Герконы — технические характеристики, принцип работы, назначение

Для быстроты реакции охранной, противопожарной системы, установок экстренного оповещения и контроля применяется герконовый датчик. Элемент выявляет состояние объекта, появление дыма, пыли, предотвращает несанкционированный доступ.

Внешний вид и особенности конструкции

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

А) внешний вид геркона; В) обозначение на принципиальных схемах

С конструктивным исполнением, можно ознакомиться на рисунке 2.

Конструкция геркона

Обозначение:

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

Конструкция герконов

Конструкция различных типов герконов представлена на рис. 2.

Рис. 2 Конструкция герконов

Все герконы представляют собой герметичный стеклянный баллон, внутри которого находится контактная группа. Контакты представляют собой магнитные сердечники, вваренные в торцы баллона. Наружные концы сердечников предназначены для подключения к внешней электрической цепи.

Наибольшее распространение получил геркон с контактной группой, работающей на замыкание или, как показано на рисунке «разомкнутый». Каждый контакт – сердечник выполнен из ферромагнитной упругой проволоки, которая расплющена до прямоугольной формы. Для изготовления сердечников применяется пермаллоевая проволока диаметром 0,5 — 1,3 мм в зависимости от мощности геркона и, соответственно, его габаритов.

Непосредственно контактирующие поверхности покрыты благородным металлом, золотом, палладием, родием, серебром и сплавами на их основе. Такое покрытие не только уменьшает переходное сопротивление, но и способствует повышению коррозионной стойкости контактной поверхности.

Внутренне пространство баллона заполнено инертным газом (водородом, аргоном, азотом или их смесью) или просто вакуумировано, также способствует уменьшению коррозии контактов и повышению их надежности. При изготовлении сердечники располагают таким образом, чтобы между ними оставался зазор, кстати, определенного размера.

Рис. 3. Геркон

Схема

Разновидности

Устройство работает по принципу размыкания, либо замыкания линии, передающей электричество. Напряженность магнитного потока задает замкнутое или разомкнутое положение. Примечательно, что не важно, откуда возникает магнитное поле. Оно может появляться как от электромагнита, так и постоянного магнита.

Намагничивание в устройстве начинает происходить тогда, когда под действие попадают силовые линии. После этого, сила упругости преодолевается и притягивает контакты друг к другу. В итоге цепь замыкается.

В таком состоянии датчик будет находиться до тех пор, пока будет оставаться магнитное поле. После прекращения воздействия силовых линий контакты размыкаются. Чтобы произошло следующее замыкание, необходимо, чтобы создалось поле вокруг устройства снова.

Исходя из этого, специалисты считают геркон переключателем.

Замыкающие

Замыкающие по своему принципу работы постоянно находятся в разомкнутом состоянии. Для них это нормальное статичное положение, а контакты между собой не соединятся.

Переключающие

У такого типа в составляющей конструкции есть три вывода. При нормальном состоянии, когда отсутствует влияние электромагнитного поля, оба контакта замкнуты (один с другим). После появления поля, в одном контакте происходит замыкание, а тот, который замкнут нормально — размыкается.

Размыкающие

Размыкающие отличаются тем, что когда магнитное поле отсутствует, контакты соединяются между собой. Такой тип относят к нормально разомкнутым.

Типы по технологическим особенностям

Так как конструкций различных герконовых реле много, выделяют ряд характеристик. Благодаря ним можно отличать конкретный вид от остальных. К основным характеристикам относят:

  • Время отпускания — этот тот период времени от момента, когда ток в катушке пропадает, до перехода контактов в своё обычное положение. Промежуток времени — 0,2-1 мкс.
  • Уровень вибрации. Этот заданный уровень нельзя превышать, так как стеклянные колбы трескаются. Измерение величины вибрации происходит количеством колебания в секунду.
  • Время реакции. Промежуток времени, начинающийся с подачей тока, и завершаемый в момент размыкания или замыкания. Составляет примерно 0,5-2 мкс.
  • Допустимое показание. Мощность герконового датчика определяется из совокупности сечения контактов и материала. Измерение происходит в кВт и Вт.
  • Емкость контактов. Она может измеряться только тогда, когда контакты разомкнуты.

Сухие

Сухой выглядит как герметичный баллон, состоящий из стекла. Внутри него находятся контакты. К контактам относятся сердечники из магнита, они привариваются снаружи колбы, с торца. При этом ртуть в этом случае не добавляется.

