Что такое геркон и как он работает

Содержание

Важной задачей в совершенствовании электроаппаратуры является развитие способов предохрания области контактов от загрязнений, влаги, и нежелательных механических воздействий. В результате в середине прошлого столетия были разработаны магнитоуправляемые «герметичные контакты» — герконы. Также их называют «герметизированные контакты» (герметизация достигается за счет помещения контактной группы в полностью герметичную стеклянную колбу).

Контакты в данном случае представляют собой магнитные сердечники, их внутренние срезы впаяны в торцы стеклянной колбы, а наружные подключаются к внешней электроцепи. Внутри колбы создается практически вакуум посредством откачки воздуха, или же колба заполняется каким-либо инертным газом.

Герконы в зависимости от устройства контактной группы бывает следующих типов:

Нормально-разомкнутые , когда действует магнитное поле — контакты замыкаются, когда воздействие поля прекращается, контакты размыкаются,
Нормально-замкнутые, наоборот, когда действует магнитное поле — контакты разомкнуты, когда воздействие поля прекращается, контакты замыкаются,
Переключающие, в этом типе герконов , помимо двух контактов есть еще и третий контакт, на который геркон переключается, когда магнитное поле на него действует,
Также по технологическому исполнению герконы делятся на сухие и ртутные.

В сухих в колбах либо вакуум, либо газ, а в ртутных имеется малое количество ртути, что позволяет значительно уменьшить переходное сопротивление и вибрацию контактов в моменты коммутации, что улучшает качество контакта в целом и продлевает срок службы геркона.

Срабатывание происходит при воздействии магнитного поля, обладающего достаточной напряженностью для возникновении коммутации. Такое поле может быть создано простым магнитом или электромагнитом. По прекращении воздействия контактная группа возвращается к исходному положению.

Устройство детали

Датчик геркон выглядит как небольшая стеклянная трубочка из зеленого полупрозрачного стекла. С двух сторон имеются проволочные выводы. Они позволяют припаять деталь к плате или подсоединить к ней провода. Существуют и трехконтактные модели.

Внутри стеклянной трубочки есть полость с безвоздушной средой. В полости находятся контакты, которые подключены к выводам прибора, находящимся снаружи. Такая деталь не имеет полупроводников. Поэтому она может работать на переменном токе.

Герконы довольно разнообразны по размерам. Небольшие модели имеют длину 10-15 мм. Более крупные бывают размером с ладонь.

Это интересно! Существует тенденция к уменьшению габаритных размеров герконов. В 2017 году американская компания «Hermetic Switch Inc» выпустила в серийное производство деталь с длиной трубки 4,01 мм. Достижения в этой области есть и у японских производителей. Компания «OKI» в 2005 году заявила о выпуске опытного образца с длиной колбы 2 мм. Однако широкого распространения данные детали пока что не получили.

Виды контактов

Герконы имеют схожую с другими видами реле классификацию. С точки зрения состояния контактов, существуют следующие модели:

ЧТО ТАКОЕ ГЕРКОН И КАК ЕГО ПРОВЕРИТЬ [РадиолюбительTV 94]

С нормально замкнутыми контактами. Если поднести магнит, выводы прибора размыкаются.
С нормально разомкнутыми контактами. Если поднести магнит, выводы замкнутся.
С переключающимися контактами. Если магнит рядом, замкнута одна группа выводов. Если магнит убрать, первая группа сработает на размыкание, но замкнется вторая.

По устройству контактов герконы делятся на 2 вида:

С сухими контактами. Выполнены из твердого металла.
Со смоченными контактами. Внутри имеется капля ртути. Она уменьшает переходное сопротивление прибора и исключает дребезг контактов.

С точки зрения внутренней среды существует 2 типа приборов:

Внутри трубки находится инертный газ (обычно азот).
Внутри создана вакуумированная среда. Такой герконовый выключатель применяют в схемах с высоким напряжением, включая 220 вольт и выше.

Особенности работы герконов и их применение в системе управления

В качестве представления возможностей применения герконовых датчиков рассмотрим одну из конфигураций системы управления насосной станцией, где датчиками наполнения резервуара будут служить герконовые датчики уровня. Опишем принципы функционирования подобной системы, работу герконовых датчиков в алгоритме её управления, схему подключения датчиков, и подберем необходимое оборудование.

В состав комплексной системы управления насосной станцией входит следующее автоматизируемое электрооборудование:

Насосный агрегат с электродвигателем;
Электропривод насоса ввиде преобразователя частоты (ПЧ);
Герконовые датчики уровня жидкости (нормально разомкнутые):

датчик уровня 1 (защитный, обеспечивает защиту насоса от “сухого хода”);
датчик уровня 2 (датчик нижнего уровня воды для включения/отключения насоса);
датчик уровня 3 (датчик верхнего уровня воды для увеличения производительности насоса);
датчик уровня 4 (аварийный, обеспечивает защиту системы от переполнения);

Обобщенно, функционирование насосной станции предполагает, чаще всего, автоматический режим работы. В таком режиме система работает в заданном алгоритме управления насосным оборудованием. Сигналами, которые отвечают за запуск, регулирование и остановку насосов, являются сигналы с герконовых датчиков уровня. В данной системе будет 4 датчика уровня жидкости, контакты которых (нормально-разомкнутые) заведены в цепь 24В постоянного тока и которые коммутируют эти сигналы управления в ПЛК после срабатывания герконового датчика. Сигналы поступают на дискретные входы ПЛК, и далее ПЛК в рамках своего алгоритма работы управляет насосами посредством преобразователя частоты, запуская насосы в работу и задавая им необходимую производительность. Непосредственно подключение герконовых датчиков к ПЛК рассмотрим чуть позже.

