 50 мА може допомогти виявити потенційні проблеми. Ці вимірювання можуть бути виконані за допомогою осцилографа та легко оцифровані при автоматичному контролі якості (рисунок 18). Не варто використовувати вищу напругу, щоб не зношувати контакти геркона. Якщо на виробництві контакти геркона не були правильно очищені перед корпусуванням, то на них може бути тонка діелектрична плівка товщиною в кілька ангстрем. Через неї може бути порушена комутація слабких сигналів. При використанні вищої напруги ця проблема може не проявитися.

Якщо на котушку подати сигнал із частотою 50...200 Гц, струм комутації буде близько 0,5 мА. Бляскання контактів після замикання може тривати близько 100 мс, і за ним піде динамічний шум, який триватиме близько 0,5 мс. Природа цього динамічного шуму полягає в тому, що після замикання контактів відбуваються гармонійні коливання, і в місці контакту змінюється опір через міняється в зоні контакту тиску. При цьому розмикання не відбувається. На малюнку 19 видно, що після завершення фази динамічного шуму починається "хвильова" фаза, що триває 1 мс або трохи більше. Вібрація контактів геркона в магнітному полі соленоїда через 2...2,5 мс припиняється, і опір стабілізується.

Спостерігаючи за осцилограмою цього динамічного тесту, ми можемо зробити деякі висновки про якість геркона, що тестується. Як тільки на соленоїд подається напруга, коливальний процес повинен завершитися за час приблизно 1,5 мс. Якщо коливання продовжуються більше 2,5 мс, це може означати, що контакти погано намагнічуються. В результаті ресурс даного геркона буде невеликим, особливо якщо він працюватиме з великим навантаженням (рис. 20).

Якщо динамічний шум або брязкіт контактів тривають значно довше 3 мс, це може бути наслідком порушення герметичності геркона, тріщини в корпусі, перевантаження струмом або напругою. Також це може бути наслідком забруднення контактів під час виробництва або потрапляння вологого повітряусередину корпусу геркона. На рисунках 21 та 22 зображені такі випадки.

На малюнку 23 зображено випадок, коли після завершення фази динамічного шуму продовжуються стохастичні коливання контактів, внаслідок якого динамічний опір контактів не стабілізується.

Напруга перемикання/комутації ( switching voltage ) - це зазвичай максимальна постійна напруга, яка може бути прикладена до геркона в момент замикання контактів. Якщо напруга на герконі вище 5...6, може відбутися перенесення мікроскопічного кількості металу з одного контакту на інший. Незважаючи на це, при роботі з напругою до 12 В геркони та герконові реле мають напрацювання на відмову в десятки мільйонів разів спрацьовувань. А при напрузі 5 і менше кількість спрацьовувань збільшується до мільярдів разів. Високоякісні герконові реле Littelfuse можуть працювати в слабосигнальних ланцюгах з напругою всього кілька нановольт.

Струм перемикання або комутаційний струм ( switching current ) - це максимальний постійний струм або амплітудне значення змінного струмуу момент замикання контактів геркона. У разі перевищення цього значення термін служби геркон значно скоротиться.

Несучий струм ( carry current ) – це максимальне значенняструму при замкнутих контактах Геркона. Мікросекундні імпульси струму можуть значно перевершувати це значення без скорочення терміну служби геркона. У той же час тривалі імпульси струму або постійний струм, що перевищує несучий, призведуть до скорочення терміну служби геркона або виходу з ладу. Геркони і герконові реле на відміну своїх електромеханічних побратимів можуть працювати з дуже малими струмами, лише на рівні кількох фемтоампер (фемто = 10 -15).

Еквівалентна ємність ( contact capacitance ) - Місткість геркона в замкнутому стані. Для герконів SPST-типу ця величина зазвичай становить 0,1 ... 0,2 пФ. Для перемикаючих герконів SPDT-типу еквівалентна ємність зазвичай становить 1...2 пФ.

Цей параметр має велике значенняпри застосуванні геркона у високочастотних ланцюгах.

Комутована потужність ( switching power ) – це максимальна потужністьяка може споживатися навантаженням, підключеним через геркон. Так як потужність розраховується як добуток напруги, що комутується, і струму перемикання, то для 10 Вт геркона не варто пропускати струм більше 500 мА при напрузі 200 В, для такого струму максимальна комутаційна напруга складе всього 20 В. Перевищення даного параметра також неминуче тягне за собою скорочення терміну служби геркона.

