Геркон
.jpg)
Герметизированный магнитоуправляемый контакт (герко́н) — элемент электрической цепи, изменяющий её состояние посредством механического замыкания или размыкания при воздействии управляющего магнитного поля на герметически изолированные от окружающей среды контакт-детали, совмещающие функции участков электрических и магнитных цепей[1]. Электромагнитное реле с герметизированным магнитоуправляемым контактом называется герконовое реле[2].
Конструктивно в герконе имеются упругие ферромагнитные контакты, впаянные в герметичную стеклянную колбу. Эти контакты совмещают функции токопровода, магнитопровода и пружины[3][4].
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 при отсутствии магнитного поля подвижный контакт за счёт упругости 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 геркон пригоден для использования в условиях повышенной запылённости, влажности, в агрессивных средах.
Конструкция
[править | править код]Герконы различаются по контактной группе:
- с нормально разомкнутым контактом (замыкает электрическую цепь при присутствии магнитного поля);
- с нормально замкнутым контактом (разрывает электрическую цепь при присутствии магнитного поля);
- с переключающимся контактом (при отсутствии магнитного поля замкнута одна пара выводов, при наличии — другая).
По конструктивным особенностям выделяют[5]:
- «сухие» герконы (колба заполнена осушённым воздухом или специальным газом);
- ртутные, или «смоченные» герконы (контактирующие поверхности смочены плёнкой жидкой ртути для уменьшения электрического сопротивления контакта и предотвращения дребезга).
Обычно колба геркона наполнена азотом или инертным газом. Для увеличения допустимого коммутируемого напряжения некоторые типы герконов вакуумируются. В качестве материала для контактных пластин обычно используются сталь и никель с покрытием контактирующих поверхностей более стойкого металла (родий, рутений). Критическим показателем качества и надёжности геркона является герметичность в месте соприкосновения стекла корпуса и металла проводников[6].
Параметры
[править | править код]- Магнитодвижущая сила срабатывания — значение напряжённости внешнего 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 контактами (в разомкнутом состоянии).
- Сопротивление контактного перехода — электрическое сопротивление контактов, которая образуется при замыкании контактов.
- Пробивное напряжение — напряжение, при котором происходит пробой геркона.
- Время срабатывания — время между моментом приложения управляющего магнитного поля и моментом первого замыкания электрической цепи герконом.
- Время отпускания — время между моментом снятия приложенного к геркону магнитного поля, и моментом 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.
- Рабочая температура окружающей среды.
Преимущества
[править | править код]- Долговечность герконов, обусловленная отсутствием трения между деталями (более 1012 коммутационных циклов, в среднем — 1010 срабатываний)[6]. Если контакты геркона находятся в вакууме или инертном газе, они слабо изнашиваются при возникновении искры в момент коммутации.
- Не требуют электрического питания 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 существенного повышения цены конечного изделия[6].
- Отсутствие вносимого шума и искажения сигнала[6].
- Высокое быстродействие по сравнению с электромеханическими реле[6].
- Высокое сопротивление изоляции между контактами (до 1015 Ом)[6].
- Удобство применения: изоляция контактов от влияния внешней среды (не требуют очистки), гальваническая развязка управляющих и коммутируемых цепей («сухой контакт»), отсутствие механической привязки к воздействующему элементу (постоянному магниту)[4].
Недостатки
[править | править код]- Дребезг контактов из-за их высокой упругости. Для компенсации дребезга применяются контакты, смоченные ртутью, либо в схему включаются демпфирующие фильтры)[4].
- Больший вес по сравнению с открытыми контактами.
- Восприимчивость к внешним магнитным полям (для защиты применяются магнитные экраны)[3][7].
- Хрупкость. Герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок.
- Ограниченная скорость срабатывания.
- Возможность самопроизвольного размыкания контактов геркона при больших токах[6][7].
В результате износа нормально разомкнутые контакты геркона могут «залипать» (не размыкаться при снятии магнитного поля). Существуют две основные причины такого явления[5]:
- 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 при работе на постоянном токе, когда на одном из них образуется острый выступ, а на другом — кратер.
- сваривание контактов при сильном токе.
Применение
[править | править код]
- Клавиатуры промышленных приборов и синтезаторов, до середины 1990-х годов применялись 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)[4].
- Тестовое и измерительное оборудование (например, в схемах электрических счётчиков[4], анемометров и велокомпьютеров).
- Медицинская и телекоммуникационная аппаратура[6].
