» » Геркон

Геркон

18.12.2020


Геркон (акроним от «герметизированный контакт») — электромеханическое коммутационное устройство, изменяющее состояние подключённой электрической цепи при воздействии магнитного поля от постоянного магнита или внешнего электромагнита, например, соленоида.

Конструктивно в герконе имеются упругие ферромагнитные контакты, впаянные в герметичную стеклянную колбу. Эти контакты совмещают функции токопровода, магнитопровода и пружины.

При достижении внешним магнитным полем определённого порогового значения, упругие контакты геркона «слипаются», замыкая электрическую цепь. При снятии внешнего поля за счет упругости контактов происходит размыкание цепи.

Существуют герконы с «перекидным» контактом. В этих устройствах в отсутствии магнитного поля подвижный элемент контактирует с неферромагнитным контактом, при превышении магнитного поля свыше порогового происходит переключение — замыкание с ферромагнитным контактом.

Герконы используются как датчики положения, концевые выключатели и т. д. Контакты в герконе изолированы от вредного влияния внешней среды обычно стеклянным герметизированным корпусом, поэтому пригоден для использования в условиях повышенной запылённости, влажности, в агрессивных средах.

Геркон и конструктивно объединённый с ним электромагнит принято называть герконовое реле.

Конструкция

Герконы различаются по контактной группе:

  • с нормально разомкнутым контактом (замыкает электрическую цепь в присутствии магнитного поля);
  • с нормально замкнутым контактом (разрывает электрическую цепь в присутствии магнитного поля);
  • с переключающимся контактом (при отсутствии магнитного поля замкнута одна пара выводов, при наличии — другая).

По конструктивным особенностям выделяют:

  • «сухие» герконы (колба заполнена осушенным воздухом или специальным газом);
  • ртутные, или «смоченные» герконы (контактирующие поверхности смочены каплей ртути для уменьшения электрического сопротивления контакта и предотвращения дребезга).

Обычно колба геркона содержит азот или аналогичный инертный газ. Для увеличения допустимого коммутируемого напряжения некоторые типы герконов вакуумируются. В качестве материала для контактных пластин обычно используются сталь и никель с напылением из более стойкого металла (родий, рутений) в местах контакта. Критическим показателем качества и надёжности геркона является герметичность в месте соприкосновения стекла корпуса и металла проводников.

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.

Преимущества

  • Долговечность герконов, обусловленная отсутствием трения между деталями (более 1012 коммутационных циклов, в среднем — 1010 срабатываний). Если контакты геркона находятся в вакууме или инертном газе, они слабо обгорают при возникновении искры в момент коммутации.
  • Не нужно электрическое питание, в отличие от датчика Холла.
  • Меньший размер по сравнению с классическим реле, рассчитанным на такой же ток.
  • Способность коммутировать сигналы очень малой мощности (порядка нВ или фА) без значительного повышения цены конечного изделия.
  • Отсутствие вносимого шума и искажения сигнала.
  • Высокое быстродействие по сравнению с электромеханическими реле.
  • Высокое сопротивление изоляции между контактами (до 1015 Ом).
  • Удобство применения: изоляция контактов от внешней среды (нет необходимости беспокоиться об их чистоте), гальваническая развязка управляющих и коммутируемых цепей («сухой контакт»), отсутствие механической привязки к воздействующему элементу (постоянному магниту).

Недостатки

  • Дребезг контактов из-за их высокой упругости (для компенсации дребезга применяются контакты, смоченные ртутью, либо в схему включаются демпфирующие фильтры).
  • Больший вес по сравнению с открытыми контактами.
  • Восприимчивость к внешним магнитным полям (для защиты применяются магнитные экраны).
  • Хрупкость. Герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок.
  • Ограниченная скорость срабатывания.
  • Возможность самопроизвольного размыкания контактов геркона при больших токах.

В результате износа нормально разомкнутые контакты геркона могут «залипать» (не размыкаться при выводе из магнитного поля). Существуют две основные причины такого явления:

  • магнитострикционный эффект, когда после многократных срабатываний происходит притирание контактирующих поверхностей и удержание их в замкнутом положении под действием молекулярных сил;
  • механическое защемление контактов из-за их электрической эрозии на постоянном токе, когда на одном из них образуется острый выступ, а на другом — кратер.