Опір ізоляції ( insulation resistance ) – опір геркона у відкритому стані. За цим параметром геркони перевершують більшість існуючих на сьогоднішній день ключів, тому що їх опір ізоляції вимірюється в тераомах. Розмір струмів витоку геркона у відкритому стані становить одиниці пикоампер.

Діелектрична абсорбція ( dielectric absorbtion ) – це ефект, пов'язаний із поляризацією діелектриків у герконі при розряді ємнісного заряду контактів. Цей ефект проявляється у вигляді затримки або зменшення протікання через замкнутий геркон дуже малих струмів на рівні наноампер.

Резонансна частота ( resonance frequency ) – це частота власних коливань геркона, коли він починаються власні вібрації контактів, які, своєю чергою, впливають такі параметри геркона як напруга пробою і напруга комутації. Геркони із капсулами 20 мм зазвичай мають резонансну частотуу діапазоні 1500…2000 Гц. Більш компактні 10 мм геркони мають більш високу резонансну частоту: 7000…8000 Гц. Щоб уникнути проблем у роботі геркона, потрібно врахувати вібрації середовища експлуатації та резонансну частоту геркона.

Захист герконів та герконових реле

У ланцюгах, де геркон працює з індуктивним навантаженням, такий як котушка реле, соленоїд, трансформатор або мініатюрний мотор, енергія магнітного поля, накопичена в індуктивних компонентах, при комутації відчуватиме високі навантаження за напругою та струмом. Ця обставина негативно позначатиметься на терміні служби геркона.

Існує кілька способів усунути цю проблему.

1. Використання шунтуючого діода (в зарубіжної літературивін часто зустрічається під назвою flyback або freewheeling diode) можливо в ланцюгах постійного струму (рис. 24). Для змінної напруги доведеться використовувати захисний діод Зенера (він же лавинний діод або TVS-діод), варистор або RC-ланцюжок (постачальний RC-ланцюг). Кожен із способів має як переваги, так і недоліки.

1. Використання RC-ланцюгів (снабберних ланцюгів).

Існує два варіанти підключення постачального ланцюга: паралельно геркону (рисунок 26) або паралельно навантаженню (рисунок 27). Перший спосіб є кращим. Він дозволяє знизити напругу при комутації і таким чином уникнути утворення іскор. Але в цьому випадку при комутації через геркон протікатиме більший струм, зумовлений розрядом конденсатора.

Таким чином, ми зіткнемося з вирішенням задачі на вибір відповідного по опору резистора і конденсатора по ємності. Мала ємність погано згладжуватиме стрибки напруги при перехідних процесах, особливо при великій реактивній складовій навантаження. А більша підвищить вартість снабберного ланцюга і при цьому збільшить комутаційний струм, що також негативно позначиться на довговічності геркона. Для обмеження струму під час замикання контактів Геркона використовується резистор. Порахуємо опір:

За законом Ома:

Напруга на герконі повинна лежати в межах 0,5 від максимального пікового значення Vpk напруги (1)

(1)

та триразового його перевищення 3*Vpk. Розраховуємо за формулою (2):

(2)

де Isw - Струм комутації геркона.

Зменшення опору резистора в снабберной ланцюга зменшить знос контактів геркона від електричних дуг, у своїй високий опір позитивно проводитиме обмеження струму «конденсатор-геркон». Для підбору потрібної ємності рекомендується почати з 0,1 мкф. Це дуже поширена ємність та її ціна дуже мала. Якщо цією ємністю не вдається позбавитися іскор при замиканні контактів геркона, то спробуйте її поступово збільшувати до зникнення іскор при комутації. Паралельно з цим не забувайте про струм комутації.

Формування та обрізання висновків герконів

Довжина та форма аксіальних висновків герконів не завжди зручні для застосування у конкретному приладі. Однак необдумана модифікація може позначитися на роботі геркона. При різанні та формуванні висновків герконів важливо використовувати правильні опорні та ріжучі інструментищоб уникнути пошкодження герметичних ущільнень «скло-метал» Пошкоджений корпус може мати як непомітні оку сколи, і великі тріщини. Такі дефекти можуть бути виявлені візуально з використанням мікроскопа з невеликим збільшенням. Але бувають випадки, коли порушується герметизація корпусу, і описана вище методика вимірювання динамічного опору може не виявити помітного погіршення. З часом у геркон потраплятиме волога, і його функціонування порушуватиметься.

