Отличие высоковольтных герконов от обычных. Геркон: технические характеристики, принцип работы, примеры применения

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.

Данные устройства представляют собой контактную группу, изготовленную на основе ферримагнитного материала, которая помещается в стеклянную колбу. Из нее откачен воздух (созданы условия максимально приближенные к вакууму), как вариант возможно наполнение инертным газом. Внешний вид устройства и его обозначение на принципиальных схемах представлены ниже.

С конструктивным исполнением, можно ознакомиться на рисунке 2.

Обозначение:

А – выводы устройства.
В – стеклянная колба.
С – контактная группа.
D – инертный газ или вакуум.

Разновидности

Коммутационные устройства данного класса принято разделять в зависимости от устройства контактной группы на следующие виды:

Элементы с нормально-разомкнутыми контактами (внешний вид такого устройства показан на рис. 1).
Элементы с нормально-замкнутым контактом.
С переключающимся контактом.

Помимо функциональных признаков, перечисленных выше, имеются и технологические, разделяющие герметичные коммутирующие устройства на две группы: сухие и ртутные. Отличительная особенность последних заключается в том, что внутри колбы содержится капля ртути. Она служит для «смачивания» контактной группы, это позволяет существенно снизить переходное сопротивление и вибрацию (дребезг) контактов при коммутации, что положительно отражается на качестве контакта.

Принцип действия

Срабатывание устройства (замыкание, размыкание или переключение контактов) требуется воздействовать на элемент магнитным полем, напряженность которого будет достаточной для коммутации. В качестве источника такого поля может выступать обычный или электромагнит.

Под воздействием силовых линий происходит намагничивание контактов и по преодолению порога упругости они коммутируют цепь.

Соответственно, как только на контактную группу перестанет действовать магнитное поле, она вернется в исходное состояние. То есть, функционально контакты помимо своего прямого назначения играют роль магнитопровода и упругого элемента.

Устройства с нормально-замкнутыми контактами действуют несколько иначе. Их ферримагнитные упругие элементы, попадая под воздействие магнитного, поля приобретают одинаковый заряд, что заставляет их отталкиваться, разрывая контакт.

Иногда в таких коммутаторах только один упругий элемент выполнен из ферримагнитного сплава, в результате приближения магнита он притягивается к нему, отключая цепь.

Подобный принцип задействован в герконах с переключающей группой контактов, в котором два из них изготавливаются из магнитного материала. Под воздействием магнита они притягиваются друг к другу, а немагнитный контакт остается в исходном положении. В результате происходит перекоммутация цепи.

Основные параметры

Свойства герметичных коммутаторов определяются механическими и электрическими параметрами. К первым относятся:

N max – число, указывающее максимально допустимое количество срабатываний без изменения основных характеристик.
V cp – величина отображающая интенсивность поля необходимую для реакции устройства. В технической терминологии данную характеристику называют магнитодвижущей силой.
V отп – величина соответствующая силе размыкания.
t cp — время, необходимое на срабатывание контактной группы.
t отп – интервал времени, необходимый на отпускание.
Последние два параметра наиболее значимые из механических характеристик, поскольку описывают скорость коммутации.
Теперь перечислим основные электрические характеристики:
R K – сопротивление между контактами в замкнутом состоянии.
R ИЗ – сопротивление разомкнутых контактов.
U ПР – напряжения пробоя, данная характеристика зависит как от предыдущего параметра, так и расстояния между группой контактов. Помимо этого на электрическую прочность влияет наполнение колбы.
P max – коммутируемая мощность.
C K – емкость, образуемая разомкнутыми контактами.

Как осуществляется управление?

Управлять герметичным коммутатором можно двумя способами:

используя постоянный магнит;
воздействуя катушкой, подключенной к постоянному источнику тока.

В первом варианте управление может осуществляться путем линейного или углового перемещения постоянного магнита. Также встречается способ, при котором поле перекрывается при помощи специальной шторки.

В качестве примера использования способа управления при помощи магнита можно привести датчики уровня, а также положения, охранную сигнализацию и т.д.

Второй вариант позволяет создать реле на основе геркона. В отличие от традиционной конструкции, такое устройство будет более надежным и долговечным, поскольку практически не содержит в себе подвижных механических элементов. Что касается небольшого количества контактных групп, то этот недостаток легко устраняется путем увеличения количества задействованных герконов.

Примером применения данного способа управления может служить токовое реле на основе геркона. Оно представляет собой катушку, намотанную проводом толстого сечения, внутри которой размещается герметичный коммутатор. Данное приспособление может служить в качестве защитной системы от перегрузки в цепях постоянного тока. Чувствительность прибора легко регулировать путем линейного перемещения коммутатора внутри катушки.