Применение

  • Клавиатуры промышленных приборов и синтезаторов, до середины 1990-х годов — в клавиатурах компьютеров.
  • Системы автоматики и безопасности (например, датчики открытия двери, позиционирования кабины лифта, верхней крышки ноутбука).
  • Подводное оборудование (фонари для дайвинга и подводной охоты).
  • Тестовое и измерительное оборудование (например, в схемах электрических счётчиков и велокомпьютеров).
  • Медицинская и телекоммуникационная аппаратура.

Для коммутации силовых электрических цепей предназначен герсикон (герметичный силовой контакт) — герконовое реле с увеличенным коммутационным током и дополнительными дугогасительными контактами. Герсиконы используют в цепях как переменного, так и постоянного тока для управления элементами сильноточной промышленной автоматики и электродвигателями с мощностью до 3 кВт. Выпускаются герсиконы на ток до 180 А с быстродействием до 1200 включений в час.

Гезакон (герметизированный запоминающий контакт) — герконовое реле, обладающее свойством памяти. Отличительной особенностью гезакона является возможность сохранения состояния (вкл/выкл) после снятия управляющего магнитного поля. Это происходит за счёт того, что подвижная часть пружины-контакта изготовлена из магнитного материала с прямоугольной петлёй гистерезиса, обладающего достаточной намагниченностью для удержания контакта в замкнутом состоянии. Для возврата гезакона в исходное состояние необходимо подать в его катушку размагничивающий импульс тока обратной полярности.

Особая область применения герконов — устройства для передачи дискретных сигналов управления и защиты от перегрузок по току высоковольтных электро- и радиотехнических установок, таких как мощные лазеры, радары, радиопередающие устройства, электрофизические установки и др. виды аппаратуры, работающей под напряжениями 10—100 кВ. Специально для этих видов аппаратуры В. И. Гуревичем разработаны герконовые реле с высоковольтной изоляцией, так называемые «геркотроны» или «высоковольтные изолирующие интерфейсы».

История

В 1922 году профессором Петербургского университета В. И. Коваленковым было изобретено реле с магнитоуправляемыми контактами (авторское свидетельство СССР № 466). В 1936 году независимо двумя учёными — профессором Ленинградского электротехнического университета С. К. Улитовским и инженером американской компании Bell Telephone Laboratories Уолтером Эллвудом (англ. Walter B. Ellwood) — магнитоуправляемые контакты было предложено поместить в герметичную оболочку. Однако из-за невостребованности и технологической сложности производства это изобретение не сразу стало широко известным и было запатентовано только в 1941 году в США.

В конце 1940-х годов американская компания Western Electric начала использовать герконовые реле в телефонной станции своего центрального офиса.

В 1958 году в ленинградском НИИ проводной связи (НИИ-56) были созданы первые образцы советских герконов, а в 1959 году в НИИ городской и сельской телефонной связи (НИИТС) — опытные образцы герконовых реле. Необходимость серийного производства герконов в СССР возникла в 1960-х годах в связи с массовой телефонизацией страны, широким распространением АТС и другого высокоточного оборудования, необходимого для их функционирования. В прогнозах научно-исследовательских институтов Министерства связи СССР было обосновано использование герконов в качестве коммутирующих элементов и сервисных реле матричных полей АТС. Такие выводы подтверждались развитием производства герконов для этих целей в США, начиная с середины 1950-х годов. Промышленное производство советских герконов и герконовых реле было начато на ленинградском заводе «Красная заря». 25 ноября 1966 года Приказом Министра электронной промышленности СССР № 161С было предписано организовать специализированное производство герконов Рязанскому металлокерамическому заводу, созданному в 1963 году для производства сверхвысокочастотных металлокерамических электронных ламп. За счёт снижения плановых заданий по выпуску ламп на заводе освобождены производственные мощности, годовой выпуск герконов предписывалось довести к 1975 году до 25 млн штук. К началу 1990-х годов объём производства вырос до 230 млн штук, что составляло примерно четверть мирового рынка. В настоящее время ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» остаётся единственным в России и странах СНГ производителем герконов. В 2013 году завод занимал 15 % мирового рынка герконов, за 45 лет им было выпущено 3,5 млрд единиц продукции.

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:

  • геркон механически замыкает (или размыкает) электрическую цепь при определённом изменении напряжённости магнитного поля;
  • датчик Холла — это полупроводниковое устройство, через которое во время работы протекает электрический ток и возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная напряжённости магнитного поля.

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.