Герконы: типы, устройство, особенности монтажа и эксплуатации

Подписаться

Контактная система всегда была наиболее проблемной частью электромагнитного реле из-за недостаточной надежности. Главный недостаток – механическая часть, которая не обеспечивала достаточную скорость переключения. Кроме того, трущие части приводили к быстрому износу контактов, что приводило к отказу реле. Избавиться от большинства недостатков, характерных для электромагнитных реле, удалось после создания магнитно управляемых реле – герконов.


Рис. 1. Герконы

Геркон (слово составлено из двух частей - герметизированный контакт) – это герметизированный переключатель на основе пружинных контактов, изготовленных из ферромагнитного материала. Работа геркона основана на применении сил взаимодействия, которые возникают между двумя феромагнитными телами при помещении их в магнитное поле. Эти силы вызывают деформацию и перемещение пружинных контактов до их соприкосновения. При достижении магнитного поля (создаваемого постоянным магнитом или электромагнитом) определенного значения напряженности незакрепленные концы пружины (обычно изготавливаемые из пермаллоевой проволоки), которые находятся друг от друга на расстоянии в десятые или сотые части миллиметра, начинают притягиваться и замыкают контакт. Если напряженность уменьшается, под действием упругой силы пружины концы принимают исходное положение – таким образом контакт размыкается.

Рис. 2. Принцип работы геркона

Историческая справка. Первые прообразы современных герконов были опробованы в Петербурге в 1922 году в лаборатории профессора В.Коваленкова и были закреплены в СССР авторским патентом №466.

Рис. 3. Магнитоуправляемый контакт, изобретенный профессором В. Коваленковым

Конструкция представляла собой сердечник (3), изготовленный из магнитомягкого материала.. К нему через изоляционные прокладки (5) прикреплялись контакты (1,2), изготовленные из аналогичного магнитомягкого материала. Когда через катушку (4) пропускался электроток, в сердечнике (3) инициировалось магнитное поле, намагничивавшее контакты (1,2), которые и замыкались. При прекращении подачи через катушку электротока контакты размыкались, возвращаясь в исходное состояние. В 1936 году американский инженер В. Элвуд поместил магнитоуправляемый контакт в герметизирующую оболочку. Уже с начала 40-х годов герконы начинают активно использоваться в качестве датчиков, но особенно широко они стали использоваться с конца 40-х годов. Именно тогда компания Western Electric задействовала герконы для создания автоматических телефонных станций (кстати, в центральном офисе компании герконы используются и сегодня). Максимум развития и использования герконов приходится на 60-70-е года прошлого столетия, когда они оказали огромное влияние на развитие телекоммуникационных технологий. Совершенствование технологии производства позволило существенно миниатюризировать устройство – сегодня средний размер геркона составляет 6 мм ( в конце прошлого века этот показатель равнялся 50 мм). Несмотря на развитие полупроводниковой элементной базы, герконы остаются востребованы во всех отраслях – измерительном и тестовом оборудовании, телекоммуникационной аппаратуре, теле- и радиоаппаратуре, медицинской электронике, системах безопасности, автоматике и т.д. Ежегодный объем производства и продажи герконов на мировом рынке составляет порядка 1 млрд. изделий.

Рис. 4. Геркон

Устройство геркона

Основа геркона – две ферромагнитные пластины, которые обычно изготавливают из никеля и стали. Пластины размещаются в герметической стеклянной капсуле так, чтобы они взаимно перекрывались, но при этом между ними оставался незначительный воздушный зазор. Под воздействием магнитного поля пластины замыкаются. Контактная область имеет гальваническое или напыленное покрытие, выполняемое из очень стойких металлов – рутения или родия. Ниже приведены структуры слоев, которыми покрываются контакты.


Рис. 5. Структура покрытия контактов рутением

Рис. 6. Структура покрытия контактов иридием



Родий и иридий – металлы, очень устойчивые к эрозии. Они обеспечивают длительную эксплуатацию контактов, если при этом не осуществляется коммутация очень мощной нагрузки. В полости капсулы обычно содержится инертный газ или азот. Для того, чтобы повысить потенциал коммутируемого напряжения , в некоторых типах герконов в капсулах создается вакуум.