Для того, щоб уникнути пошкоджень, рекомендується залишати 1 мм довжини виводу між точкою формування або обрізки – і корпусом геркона. При цьому висновок геркона повинен бути повністю зафіксований, щоб механічна напруга при формуванні або обрізанні не передавалося на решту виведення.

Розглянемо основні способи формування та обрізання висновків геркона.

1. Обрізка висновків геркона за допомогою бокорізів з двостороннім заточуванням (рисунок 28) неприпустима, так як при цьому сила, що деформує висновок, буде передаватися у бік корпусу.

Обрізка висновків бокорізами з одностороннім заточуванням допустима (рисунок 29), при цьому слід пам'ятати, що плоска сторона губок бокорізів повинна бути з боку корпусу геркона. Також слід звернути увагу на якість заточування та наявності люфту у інструменту, що використовується.

1. Обрізання висновків за допомогою затискача, що жорстко фіксує контакти геркона (рисунки 30 та 31).

Обрізання висновків геркона з частковою фіксацією (рисунок 32) є неприпустимим.

1. Формування висновків геркона без фіксації виведення заборонена (рисунок 33), так як у такому випадку деформації піддається і частина виведення, що йде в корпус геркона.

Формування висновків геркона при фіксації виведення у двох точках, як показано на малюнку 34, допустима, так як опора не дає деформуватися висновку в напрямку від неї до корпусу геркона.

Формування при повній фіксації виведення геркона, як показано на рисунках 35 та 36, також допустима.

Після правильного формування та обрізання висновків геркона можна отримати поширені конфігурації, зображені на малюнку 37.

Вибір магнітів

Для загального застосуванняв основному використовуються чотири групи магнітів: феросплави, альник AlNiCo, неодимові NdFeB і самарієві SmCo (таблиця 2). Для того щоб підібрати відповідний магніт, слід враховувати такі фактори як температура середовища, розмагнічування близькими джерелами магнітних полів, вільний простірдля руху, хімічний складдовкілля.

Неодимові магніти мають найбільшу енергію, найбільшу залишкову намагніченість і коерцитивну силу. Вони мають порівняно невисоку ціну та більш високу механічну міцність, ніж самарієві SmCo. Можуть використовуватися при температурах до 200°C. Не рекомендується використовувати ці магніти в середовищах із підвищеним вмістом кисню.

Самарієві SmCo мають високу енергіюі підходять для застосування, де потрібна висока стійкість до розмагнічування. Мають чудову термічну стабільність і можуть використовуватися в середовищах до 300°C, мають високу корозійну стійкість. При цьому їхня ціна – найвища серед усіх типів магнітів. Їхнім недоліком є ​​дуже висока крихкість.

Альнико AlNiCo набагато дешевше, ніж магніти з рідкісноземельних елементів і підходять для більшості застосувань. Маючи низьку коерцитивну силу, відрізняються чудовою термічною стабільністю до 550°C.

Феритові магніти є найдешевшими, але при цьому крихкими. Мають непогану термічну стабільність і можуть використовуватись при температурі до 300 °C. Дуже стійкі до корозії. Вимагають механічної обробкидля відповідності жорстким габаритним припускам.

Таблиця 2. Вибір магнітів для керування герконами

Показники	Збільшення показників →
Ціна	Ферріт	AlNiCo	NdFeB	SmCo
Енергія	Ферріт	AlNiCo	SmCo	NdFeB
Діапазон робочих температур	NdFeB	Ферріт	SmCo	AlNiCo
Корозійна стійкість	NdFeB	SmCo	AlNiCo	Ферріт
Коерцитивна сила	AlNiCo	Ферріт	NdFeB	SmCo
Механічна міцність	Ферріт	SmCo	NdFeB	AlNiCo
Температурний коефіцієнт	AlNiCo	SmCo	NdFeB	Ферріт

Висновок

У сучасному світіз кожним днем ​​стає все більше «розумних речей», які значно спрощують наші повсякденні завдання. Чималу роль цьому зіграли датчики з урахуванням герконів. Фантастична надійність, чіткість спрацьовування, відсутність потреби в харчуванні, простота застосування та чудові комутаційні властивості для слабосигнальних ланцюгів зробили геркони одними з найпоширеніших електронних компонентів, що застосовуються усюди, від холодильників до літаків.