Комплексная схема системы управления насосной станцией

Теперь более подробно остановимся на этапах функционирования такой системы управления.

В исходном состоянии система находится в режиме ожидания. Насосные агрегаты станции отключены, клапан подачи воды открыт, вода поступает в накопительный резервуар, осуществляется связь с рабочим местом оператора (АРМ).

Далее оператор оценивает состояние системы и дает команду в систему управления об откачке воды из резервуара, если оборудование в порядке, либо, если система показала неисправность оборудования, направляет ремонтную бригаду на осмотр насосного комплекса.

Подбор оборудования насосной станции

Характеристики и свойства оборудования насосных станций различаются в зависимости от объемов перекачиваемой жидкости и индивидуальных требований по техническому оснащению и автоматизации комплекса. Поэтому, при выборе электрооборудования следует учесть особенности автоматизируемого комплекса.

О выборе приводного устройства (преобразователя частоты) для подобных применений в составе насосной станции мы рассказывали в одной из наших прошлых статей.

В нашей текущей статье для системы управления подберём необходимые герконовые датчики уровня жидкости и программируемый логический контроллер (ПЛК).

Выбор датчика уровня

Для насосных комплексов, где сточные воды достаточно однородны, подходящим вариантом будут герконовые датчики уровня, как самые экономичные и неприхотливые в эксплуатации. Подобные датчики автономны и подойдут для большинства систем управления. Для своих нужд можем выбрать датчики FCH21PDD05X, которые применяются для сигнализации уровня жидкостей и растворов, совместимых с материалом датчика PP – полипропилен, при температуре от -20°С до +80°С.

Когда магнитное поле постоянного магнита внутри поплавкового механизма действует на контакты герконового датчика, контакты геркона замыкаются, подавая сигнал в ПЛК. Когда действие магнитного поля прекращается, контакты геркона размыкаются, снимая сигнал с ПЛК.

Выбор программируемого логического контроллера

В качестве логического контроллера нам подойдет промышленный ПЛК с набором стандартных дискретных входов и выходов и возможностью организации связи по сетям RS-485 и Ethernet.

Для своих нужд подберем базовый модуль DVPSV DVP28SV11R2 с 16 входными и 12 выходными дискретными сигналами, портами Ethernet и RS-485.

В качестве блока для питания ПЛК и подключения коммутационных цепей герконовых датчиков, выберем блок DVPPS02 с выходным током 2А и напряжением 24В постоянного тока.

На основе выбранного ПЛК рассмотрим схему подключения герконового датчика к дискретному входу ПЛК.

У данного ПЛК Delta дискретные входы являются оптоизолированными и позволяют протекать току в обоих направлениях. В связи с этим, существует два способа подключения входов контроллера – по PNP или NPN логике в пределах одной общей точки (S/S). PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN (от слова “Negative”) – отрицательный.

При подключении по логике PNP к общей точке ПЛК S/S подводится «минус» источника питания, а на выходе герконовых датчиков коммутируется «плюс».
При подключении по логике NPN к общей точке S/S подводится «плюс» источника питания датчиков, а на выходе герконовых датчиков коммутируется «минус».

Срабатывание входа контроллера происходит при замыкании токовой цепи:

	При логике PNP: «плюс» источника питания – геркон – входная клемма контроллера Xn – общая точка S/S – «минус» источника питания. Данная схема получила название «Истоковой» (англ. SOURCE).
	При логике NPN: «плюс» источника питания – общая точка S/S – входная клемма контроллера Xn – геркон – «минус» источника питания. Данная схема получила название «Стоковой» (по англ. SINK).

Что такое геркон?