Плюсы и минусы

Любая конструкция помимо преимуществ не лишена недостатков. Зная сильные и слабые стороны устройства можно найти оптимальную сферу для его применения. Давайте рассмотрим, в чем заключается преимущества герметичных коммутаторов, к таковым свойствам можно отнести:

Высокую надежность коммутации. Она практически на два порядка превышает этот показатель у открытых контактных групп. Это достигается за счет высокого сопротивления между разомкнутыми контактами (R ИЗ), оно может исчисляться десятками МОм. Немаловажную роль играет и показатель электрической прочности (U ПР), напряжение пробоя у некоторых моделей превышает 10 кВ.
Быстродействие также является неоспоримым преимуществом. Частота коммутации многих моделей приближается к 1 кГц. Что касается параметров, описывающих скорость коммутации, то они находятся в следующих диапазонах: t cp — от 0,4 до 1,8 мс, t отп – от 0,25 до 0,9 мс, что намного превышает подобные характеристики открытых контактных групп.
Долговечность, число срабатываний исчисляется миллиардами, ни одна открытая контактная группа даже близко не может приблизиться к этому рубежу.
Данный тип коммутаторов нетребователен к согласованию с нагрузкой.
Управление может производиться без использования электроэнергии.

Характерные недостатки:

Низкие показатели коммутируемой мощности.
Небольшое число контактов.
Дребезг при срабатывании (конструкции «мокрого» типа избавлены от этого недостатка).
Большие размеры для современной радиотехнической базы.
Недостаточная прочность стеклянной колбы.
Чувствительность к воздействию внешних магнитных полей.

Несмотря на явное преобладание положительных качеств, данные устройства постепенно вытесняются полупроводниковыми аналогами, такими как датчики Холла. Отсутствие дребезга, небольшие размеры и более высокая прочность сыграли решающую роль.

Примеры практического применения в быту

Как и было обещано в начале статьи, приводим пару полезных схем, в которых используются герконы. Начнем с универсального управления освещением в прихожей. Принцип работы заключается в следующем: при открытии входной двери автоматически включается свет, и спустя несколько минут выключается. При достаточном уровне освещения, свет в прихожей не включается.

Обозначения:

Резисторы: R1 – 68 кОм, R2 – 33 кОм, R3 – 470 кОм, R4 – 10 кОм, R5 – 27 кОм.
Конденсаторы: С1 – 0,1 мкФ, С2 – 100 мкФ х 25 В, С3 – 470 мкФ х 25 В.
Стабилитрон и диоды: VD1 – КС212Ж, VD2 и VD3 – КД522 (1N4148), VD4 – КД209 (1N4004).
Транзисторы: VT1 и VT2 – ÌRF840.
SG1 – любой обычный герконовый датчик, например, 59145-030.
FR1 – фоторезистор, подойдет любого типа с сопротивлением на свету не ниже 8 кОм, в темноте – 120-180 кОм.
Триггер D1 – К561ТМ2 (СD4013).

Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R1, для выбора оптимального времени задержки отключения освещения.

Теперь рассмотрим схему простой домашней сигнализации, где в также используется типовой герконовый датчик для двери.

Обозначения:

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

В качестве сирены используется звуковой оповещатель АС-10.

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

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

Принцип работы

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

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

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

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

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

Размеры соответствуют 2x14мм

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

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

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

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

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

Сначала надо упаковать сам геркон.

Надевается кусочек термоусадки, обжимается горячим воздухом

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

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

Второй вывод чуть укоротил, вместе с термоусадкой

Припаиваю провод к обоим выводам провод

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

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

Обдул горячим воздухом

Излишки клея убрал

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

Магнит и геркон расположены поперёк друг другу

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

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

Планирую купить +46 Добавить в избранное Обзор понравился +78 +137

Любая техника может ориентироваться в окружающей среде только с помощью специальных датчиков, которые позволяют получить необходимую информацию. Они могут быть нацелены на выяснение скорости объекта, состояния, текущих целей или типа изменений в окружающей среде. Одними из самых полезных считаются герконовые датчики. Почему именно так?

Что такое герконовый датчик?

Для начала выясним, что собой представляет объект написания статьи. Геркон - это электромеханическое устройство, которое является парой ферромагнитных контактов, что запаяны в герметичную колбу из стекла. Если поднести к ней постоянный магнит или включить электромагнит, то произойдет замыкание. Вот так в общем выглядит схема герконового датчика. Благодаря таким свойствам данные приборы нашли своё применение в качестве концевых выключателей, индикаторов положения и других подобных устройств. Если добавить ещё и электромагнитную катушку, то получится герконовое реле.