- В качестве датчиков пантографов и токоприёмников троллейбусов с УАХ.
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[3][8].
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 магнитожёсткого материала с прямоугольной петлёй гистерезиса, обладающего достаточной собственной намагниченностью для удержания контакта в замкнутом состоянии. Возврат гезакона в исходное состояние осуществляется наложением магнитного поля с обратным направлением вектора напряжённости[3].
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 другие 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»[4][9].
История
[править | править код]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[5][10][11].
В конце 1940-х годов американская компания Western Electric начала использовать герконовые реле в телефонной станции своего центрального офиса[6].
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[12]. 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[13]. 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 электронных 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[10][14]. 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[15][16].
Перспективы
[править | править код] | Этот раздел не завершён. |
Расцвет 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 моделях 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.[17], на 2017 год — с длиной баллона 4,01 мм той же компании[18]. Однако неизвестен 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[17].
Примечания
[править | править код]- ↑ ГОСТ 17499-82 Контакты магнитоуправляемые. Термины и определения
- ↑ ГОСТ 16022-83 Реле электрические. Термины и определения
- ↑ 1 2 3 4 Повный А. В. Электромагнитные реле управления // «Я электрик!» : электронный журнал. — 2009. Архивировано 9 сентября 2016 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Евгений Маляр. Геркон: что это такое и как работает? «ФБ.ру» (8 августа 2014). Дата обращения: 23 июня 2016. (недоступная ссылка)
- ↑ 1 2 3 Гуревич В. И. Международный стандарт «Герконы (магнитоуправляемые герметизированные контакты). Часть 1. Общие технические условия» (IEC 62246-1 Ed. 2). Критический обзор // «Компоненты и технологии». — 2009. — № 2. — С. 12-17. Архивировано 4 апреля 2016 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Андрей Булычев. Герконовые реле Standex-Meder – преимущества «герметичной» коммутации // «Новости электроники». — 2013. — № 4. Архивировано 21 июня 2016 года.
- ↑ 1 2 Герконы и герконовые реле Архивная копия от 29 января 2009 на Wayback Machine / electricalschool.info.
- ↑ Родштейн Л. А. Электрические аппараты. — Л.: Энергоатомиздат, 1989. — 304 с. — ISBN 5-283-04389-4. Архивировано 3 июня 2016 года. Архивированная копия. Дата обращения: 23 июня 2016. Архивировано 3 июня 2016 года.
- ↑ Гуревич В. И., Савченко П. И. Геркотроны — новые устройства дистанционного управления высокопотенциальными цепями. — 1983. Архивировано 10 августа 2016 года.
- ↑ 1 2 Юбилейный доклад генерального директора ОАО «РЗМКП» А. В. Орлова «50 лет Рязанскому заводу металлокерамических приборов» Архивная копия от 29 мая 2014 на Wayback Machine (16 сентября 2013)
- ↑ Electromagnetic switch Архивная копия от 19 сентября 2016 на Wayback Machine (англ.) Патент US2264746 A
- ↑ Малащенко А. А. История создания и развития реле // «Электронные компоненты». — 2004. — № 9. Архивировано 2 апреля 2015 года.
- ↑ Анна Соснина. Рязанский завод металлокерамических приборов: правильно выбранная стратегия на рынке. Интервью директора РЗМКП С. М. Карабанова // «Компоненты и технологии». — 2003. — № 7. Архивировано 29 мая 2014 года.
- ↑ Орлов А. В. Полувековой юбилей Рязанского завода металлокерамических приборов. История создания и развития направления герконов // «Электронная промышленность». — 2013. — № 3. Архивировано 29 мая 2014 года.
- ↑ Заглянуть в будущее и сохранить право Архивная копия от 29 мая 2014 на Wayback Machine // Рязанские ведомости, № 90 (23.05.2012)
- ↑ Перед модернизацией Архивная копия от 29 мая 2014 на Wayback Machine // Рязанские ведомости, № 175 (20.09.2013)
- ↑ 1 2 Шоффа В. Н. Особенности проектирования и производства миниатюрных и субминиатюрных герконов. — В: «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе» : [арх. 23 апреля 2017] // Сборник трудов второй международной научно-практической конференции. Рязань, 1-3 октября 2008.
- ↑ HSA-12125 World's Smallest Surface Mount Reed Switch Архивная копия от 20 мая 2017 на Wayback Machine. HSI Sensing, Inc.
Литература
[править | править код]- 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.