Геркони мають ряд механічних та електричних параметрівякі характеризують їх властивості. Ці параметри можна розділити на дві великі групи: механічні та електричні.

Механічні параметри герконів

До механічних параметрів відноситься магніторушійна сила спрацьовування. Цей параметр показує, за якого значення напруженості магнітного поля відбувається спрацьовування та відпускання контакту. У технічній документації це називається як магніторушійна сила спрацьовування (позначається Vср) і магніторушійна сила відпускання (позначається Vотп).

Важливими параметрами геркона, часом основними, є швидкість його спрацьовування та відпускання. Ці параметри вимірюються зазвичай у мілісекундах і позначаються відповідно як tср і tвідп, які загалом характеризують швидкодію геркона. Геркони, що мають менші геометричні розміри, мають більш високу швидкодію.

Максимальна кількість спрацьовувань, або просто ресурс, також відноситься до групи механічних параметрів. Цей параметр обумовлює, при якому спрацьовуванні всі властивості геркона, як механічні, так і електричні зберігаються в межах допустимих значень. У технічній документації позначається як Nmax.

Електричні параметри герконів

Ці параметри такі самі, як у звичайних механічних контактів. Опір, виміряний між замкнутими контактами називається опором контактного переходуі позначається як Rк, а опір, виміряний між розімкненими контактами є не що інше, як опір ізоляції Rіз.

Електрична міцність геркона. Цей параметр характеризує пробивну напругу Uпр. Ця напруга в основному визначає якість ізоляції між контактами, яка у свою чергу обумовлена ​​якістю вакууму або заповнення колби інертними газами. Крім цього пробивна напруга залежить від величини зазору між контактами та якості їх покриття.

Потужність, що комутується геркономвизначається в основному його конструкцією: матеріалом та розмірами контактів, а також типом покриття контактних майданчиків. У технічній документації цей параметр позначається як Pmax.

Місткість, Виміряна між розімкненими контактами позначається як Cк. Вона залежить лише від геометричних розмірів геркона та відстані між розімкненими контактами.

Способи керування герконами

Їх можна розділити на дві великі групи: керування постійним магнітом та керування за допомогою котушки зі струмом. Ці методи показані малюнку 1.

Малюнок 1. Різні способиуправління герконами

Керування герконом за допомогою постійного магніту

Найбільш простий і поширений спосіб керування з лінійним переміщенням магніту. Тут цілком доречно згадати, де магніт укріплений на двері і змушує спрацьовувати геркон, коли двері зачинені.

Спосіб з кутовим переміщенням магніту використовується набагато рідше, як правило, у тих випадках, коли інші способи застосувати з якоїсь причини неможливо.

Перекриття магнітного поля шторкою використовувалося в клавіатурах різних обчислювальних пристроїв, аж до дев'яностих років минулого століття, а може бути можна зустріти десь і досі.

Керування герконом за допомогою котушки з постійним струмом

Цей спосіб отримав найбільшого поширенняпри створенні герконових реле . Конструкція цих реле досить проста: всередину котушки зі струмом просто поміщається геркон, і при цьому не потрібно додаткових пружинок і важелів, як у звичайного реле. Єдиний у цьому випадку недолік це невелика кількістьконтактні групи.

Якщо котушку виконати досить товстим проводом, здатним пропустити великий струм, можна отримати герконове струмове реле. Такі реле широко застосовувалися в потужних джерелах постійного струму як датчик системи захисту від перевантажень. Точне налаштуваннярівня спрацьовування такого датчика здійснюється різьбовим механізмом, що дозволяє плавно переміщати геркон уздовж осі котушки.

Переваги та недоліки герконів

Як і будь-яка річ геркони мають свої недоліки та переваги. Спочатку поговоримо, звісно, ​​про переваги.

У порівнянні зі звичайними контактами, що комутують, геркони мають чи не в 100 разів більшу надійність у порівнянні зі звичайними відкритими контактами. Ця надійність обумовлена ​​більш високим опором ізоляції (досягає десятків мегаом), і більшою електричною міцністю: пробивна напруга у деяких типів герконів досягає кількох десятків кіловольт.