Ртутные

При ртутном контакте в стеклянный корпус добавляются ртутные капли, благодаря которым смачивается деталь. При срабатывании геркона качество контакта улучшается. Благодаря такой системе можно избежать дребезга и вибрации в контактах. Это увеличит время срабатывания.

Обозначение и маркировка

Герконы относятся к устройствам релейного типа. Поэтому правильное их обозначение указано в ГОСТ 2 .756−76 ЕСКД. На электрических схемах условно графическое изображение нормально разомкнутого геркона выглядит в виде окружности, в середине которой изображаются два последовательных отрезка. С левой стороны начиная с места разрыва, к отрезку чертится небольшой прямая линия, подходящая к нему под углом 120. Окружность символизирует собой герметичность устройства, а отрезки — коммутационные контакты.

В нормально замкнутом же обозначении, выводы в окружности рисуются пересекающимися. Обозначение трёх контактного устройства выглядит по-другому. Всё так же рисуется окружность, но в ней, с одной стороны, изображаются два параллельных отрезка, а с другой — отрезок, расположенный по центру расстояния между ними. На нём же рисуется и переключающий контакт.

Согласно советским нормам на схемах и в литературе геркон подписывается буквой «К», после которой ставится порядковый номер изделия на схеме. В иностранном же обозначении используются две латинские буквы SF.

Стандарта же в маркировке изделий нет. Каждый производитель обычно на корпус геркона наносит своё заводское обозначение: например, КЭМ, TRA, АСМК, КА, КСК. Поэтому чтобы узнать к какому типу относится то или иное устройство, понадобится смотреть даташит производителя.

Классификация герконов

Принцип работы нормально-разомкнутого геркона

Герконовые переключатели подразделяются на виды по нескольким критериям.

Нормальное состояние контактов

Контакты бывают:

  • замкнутые – размыкание цепи происходит посредством магнитного поля;
  • переключаемые/бистабильные – один контакт замыкается при воздействии поля, другой – если его нет;
  • разомкнутые – геркон срабатывает в момент образования магнитного поля.

Принцип действия нормально-замкнутого геркона

Модели с переключаемыми контактами имеют 3 вывода.

Конструкция

Срабатывание переключающего геркона

Существуют такие датчики:

  • гильзовые – стеклянная оболочка заполняется инертным газом либо воздухом;
  • ртутные – для улучшения коммутации, снижения сопротивления и устранения вибраций контакты покрываются ртутью.

Гильзовые герконы имеют сухие контакты.

Технические параметры

В зависимости от технических характеристик бывают:

  • Геркотрон – герконовое реле с изоляцией высоковольтного типа. Работает в сети под напряжением 10-100 кВ.
  • Газакон – модификация, которая запоминает положение контактов после выключения магнитного поля.
  • Герксикон – реле, с помощью которого активируется сигнализация и оборудование мощностью до 3 кВт. Отличается повышенным током коммутации и дугогасительными контактами.

Устройства могут заменить электромеханическое реле.

Принцип работы

Упрощеное изображение конструкции герконового реле

Принцип работы герконового датчика основывается на размыкании или замыкании сети, где он стоит, под воздействием электромагнитного поля. Напряжение магнитного потока определяет положение контактов. Поле генерируется постоянным или электрическим магнитом.

Внутренние контакты прибора намагничиваются в момент попадания под действие силовой линии. Притягивание элементов осуществляется под действием, преодолевающим силу упругости. Так происходит замыкание цепи. При подключении линии к источнику питания ток протекает через устройство.

Это состояние длится до момента прекращения воздействия силовой линии. Контакты размыкаются без магнитного поля. Для повторного замыкания понадобится вновь генерировать поле.

Геркон – это малогабаритный переключатель, работающий от силового воздействия магнитного потока.

Параметры

  • Магнитодвижущая сила срабатывания — значение напряжённости магнитного поля, при котором происходит замыкание контактов геркона.
  • Магнитодвижущая сила отпускания — значение напряжённости магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона.
  • Сопротивление изоляции — электрическое сопротивление зазора между сердечниками (в разомкнутом состоянии).
  • Сопротивление контактного перехода — электрическое сопротивление контактной области, которая образуется при замыкании сердечников.
  • Пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит пробой геркона.
  • Время срабатывания — время между моментом приложения управляющего магнитного поля и моментом первого физического замыкания электрической цепи герконом.
  • Время отпускания — время между моментом снятия приложенного к геркону магнитного поля, и моментом последнего физического размыкания электрической цепи герконом.
  • Ёмкость — электрическая ёмкость между выводами геркона в разомкнутом состоянии.
  • Максимальное число срабатываний — число срабатываний, при котором все основные параметры геркона остаются в допустимых пределах.
  • Максимальная мощность — максимальная мощность, коммутируемая герконом.
  • Коммутируемое напряжение.
  • Коммутируемый ток.