Разнообразие и принцип работы

Как же осуществляется разделение на рабочие виды? Как решают, что к чему отнести? Для этого используется деление на три группы, каждая из которых работает по своему принципу. Как функционирует герконовый датчик? Принцип работы:

Имеют замыкающийся контакт. В таких случаях, когда отсутствует магнитное поле, то датчик в разомкнутом состоянии. Когда оно есть, то он замыкается.
Имеют размыкающийся контакт. Когда отсутствует магнитное поле, то датчик в замкнутом состоянии. Когда оно есть, он размыкается.
Имеют переключающийся контакт. Конструктивно отличаются от двоих предыдущих. В первую очередь тем, что имеют три вывода. Так, если отсутствует магнитное поле, то замыкается одна пара. Когда оно есть, то другая.

Классификация может быть проведена исходя из особенностей конструкции:

Используются «смоченные» контакты. Сюда относятся герконы, выводы которых соприкасаются с каплями ртути. Её присутствие уменьшает контактное электрическое сопротивление. Также данный тип отличается низкой вероятностью возникновения дребезга.
Используются «сухие» контакты.

Особенности

Какие же существуют особенности герконового датчика, которые необходимо учитывать при выборе необходимого прибора? Следует сказать, что их довольно много:

Значение напряженности, которое должно быть у магнитного поля, чтобы произошло замыкание контактов.
Коммутируемый ток.
Значение напряженности, которым должно обладать магнитное поле, чтобы происходило размыкание контактов.
Максимальная мощность, что может быть коммутируемая герконом.
Значение электрического сопротивления, которое имеет зазор между сердечниками (интересует только разомкнутое состояние).
Напряжение, при котором возникает пробой геркона.
Сопротивление в контактной области, которое возникает во время замыкания сердечников.
Время, которое проходит между моментами влияния управляющего магнитного поля и замыканием электрической цепи.
Электрическая емкость, которая имеется между выводами геркона, когда он в разомкнутом состоянии.
Время, которое необходимо, чтобы после удаления эффекта магнитного поля произошло размыкание электрической цепи.
Коммутируемое напряжение.
Число срабатываний геркона, при котором основные его параметры будут оставаться в допустимых пределах.

Преимущества

Какие позитивные стороны имеют герконовые датчики? Их список таков:

Отсутствует дребезг контактов (относится к герконам, у которых выводы смочены ртутью).
Долговечность. Считается, что если датчик не поддаётся физическим ударам (вследствие падения или при неосторожном обращении), через него не пропускают слишком большой ток, то он может работать бесконечно. Хотя согласно технической документации, число срабатываний всё же ограничено значением в 10 3 —10 8 .
Поскольку контакты геркона расположены в инертном газе или вакууме, то они слабо обгорают, даже когда происходит размыкание или размыкание с возникновением искры.
Данные датчики обладают меньшим размером, чем классические реле, и при этом рассчитаны на точно такой же ток.
При производстве для контактов не применяются драгоценные и тугоплавкие металлы, что позитивно сказывается на стоимости.
Герконы почти не создают шум.
Датчики обладают высоким быстродействием (если сравнивать их с классическими реле).

Недостатки

Как и у любого прибора, у геркона есть не только плюсы, но и минусы:

Обладают значительным весом (если сравнивать с открытыми контактами).
Необходимо создавать магнитное поле.
Хрупкие. Не подлежат использованию в условиях ударных нагрузок и при сильных вибрациях.
Попадают под влияние внешних магнитных полей, из-за чего возникает необходимость в защите.
Иногда контакты геркона могут остаться в замкнутом состоянии, из которого их нельзя вывести.
Ограничение скорости срабатывания.
При больших токах контакты геркона могут самопроизвольно разомкнуться.

Применение

Где же нашли своё применение герконовые датчики? Но прежде чем говорить о них, стоит упомянуть, что наметилась тенденция их замены. В качестве более совершенной технологии используются твердотельные датчики Холла. Но вернёмся к теме статьи:

Клавиатура клавишных синтезаторов и промышленных приборов, где необходима взрывобезопасность и долговечность, что особенно важным является в промышленности. Поскольку детали хотя и являются мелкими, необходимы для того, чтобы управлять различными механизмами. И если данная функция недоступна - страдает производительность.
Герконовые датчики уровня жидкости в различных емкостях.
В телерадиоаппаратуре.
В датчиках, которые отображают состояние (открыто/закрыто) или позицию предмета. Сферы применения: компьютерные, охранные, строительные технологии. Они могут сообщать, в каком положении окна и двери, таким образом возможно построение автоматизированных систем со своими целями.
В электронных счетчиках тока.

