Герконы устройство и особенности

Геркон - герметизированный магнитоуправляемый контакт, по своей это электромеханическое реле, представляющее собой пару ферромагнитных контактов, расположенных в закрытой герметичной стеклянном сосуде.

Коммутация электрической цепи, в таком устройстве, происходит в вакууме или в инертной газовой среде, под воздействием магнитного поля. По функциональному назначению все эти устройства можно разделить на три большие группы; работающие на размыкание, замыкание и переключение.


Геркон принцип действия

Контактная система обычных электромагнитных реле всегда была достаточно проблемной частью из-за низкой надежности. Главный их недостаток – механическая часть, которая не всегда обеспечивала требуемую скорость переключения. Кроме того, постоянные механические переключения приводили к достаточно быстрому износу контактов, что приводило к поломке реле и требовало дорого ремонта. Избавиться от многих недостатков, характерных для электромагнитных систем, удалось после появления магнитно управляемого реле – геркона.

Итак, геркон это герметизированный переключатель на основе пружинных контактов, выполненный из ферромагнитного сплава. Его принцип работы основан на использовании сил взаимодействия, которые появляются между двумя феромагнитными телами при попадании их в магнитное поле. Силы взаимодействия вызывают перемещение пружинных контактов до их касания. Как только магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом достигнет нужного уровня незакрепленные концы пружины начинают притягиваться и замыкают контактную систему. Если уровень магнитного поля снижается, то под действием упругой силы пружины возвращаются исходное состояние – контакт размыкается.

Принцип работы герконов

Первый образец такого устройства был создан в 1922 году в Петербургской лаборатории профессора В.Коваленкова.

Конструкция первого геркона образца 1922 года

Конструкция первого такого прибора представляла собой сердечник (3), из магнито мягкого материала. К нему через изоляционные проставки (5) подсоединяются контакты (1,2) из магнитомягкого материала. Когда через катушку индуктивности течет электрический ток, в сердечнике возникает магнитное поле, намагничивавшее контакты которые и срабатывали. Как только питание отключалось, ток через индуктивность перестовал течь и контакты размыкались.

В 1936 году американский исследователь Элвуд разместил магнитоуправляемый контакт в герметичную колбу. Спустя несколько лет герконы начинают массово применяться в роли датчиков в различных электронных устройствах. Например фирма Western Electric применила герконы в автоматических телефонных станциях. Пик развития и применения герконов пришелся на 60-70-е года прошлого столетия (История развития электроники), тогда они были наиважнейшим компонентом в телекоммуникационных технологиях. Совершенствование технологии минимизировало размеры устройство – сегодня средний размер геркона около 6 мм. Несмотря на активное использование микроконтроллеров и микропроцессоров, эти устройства остаются востребованы и сегодня, но уже не так широко, как вчера.

Устройство геркона

Основа любого такого компонента две ферромагнитные пластины из никеля или стали. Пластины размещаются в герметическом стеклянном корпусе так, чтобы они взаимно перекрывались, но так, чтобы между пластинами был небольшой воздушный промежуток. При появлении магнитного поля пластины смыкаются. Контактная область обладает специальным гальваническим или напыленным покрытием из очень износостойких материалов – рутения или родия.

Родий и иридий очень устойчивые металлы. Благодаря им возможна длительная эксплуатация контактов, при условии не коммутировать через них мощные токи. В стеклянной капсуле обычно закачан инертный газ или азот, в некоторых типах герконов в иногда закачивается вакуум.

Управление любым герконом можно осуществлять либо с помощью постоянного магнита, либо катушки индуктивности через которую протекает электрический ток.

Способы управления герконом

Такой пример управления постоянным магнитом используется в различных охранных устройствах. Магнит цепляется на дверь, если дверь находится в закрытом состоянии геркон срабатывает. При открытии дверей контакт размыкается – сигнализация срабатывает. Кроме того постоянные магниты используют и в промышленных клавиатурах на станках ЧПУ, где важны такие условия как взрывобезопасность и долговечность.

Метод использования катушки индуктивности используется при создании герконовых реле, в котором прибор просто размещается внутри катушки индуктивности. Последняя подсоединена к источнику току. Такая конструкция позволяет существенно упростить электромеханическое реле, а значит снизить его стоимость. Единственный минус это малое число контактных групп. Если катушка сделана из толстого провода, который способен выдерживать ток больших номиналом, то имеем полноценное токовое герконовое реле. Оно часто применяется в роли датчика для системы защищающей мощные источники питания от перегрузок. Для точной настройки уровня, при котором осуществляется срабатывание, применяется резьбовой механизм, позволяющий геркону плавно перемещаться вдоль оси катушки индуктивности.