Плюсы и минусы

У герконовых датчиков есть свои преимущества и недостатки. К плюсам относят:

  • В контактах отсутствует дребезг. Это актуально для тех, выводы которых смочены ртутью.
  • По сравнению с классическим реле датчики отличаются высоким быстродействием.
  • Датчик считается долговечным и не поддаётся физическим ударам (например, при неосторожном обращении или падении).
  • Такой вид датчика не создаёт шум.
  • Контакты слабо сгорают, так как располагаются в вакууме или инертном газе. Это относится и к тем случаям, когда замыкание с размыванием происходит с возникновением искры.
  • Доступная для всех цена, так как при производстве не используют тугоплавкие или драгоценные металлы.
  • Небольшой размер по сравнению с классическими реле.

Минусы:

  • По сравнению с открытыми контактами они тяжеловаты.
  • Скорость срабатывания ограничена.
  • Нужно создавать магнитное поле.
  • Бывают случаи, когда контакты остаются в замкнутом состоянии и вывести их из него нельзя.
  • Внешние магнитные поля влияют на них.

Способы управления герконами

Их можно разделить на две большие группы: управление постоянным магнитом и управление при помощи катушки с током. Эти способы показаны на рис. 4.

Рис. 4 Различные способы управления герконами

Управление герконом при помощи постоянного магнита

Наиболее прост и распространен способ управления с линейным перемещением магнита. Здесь вполне уместно вспомнить охранную сигнализацию, где магнит укреплен на двери и заставляет срабатывать геркон, когда дверь закрыта.

Способ с угловым перемещением магнита используется намного реже, как правило, в тех случаях, когда другие способы применить по какой-либо причине невозможно.

Перекрытие магнитного поля шторкой использовалось в клавиатурах различных вычислительных устройств, вплоть до девяностых годов прошлого столетия, а может быть можно встретить где-нибудь и до сих пор.

Управление герконом при помощи катушки с постоянным током

Этот способ получил наибольшее распространение при создании герконовых реле. Конструкция этих реле достаточно проста: внутрь катушки с током просто помещается геркон, и при этом не требуется никаких дополнительных пружинок и рычагов, как у обычного реле. Единственный в этом случае недостаток это небольшое количество контактных групп.

Если катушку выполнить достаточно толстым проводом, способным пропустить большой ток, то можно получить герконовое токовое реле. Такие реле широко применялись в мощных источниках постоянного тока в качестве датчика системы защиты от перегрузок. Точная настройка уровня срабатывания такого датчика осуществляется резьбовым механизмом, позволяющем плавно перемещать геркон вдоль оси катушки.

Преимущества

Герконовые датчики обладают следующими преимуществами:

  1. Полная герметичность позволяет использовать их в пожароопасных помещениях и агрессивных средах.
  2. Моментальное срабатывание позволяет использовать их в устройствах с высокой коммутационной частотой.
  3. Исключение дребезга контактов у ртутных датчиков. Они применяются в оборудовании с повышенными требованиями к чистоте сигнала.
  4. Малые габариты от 4 мм, простота конструкции, низкая стоимость изготовления.
  5. Высокая функциональность и универсальность реле.
  6. Возможность коммутировать маломощные сигналы.
  7. Большой температурный диапазон работы — от -55 до + 110 ºC.
  8. Высокая прочность сердечников.
  9. Отсутствие поверхностей трения.

Высокая универсальность, надежность и цена по-прежнему позволяют герконам соперничать с прямыми конкурентами.

Достоинства и недостатки

Применение герконов, конечно же, не так широко распространено, как, например, электромеханических реле, но всё же, они не являются дефицитными деталями. Поэтому остро вопрос, где же взять геркон, среди радиолюбителей не стоит. К несомненным преимуществам размыкающих герконов, впрочем, как и замыкающих, относится:

  • высока надёжность — она превышает показатели обычных реле использующих открытые контакты почти в 100 раз;
  • быстродействие — скорость срабатывания по сравнению с электромеханическими реле может быть быстрее в два-три раза;
  • отсутствие шума;
  • гальваническая развязка — их последовательное подключение в линию позволяет создать электрическую развязку управляющих и коммутируемых цепей;
  • возможность коммутировать даже слабые по уровню сигналы;
  • небольшой размер;
  • долговечность — устройство способно совершить миллиарды включений, что обусловлено отсутствием трения;
  • способность их работать без источника электроэнергии.