Заключение

Мы разобрали, чем является герконовый датчик, принцип работы этого устройства, и сейчас можно сказать, что вы обладаете необходимым теоретическим минимумом, чтобы начинать работать с ними на практике. Причем может быть реализовано что угодно. Использовать герконовый датчик уровня воды в емкости на даче или что-то другое - решать вам.

Прежде, чем начинать рассказ о герконовых выключателях, думаю будет не лишним объяснить, что такое геркон и «с чем его едят».

Герконом называется герметичный магнитоуправляемый контакт. Сам же выключатель может иметь самые разные конфигурации. Наиболее простая и распространенная его конфигурация такова: состоит он из пары прямоугольных корпусов, в одном из которых находится постоянный магнит, а в другом – геркон.

Эта разновидность выключателя чаще всего применяется в качестве извещателя открывания в охранных системах, имея среди товаров охранно-пожарной сигнализации наименование СМК.

Такое широкое применение герконовых выключателей (датчиков) обусловлено тем, что проникновение злоумышленников на охраняемые объекты, в большинстве случаев, происходит через дверь методом взлома замков, либо подбора ключей. С помощью этих извещателей защищают так же ворота гаражей, двери и окна, а так же, разные предметы от перемещения.

Другая разновидность герконовых выключателей – датчики ударно-контактного типа, предназначенные для защиты конструкций из стекла. Сам же геркон выглядит, в основном, вот так.

Собственно, геркон состоит из пары (иногда из трех, для переключающего геркона) пластин из пермаллоя, которые запаяны в общий баллон из стекла, внутри которого закачан азот под большим давлением.

Это дает возможность приборам работать до 12-24 лет благодаря тому, что материалы, из которого все это изготовлено, практически не стареют. Прибор имеет очень малое переходное сопротивление и способен работать в огромном интервале температур и влажностей.

Такие конструктивные особенности, кроме того, предполагают кок-какие ограничения в использовании герконов. Вот они:

сжатие контактов и, как следствие, межконтактное сопротивление, находится в зависимости от силы управляющего магнита, либо тока в управляющей обмотке;
поскольку зазор между пластин мал, то облегчается образование электроразрядов в момент замыкания-размыкания (сравнительно с обыкновенными контактами);
в связи с замкнутостью объема, ограничивается отвод тепла и, следовательно, способность прибора к коммутации определяет размер его баллона;
если превысить некоторое определенное значение коммутируемого тока, появляется дребезг и снижается нажатие.

Есть и другие ограничения, связанные с конструктивной особенностью приборов.

Вообще, выключатели этого типа – большая группа самых разных по конструктивному исполнению и применению, а так же по набору возможностей приборов, управляемых с помощью внешнего магнитного поля. Эти приборы обладают достаточно высокой надежностью благодаря тому, что в их основе лежит применение геркона вместо основного исполнительного элемента, который управляется при помощи внешнего магнитного поля.

В последнее время герконы применяют довольно широко в качестве коммутационных элементов. С их помощью выполняется коммутация нагрузок малой и средней мощности, создаются реле и логические модули, кнопки, переключатели, концевики и т.д.

Их большое распространение обусловлено высокой надежностью, быстродействием и стабильностью контактов. Сами же выключатели-извещатели типа СМК могут выглядеть вот так:

Есть, конечно, и другие разновидности устройства, но основной их принцип, практически одинаковый. Различия только во внешнем виде и способе управления. Одни из них управляются методом непосредственного поднесения к нему магнита, другие, как видно из рисунка, управляются введением шунтирующей шторки в зазор между стационарно расположенными магнитом и герконом.
Вот так могут монтироваться датчики типа СМК:

Кроме того, герконовые выключатели и переключатели могут применяться в устройствах автоматики и управления.

На них одно время собирались клавиатуры некоторых устройств, а также большинство кнопок для пультов управления разными машинами, так же, выполняются на основе герконовых выключателей.

Единственное, достаточно сильное ограничение на использование устройств этого типа – это их маленький коммутируемый ток. Следовательно, монтировать их в цепи управления, лучше всего, через промежуточные реле.

Монтаж устройств напрямую в коммутируемую цепь возможен лишь в те цепи, по которым протекают токи и напряжения небольших значений, например, в цепи охранных устройств.

Надеюсь, что материал моей статьи помог разобраться в том, какие бывают герконовые выключатели и где их применяют.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад, если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Статьи по теме