Геркон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Геркон
Герконы и герконовое реле
Работа геркона

Герко́н (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[1][2].

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.

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

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[3]:

  • «сухие» герконы (колба заполнена осушенным 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[4].

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.

Преимущества[править | править код]

  • Долговечность герконов, обусловленная отсутствием трения между деталями (более 1012 коммутационных циклов, в среднем — 1010 срабатываний)[4]. Если контакты геркона находятся в вакууме или инертном газе, они слабо изнашиваются при возникновении искры в момент коммутации.
  • Не требуют 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 существенного повышения цены конечного изделия[4].
  • Отсутствие вносимого шума и искажения сигнала[4].
  • Высокое быстродействие по сравнению с электромеханическими реле[4].
  • Высокое сопротивление изоляции между контактами (до 1015 Ом)[4].
  • Удобство применения: изоляция контактов от влияния внешней среды (нет требуют очистки), гальваническая развязка управляющих и коммутируемых цепей («сухой контакт»), отсутствие механической привязки к воздействующему элементу (постоянному магниту)[2].

Недостатки[править | править код]

  • Дребезг контактов из-за их высокой упругости. Для компенсации дребезга применяются контакты, смоченные ртутью, либо в схему включаются демпфирующие фильтры)[2].
  • Больший вес по сравнению с открытыми контактами.
  • Восприимчивость к внешним магнитным полям (для защиты применяются магнитные экраны)[1][5].
  • Хрупкость. Герконы нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударных нагрузок.
  • Ограниченная скорость срабатывания.
  • Возможность самопроизвольного размыкания контактов геркона при больших токах[4][5].

В результате износа нормально разомкнутые контакты геркона могут «залипать» (не размыкаться при снятии магнитного поля). Существуют две основные причины такого явления[3]:

  • 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 сильным токе.

Применение[править | править код]

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.

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[1][6].

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[1].

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»[2][7].

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[3][8][9].

В конце 1940-х годов американская компания Western Electric начала использовать герконовые реле в телефонной станции своего центрального офиса[4].

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[10]. 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[11]. 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[8][12]. 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[13][14].

Перспективы[править | править код]

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:

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.[15], на 2017 год — с длиной баллона 4,01 мм той же компании[16]. 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[15].

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 4 Повный А. В. Электромагнитные реле управления // «Я электрик!» : электронный журнал. — 2009. Архивировано 9 сентября 2016 года.
  2. 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)
  3. 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.
  4. 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.
  5. 1 2 Герконы и герконовые реле Архивная копия от 29 января 2009 на Wayback Machine / electricalschool.info.
  6. Родштейн Л. А. Электрические аппараты. — Л.: Энергоатомиздат, 1989. — 304 с. — ISBN 5-283-04389-4. Архивная копия от 3 июня 2016 на Wayback Machine Архивированная копия. Дата обращения: 23 июня 2016. Архивировано из оригинала 3 июня 2016 года.
  7. Гуревич В. И., Савченко П. И. Геркотроны — новые устройства дистанционного управления высокопотенциальными цепями. — 1983. Архивировано 10 августа 2016 года.
  8. 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)
  9. Electromagnetic switch Архивная копия от 19 сентября 2016 на Wayback Machine (англ.) Патент US2264746 A
  10. Малащенко А. А. История создания и развития реле // «Электронные компоненты». — 2004. — № 9. Архивировано 2 апреля 2015 года.
  11. 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.
  12. Орлов А. В. Полувековой юбилей Рязанского завода металлокерамических приборов. История создания и развития направления герконов // «Электронная промышленность». — 2013. — № 3. Архивировано 29 мая 2014 года.
  13. Заглянуть в будущее и сохранить право Архивная копия от 29 мая 2014 на Wayback Machine // Рязанские ведомости, № 90 (23.05.2012)
  14. Перед модернизацией Архивная копия от 29 мая 2014 на Wayback Machine // Рязанские ведомости, № 175 (20.09.2013)
  15. 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.
  16. 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.

Ссылки[править | править код]