Благодаря своим свойствам герконы нашли применение в разнообразных датчиках позиционирования, измерительных приборах (велосипедный спидометр), в автоматических подъёмниках, выключателях, ноутбуках (регистрируют открытие и закрытие крышки) и даже в компьютерных клавиатурах.

Но, несмотря на это, герконы также имеют недостатки. Главный из них — хрупкость, из-за неё приборы нельзя использовать в местах сильной вибрации. Кроме этого, в результате износа площадок контакты могут «залипать», а в случае больших токов (нагрева) самопроизвольно размыкаться.

Но, как видно, на фоне достоинств недостатки не так уж и велики. Очень часто, используя геркон, радиолюбители собирают собственную недорогую систему сигнализации или автоматический блок включения света.

Рекомендации по защите

Если подключается герконовый датчик своими руками, то нужно учесть следующие моменты:

  • Необходимо установить самую тонкую металлическую пластину. Её ставят между магнитом и герконовым датчиком для защиты.
  • Магнитные и герконовые датчики нужно устанавливать так, чтобы они были направлены друг к другу. Расстояние при этом должно быть коротким.

Перспективы

Пик развития герконов пришёлся на 1970-е годы. В настоящее время во многих приложениях они вытесняются твердотельными элементами — датчиками Холла. Отличие геркона от датчика Холла:

С начала 2000-х годов наблюдается тенденция к применению миниатюрных герконов (с длиной герметизирующего баллона менее 15 мм). В таких конструкциях повышается чувствительность, быстродействие, резонансная частота, снижается время дребезга, но уменьшаются электрическая прочность изоляции, верхние пределы коммутируемых токов и напряжений, а также сила контактного нажатия и, как следствие, появляется проблема увеличения переходного сопротивления и снижения его стабильности. По состоянию на 2008 год, самый миниатюрный и наиболее чувствительный геркон в мире — с длиной баллона 4,31 мм — серийно производился американской компанией Hermetic Switch Inc., на 2017 год — с длиной баллона 4,01 мм той же компании. Однако неизвестно, каков процент выхода годной продукции подобных изделий. В 2005 году японская фирма OKI сообщила об изготовлении образцов герконов с длиной баллона всего 2 мм, однако о возможностях их промышленного производства ничего не известно.

Примеры практического применения в быту

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

Схема управления освещением прихожей

Обозначения:

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

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

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

Простая домашняя сигнализация

Обозначения:

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

В качестве сирены используется звуковой оповещатель АС-10.

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

Литература

  • Гуревич В. И. Высоковольтные устройства автоматики на герконах. — Хайфа, 2000. — 368 с.
  • Гуревич В. И. Электрические реле: Устройство, принцип действия и применения. — М.: «Солон-Пресс», 2011. — (Компоненты и технологии). — ISBN 978-5-94074-712-3.
  • Гуревич В. И. Электрические реле: принцип действия и применение = Electric Relays: Principles and applications. — CRC Press, 2005. — 704 с. — (Electrical and Computer Engineering). — ISBN 9780849341885.
  • Gurevich V. Protection devices and systems for high-voltage applications. — N. Y.: Marcel Dekker, 2003. — 292 с.

Использование в охранных системах

Простая домашняя сигнализация

Особенность геркона, внедряемого в охранный комплекс – адаптированность к материалу основания. Такой прием исключает влияние магнитного поля конструкции на магнитное поле, нужное для срабатывания устройства.

Датчик работает по принципу магнитной защелки. Выключатель устанавливается на дверной короб, раму, а затем к нему подключается кабель. Открытый способ монтажа обеспечивает просматриваемость устройства, но повышает магнитное поле. Для скрытой установки подходят только чувствительные модификации, реагирующие на магнит. В противном случае существуют риски взлома.

Усиление защиты от несанкционированного проникновения

В стандартном исполнении геркон находится на раме, а магнит – на дверной или оконной створке. Закрытое положение конструкции обеспечивает максимальное приближение магнита к датчику. В момент открытия он удаляется, поэтому злоумышленники легко найдут места установки.

Для повышения защиты прибора используются:

  • Скрытый прибор. Замыкает сигнализационную цепь в момент открытия створки. Минус технологии – открытие створки при помощи дополнительного магнита.
  • Электрический магнит. Особенность электромагнитного замка с герконом – сложность подделки за счет случайной повторяемости сигналов. Защита также срабатывает при задержке импульса.

Для электромагнита нужно напряжение определенной длительности.

Ссылка на основную публикацию