Безперечною перевагою герконів є їхня швидкодія: у деяких моделей герконів частота комутації досягає 1000Гц, а швидкість спрацьовування та відпускання знаходиться в межах (0,5 - 2,0мс) І (0,2 - 1,0мс) відповідно.

Термін служби деяких герконів доходить до 4 - 5 млрд. спрацьовувань, що набагато вище за аналогічний показник для звичайних не захищених контактів. Також до переваг герконів слід віднести легкий спосібузгодження з навантаженням і робота герконів без застосування джерел електричної енергії.

Недоліки герконів

На тлі переваг недоліки, напевно, не такі вже й великі. По-перше, це невелика комутована потужність. Крім того невелика кількість контактних груп в одному балоні а для «сухих» герконів та інших контактів. До недоліків можна віднести також крихкість скляного балона і в деяких випадках високу чутливість до зовнішніх магнітних полів.

Борис Аладишкін

Їхня конструкція має ряд серйозних недоліків. Серед них насамперед слід зазначити ненадійність контактної системи, а також труться металеві деталі, при зношуванні яких знижується загальна працездатність приладу. В результаті були створені герметичні магнітокеровані контакти - герконове реле, принцип дії якого дозволив позбутися мінусів, властивих електромагнітним пристроям.

Характеристики герконових реле

Геркон це пристрій, що складається з двох контактів, виготовлених з феромагнітного сплаву. Вони розміщені у спеціальній колбі, що дозволяє здійснювати контроль за їх роботою. У разі наближення до контактів постійного магніту відбувається замикання з утворенням безперервного ланцюга. У зв'язку з цим герконове реле відомі як кінцеві вимикачі.

Всі геркони маркуються відповідно до сфери застосування. Наприклад, позначення КЕМ відноситься до комутації електричних механізмів, літера "А" означає можливість роботи в будь-якому кліматі, літера "В" передбачає роботу пристрою тільки в приміщеннях. МКА є магнітним комутатором для будь-яких погодних умов.

Опір стандартно перемикаючого колійного геркона становить приблизно 0,2 Ом. У геркона, що працює на розмикання цей показник становить як мінімум 1 ком. Ці показники дозволяють суттєво прискорити перемикання ланцюгів. Магнітні вимикачіцього типу застосовуються для силових ланцюгів напруги і мають покращені показники. Розмикаючі магнітні герконові перемикачі застосовуються в багатьох схемах, в основному для комп'ютерних або охоронних систем, контрольних датчиківта багатьох інших пристроїв.

Принцип дії герконового реле

У роботі нормально замкнутого геркона використовується принцип взаємодії сил, що виникають між магнітними тілами. В електромагнітному полі з'являються і передаються імпульси, починають рухатися електрони, що викликають переміщення та деформацію струмопровідних контактів.

Зміна положення та стану магнітного кінцевика в конкретному пристрої або в ланцюзі призводить до розмикання контактів. Подальша зміна їх положення відбувається під дією інших рухомих елементів - кнопок, кінцевих пружин, дисків і т.д. Таким чином, відбувається почергове включення та вимкнення контактів.

Цей принцип роботи став основою функціонування проміжного герконового реле, що діє на замикання. Його конструкція складається з двох сердечників та герметичного міцного скляного балона, наповненого газом або газовою сумішшю. Сам балон перебуває під постійною дією електричного струму. Гази перешкоджають окисленню металевих сердечників.

При підключенні до такого геркона у постійного струму відбувається утворення потужного навколо сердечників. Наявність спеціальних проміжків значно полегшує проходження цього поля між частинами реле. Далі настає виникнення автономного магнітного потоку, що рухається у заданому напрямку. З'єднання сердечників значно прискорюється за рахунок їх покриття дорогоцінними металами з більш низьким опоромніж у звичайного матеріалу.

Постійний магнітний потік забезпечується особливостями конструкції герконового реле. Однорідність та цілісність деталей створюється за рахунок лиття та штампування, а для з'єднання їх між собою використовуються зварювальні процеси. Тому котушка реле намагнічується мінімальною мірою. За такою схемою працює герконове реле, принцип дії якого є досить простим. У разі припинення подачі постійного струму відбудеться розмикання контактів, а магнітний потік зникне.