Принцип работы геркона обучающий видеоролик

Рассмотрим схему состоящую из последовательно соединенных устройств: собственно сам геркон, источник э.д.с и обычная лампа накаливания.

Поднесем к аналогу нашего реле постоянный магнит, устройство замыкается. Лампа накаливания светится, ток протекает по схеме. Отводим постоянный магнит в сторону. Контакты геркона разомкнулись, лампа накаливания тухнет. Вместо постоянного магнита в данном опыте можно использовать и электромагнит, эффект будет тот-же.

Геркон и их классификация

Эти устройства различаются также по своим конструктивным особенностям. Они бывают сухими (с сухими контактами) и ртутными, в которых капля ртути, как бы смачивает контактирующие поверхности, снижая их электрическое сопротивление и исключая вибрацию пластин в процессе работы. В настоящее время разработано несколько способов управления магнитоуправляемыми приборами. Поэтому их можно разделить на:

Герконы замыкающего типа Во время отсутствия магнитного поля его контакты разомкнуты

Схема замыкающего геркона

Переключающего типа обычный многонаправленный переключатель, переключающий контакт,в одно из двух положений

Схема переключающего геркона

Размыкающего типа замкнуты в исходном состоянии, т.е при отсутствие магнитного поля контакты замкнуты, а при его возникновении размыкаются

Классификация герконов по технологически-конструктивным признакам
C сухими контактами – их работа рассмотрена выше.
C ртутными контактами – в них кроме контактов внутри имеется еще капелька ртути, предназначенная для смачивания контакта во время их переключения.
Достоинства и недостатки геркона

Геркон активно используется в электронике вместо электромагнитных реле, это обусловлено целым рядом характерных для этого типа устройств достоинств:

Простота конструкции ивысокое быстродействие – для различных видов герконов значение диапазона скоростей находится в пределах 100- 300мс. Полная герметичность – позволяет применять эти элементы в неблагоприятных средах. Межконтактный промежуток обладает высокой электрической прочностью. Обеспечивают гальваническую развязку схем управления и коммутируемых цепей. Долговечность и надежность- контакты устойчивы к влажности и обгоранию, а также в них исключены все механические части

Но кроме перечисленных плюсов, у этих устройств есть и существенные недостатки:

Недостаточная ударопрочность, из-за особенностей конструкции и использования стеклянного корпуса. Малые уровни мощности для коммутационных цепей. Вероятность самопроизвольного размыкания контактов при протекании больших значений токов.
Особенности эксплуатации и монтажа герконов

Очень важным моментом является необходимость использования защиты от возможного воздействия посторонних магнитных полей. Кроме того монтаже на плате или внутри радиолюбительской конструкции, герконы не должны оказаться под воздействие ультразвука – т.к при этом типе воздействия их параметры и характеристики могут сильно меняться. Эти компоненты, необходимо защищать от возможных падений и ударов, так как появляющиеся при этом нагрузки могут привезти к немедленному отказу из-за разрушения герметичной колбы.

При расчете электрических цепей с этими элементами необходимо учитывать возникающие при монтаже паразитные емкости и индуктивности. Чтобы уменьшить их паразитное влияние при монтаже на печатной плате, нагрузку желательно располагать поближе к реле или использовать специальную схему защиты.

Схема защиты геркона
Особенности монтажа

Возможен любой способ монтажа, который не станет причиной нарушения целостности и герметичности устройства во время эксплуатации. Монтаж следует осуществлять так, чтобы исключить любую возможность соприкосновения герконов.

Если схемой предусмотрено подсоединение к прибору более одного проводника, то подпайка второго и последующих проводников должна быть не к выводу радиокомпонента, а к ранее подпаянному проводнику, а сечение используемых монтажных проводов должно быть не более сечения выводов радиоэлемента

При пайки геркона необходима пользоваться паяльником мощностью не более 100Вт, при этом длительность нагрева не должна превышать трех секунд. Перед осуществлением повторной пайки выводы электронного компонента должны остыть.

Изгиб выводов геркона должен быть сделан на расстоянии не менее трех миллиметров от спая. Если необходимо сделать сгиб, надо четко зафиксировать вывод, соединенный с стеклянным баллоном, чтобы предупредить разрушение. Нельзя повторно изгибать выводы.

В последнее время в современной электронике наблюдается тенденция к замене герконов твердотельными полупроводниковыми датчиками "Холла". Связанно это с таким явлением как "дребезг" контактов (ложные срабатывания), при воздействии магнитного поля. Но герконы, используются все еще довольно активно: в клавиатуре клавишных синтезаторов, MIDI ипромышленных приборов, в различных охранных датчиках, в фонарях для дайвинга, в лифтах (датчики позиционирования кабины) и.т.п.