Управление герконом может осуществляться двумя способами:


  • постоянным магнитом

Рис. 7. Геркон, управляемый магнитным полем

Наиболее простой, а поэтому – и распространенный способ управления герконом. Например, при линейном перемещении магнита, используемого в охранных сигнализациях. Магнит закрепляется на двери, геркон срабатывает, когда дверь находится в закрытом состоянии. При открытии дверей магнит удаляется, поле ослабевает, контакт размыкается – сигнализация срабатывает. До начала 90-х в клавиатурах разнообразных электро-вычислительных систем использовался метод перекрытия шторкой магнитного поля, который был вытеснен более прогрессивными технологиями, хотя в промышленных клавиатурах, где основными требованиями выступают взрывобезопасность и долговечность, метод используется и сейчас


  • катушкой с постоянным током

Рис. 8. Геркон, управляемый катушкой

Этот метод наиболее востребован для получения герконовых реле, отличающихся довольно простой конструкцией. Геркон просто помещается внутри катушки, подключенной к току. Такая конструкция позволяет избавиться от дополнительных рычажков и пружинок, имеющихся в обычных электромеханических реле. Единственный недостаток в таком решении – контактных групп довольно не много. Если катушка выполнена из достаточно толстого провода, который способен пропускать ток больших значений, то получается токовое герконовое реле. Такое реле активно использовалось в роли датчика для системы безопасности, защищающей мощные источники постоянного тока от перегрузок. Для обеспечения точной настройки уровня, при котором будет происходить срабатывание геркона, используется резьбовой механизм, позволяющий геркон плавно переместить вдоль оси катушки.

Воздействие магнитного поля на геркон подробно рассмотрено на видео:

По типу работы герконы различают:


  • замыкающие (нормально разомкнутый – при отсутствие магнитного поля контакты разомкнуты, еще обозначается 1 Form А – однонаправленная однополярная SPST-группа контактов)



Рис. 9. Схема замыкающего геркона


  • переключающие (многонаправленный переключатель, переключающий контакт, 2 Form A, однонаправленное двуполярное реле DPST)

Рис. 10. Схема переключающего геркона


  • размыкающие (нормально замкнутые – при отсутствие магнитного поля контакты замкнуты, обозначается 1 Form B)

По технологически-конструктивным признакам герконы подразделяют на группы:


  • с сухими контактами – такого типа герконы называют еще «сухими герконами». Их устройство и особенности работы подробно описаны выше

  • с ртутными контактами – герконы такого типа принято называть «ртутными герконами». В них кроме контактов внутри стеклянного герметичного корпуса находится дополнительно капелька ртути. Её назначение – смачивать контакты во время их срабатывания. Этим снижается переходное сопротивление, как результат – улучшается качество контакта, исчезает дребезг контактов.

Герконы: достоинства и недостатки

Широкое применение герконов в радиотехнике обусловлено целым рядом характерных для этого типа устройств преимуществ:

  • простота конструкции позволила значительной уменьшить габариту и массу геркона, в свою очередь компактность значительно расширила область его применения

  • высокое быстродействие – для различных типов значение диапазона скоростей срабатывания находится в пределах 100- 300мс, что делает возможным использование герконых реле на высоких частотах коммутации (несущая частота может достигать 7ГГц)

  • полная герметичность – с одной стороны, позволяет применять герконы в неблагоприятных для электроэлементов средах (запыленность, повышенная влажность), с другой – использовать герконы во взрывоопасных средах, топливно-горючих смесях, маслах, вакууме

Рис. 11. Датчик открытия на основе геркона


  • межконтактный промежуток имеет высокую электрическую прочность – значение сопротивления изоляции контактов составляет порядка 1015Ом

  • использование герконов (герконовых реле) позволяет обеспечить гальваническую развязку цепей управления и коммутируемых цепей

  • долговечность – контакты герконов устойчивы к влажности и обгоранию. Кроме того, в них полностью отсутствует механические элементы, что резко увеличивает их ресурс. Кроме того, нахождение контактов в стеклянном, полностью герметичном баллоне, заполненном химически инертными газами (смесь водорода и азота или чистым азотом) препятствует окислению контактов

