Геркон

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. Электромагнитное реле с герметизированным магнитоуправляемым контактом называется герконовое реле.

Геркон

Герконы и герконовое реле

Работа геркона

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 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

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:

• «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.

Параметры

• 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

• 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 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.
• 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 влияния внешней среды (не требуют очистки), 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 снятии 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 при работе на постоянном токе, когда на одном из них образуется острый выступ, а на другом — кратер.
• сваривание контактов при сильном токе.

Применение

Герсикон типа КМГ-12. Токоведущая цепь герсикона состоит из токоподводов 1 и 2, гибкой связи 3, подвижного контакта 4 и регулируемого неподвижного контакта 5. Электромагнитный узел состоит из сердечника 6, обмотки 7, полюсов 8, 9, набора ферромагнитных пластин 10 и упора 11. Пластины 10 крепятся к полюсу 8 с помощью винта 12. Коммутирующая часть аппарата находится внутри герметичного керамического корпуса 13, заполненного инертным газом. Нажатие контактов регулируется в процессе сборки путём изменения положения неподвижного контакта 5. После регулировки контакт 5 пропаивается.

• 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).
• Тестовое и измерительное оборудование (например, в схемах электрических счётчиков, анемометров и велокомпьютеров).
• Медицинская и телекоммуникационная аппаратура.
• 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.

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.

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».

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 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. 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

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., на 2017 год — с длиной баллона 4,01 мм той же компании. 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.

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.

Ссылки

• Герконовые реле в музее реле.