  • надежная и стабильная работа устройства в большом диапазоне температур: от -60 до +120°С

Ниже в таблице приведены сравнительные характеристики различных типов реле: электромеханических, полупроводниковых (твердотельных) и герконовых:

Характеристика

Герконовые реле

Полупроводниковые реле

Электромеханические реле

Срок службы

порядка 10 млрд переключений

практически бесконечный

1 млн переключений

Длительность цикла переключения, мс

0,1-1

меньше 0,1

больше 5

Энергопотребление, мВ

3

3

50

Максимальный ток при коммутации, А

3

до 40

до 40

Максимальное значение коммутируемого постоянного напряжения, кВ

10

1,5

1,5

Минимально допустимая нагрузка, мВт

без ограничений

50

50

Вносимый шум

отсутствует

очень высокий

коммутационные помехи

Значение сопротивления изоляции, Ом

1014

109

109

Вносимые потери

0,5 дБ

2 дБ

0,5дБ

Чувствительность к перегрузке

высокая (происходит размыкание)

пробой (выход из строя)

нечувствительны

Одним из существенных недостатков, которые значительно ограничивают использование герконов, является их недостаточная ударопрочность, вызванная особенностями конструкции – стеклянный баллон. Впрочем, использование особых сортов стекла и общая миниатюризация позволяют сейчас задействовать герконы в автомобилестроении (сегодня в автомобилях "Honda", "Toyota", "Mercedes" задействовано 10-40 датчиков на основе герконов) и авиации. Кроме того, отметим другие недостатки:


  • восприимчивость к влиянию внешних магнитных полей – при монтаже следует обязательно предусмотреть особые меры по нейтрализации прочих, кроме управляющего, магнитных полей

  • малые значения мощности для коммутируемых цепей

  • при больших токах большая вероятность самопроизвольного (неконтролируемого) размыкания контактов

  • возможность возникновения недопустимых размыканий и замыканий контактов в герконовых реле, если они запитаны переменным напряжением с низкой частотой

Особенности эксплуатации герконов

Прежде всего, и это указывалось неоднократно – это необходимость предусмотреть защиту герконов (герконовых реле) от воздействия посторонних магнитных полей, которые могут сделать работу устройства непредсказуемой. Кроме того, герконы не должны попадать под воздействие ультразвука – при этом их электрические параметры и характеристики значительно изменяются. Приборы, содержащие герконы, следует предохранять от падений и ударов, так как возникающие при этом механические нагрузки, воздействующие на реле, могут привести к повреждению или немедленному отказу реле из-за разрушения герметичной колбы.



Рис. 12. Варианты установки герконов

При расчете схем следует обязательно учитывать возникающие при монтаже паразитные емкости и индуктивности. Чтобы снизить их влияние, рекомендовано нагрузку располагать в непосредственной близости от герконовых реле (герконов).


Рис. 13. Схема организации защиты геркона


Особенности монтажа:


  • герконы могут использоваться как при печатном, так и объемном монтаже

  • в аппаратуре допускается любой способ крепления герконов, который не приводит к нарушению его целостности и герметичности во время эксплуатации. Монтаж следует проводить так, чтобы исключить соприкосновение герконов

  • ели схемой предусмотрено подключение к геркону больше одного проводника, в этом случае подпайка (приварка) второго и других проводников проводится не к выводу геркона, а к предварительно подпаянному проводнику

  • сечение используемых монтажных проводников должно не превышать сечение выводов герконов

  • для пайки герконов должен использоваться паяльник, мощность которого не превышает 100Вт, при этом длительность каждого нагрева не должна быть больше 3с. Перед проведением повторной пайки выводы геркона должны остыть. Для пайки следует использовать припой, температура плавления которого не больше 260°С

  • при парке (сварке) следует добиться минимальной деформации выводов

Рис. 14. Изгиб выводов геркона


  • изгиб выводов должен осуществляться на расстоянии не меньше 3 мм от спая. При проведении сгибания следует жестко зафиксировать вывод, сопряженный с баллоном, чтобы предупредить разрушение металлостеклянного спая. Не допускаются повторные перегибы (изгибы) выводов.

+
1
-
4 Июня 2014, 18:06