Поговорим мы в этой статье про герконы, слово геркон расшифровывается как: герметичный магнитоуправляемый контакт. Геркон представляет собой небольшую вытянутую колбу с откачанным воздухом, внутри которого содержится пара гибких металлических ферромагнитных контактов. Контакты по длине перекрываются, но находятся на небольшом расстоянии друг от друга, этих контактов может быть несколько, на разные включения (замыкание или размыкание). При поднесении магнита к геркону контакты замыкаются (или размыкаются). Герконы могут использоваться в датчиках (например датчик скорости на велосипеде), выключателях и пр… Раньше герконы использовались в реле, поверх геркона наматывалась катушка в несколько сотен витков (сопротивление обмотки может достигать 500-1500 Ом) и при подаче напряжения контакты геркона замыкались, сейчас реле с герконами редко где используются. Достоинства герконовых реле:
Полная герметизация контакта позволяет их использовать герконовые реле в различных условиях влажности, запыленности и т. д.
Высокое быстродействие, что позволяет использовать герконовые реле при высокой частоте коммутаций.
Гальваническая развязка коммутируемых цепей и цепей управления герконовых реле.6. Расширенные функциональные области применения герконовых реле.
Надежная работа в широком диапазоне температур Недостатки герконовых реле:
Восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от внешних воздействий.
Хрупкий корпус герконов, чувствительный к ударам.
Малая мощность коммутируемых цепей у герконов.
Возможность самопроизвольного размыкания контактов герконовых реле при больших токах. Герконы на схемах обозначаются следующим образом: Особенности и преимущества герконов:
Как уже говорил, контакты геркона находятся в вакууме или в инертном газе и как следствие при работе они слабо обгорают, даже если при замыкании или размыкании между контактами возникает искра.
Герконы достаточно долговечные, если не бить геркон и не пропускать очень большие токи, то срок службы геркона бесконечен.
Герконы в работе почти бесшумны, слышно только цоканье контактов.
Относительно высокое быстродействие. Недостатки герконов:
Герконы очень хрупкие, корпус герконов как правило изготовлен из хрупкого стекла, следовательно их нельзя использовать в условиях сильных вибраций и ударов.
Для их срабатывания нужно создать или приложить магнитное поле.
Иногда контакты герконов залипают, такое происходит после прохождения больших токов и проскакивания искры при срабатывании контактов, такой геркон необходимо заменить, герконы в основном служат для коммутации небольших токов. Ниже на рисунке Вы можете увидеть фотографию геркона с обгоревшими контактами.

Как уже говорилось, чаще всего герконы применяются в системах охранной сигнализации, ставят их на дверь, окна… при открывании двери мимо геркона проходит магнит (который расположен на двери) и замыкает геркон. Можно сделать включение какого либо устройства при поднесении магнита к геркону, например включение компьютера, или сделать так чтобы двигатель скутера заводился только после того как поднесут к датчику магнит, ставить в качестве датчиков контроля положения, сделать так чтобы при поднятии какого либо предмета сработала сирена, или прикрепить геркон на колесо велосипеда для контроля скорости, давайте рассмотрим такую схему ниже! Батарейку можно использовать и на 1.5 вольт, все зависит от типа прибора индикатора, который вы будете использовать, номинал резистора R1 подбирается экспериментально так, чтобы при максимальной скорости стрелка прибора была почти на максимуме. Конденсатор С1 задает время спада стрелки прибора. Геркон крепится на вилке велосипеда, а магнит на спицу колеса. Расстояние от геркона до магнита должно быть минимальным. При вращении колеса магнит периодически будет проходить мимо геркона и замыкать его контакты.

Принцип работы геркона

Давайте рассмотрим поближе этот самый геркон через наш USB микроскоп. В обычном состоянии железные пластинки геркона, как вы видите, не замкнуты.

Но стоит нам только преподнести магнит, как они сразу же замыкаются. В данном случае я использовал магнит от динамика мобильного телефона.

Как проверить геркон

Все вы, наверное, помните статью как проверить предохранитель мультиметром. Так вот, геркон проверяется почти таким же способом. Берем наш мультиметр, ставим крутилку на прозвонку и цепляемся щупами за выводы геркона. Так как он в исходном состоянии разомкнут, следовательно, мультиметр нам покажет обрыв.

Теперь берем магнит. В нашем случае это динамик. Как вы знаете, в его основе лежит тороидальный магнит. С помощью этого тороидального магнита мы создаем магнитное поле для геркона.

Я ХЗ но их бы взял — ne555. Три пятерки, лучше чем три шестерки.

Как только мы подносим магнит к геркону, его контакты замыкаются, и мультиметр нам покажет почти нулевое сопротивление.

Отсюда делаем вывод, что наш подопечный жив и здоров.

Если есть большое желание, на Али можно приобрести любые виды стеклянных герконов.

1 Назначение, принцип действия и устройство геркона; физическиеявления в электрическом аппарате

Назначение геркона. Герконы — это реле с герметичными магнитоуправляемыми контактами. Они широко используются в схемах автоматики и зашиты как логические элементы, преобразователи неэлектрических величин в электрические, как электромеханические усилители сигналов между полупроводниковыми устройствами и силовыми электрическими аппаратами.

Принцип действия и устройство геркона. Простейшее герконовое реле (ГР) с замыкающими контактами изображено на рисунке 4.2.1, а.

Рис. 38. Простейшее герконовое реле с симметричным замыкающим контактом

Контактные .сердечники (КС) 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (пермаллоя) и ввариваются в стеклянный герметичный баллон 3. Валлон заполнен инертным газом — чистым азотом или азотом с небольшой (около 3%) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона составляет (О, 4-5-0, 6) -10 5 Па. Инертная среда предотвращает окисление КС. Баллон устанавливается в обмотке управления 4. При подаче тока в обмотку возникает магнитный поток Ф, который проходит по КС 1 и 2 через рабочий зазор 8 между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4. Упрощенная картина магнитного поля показана на рисунке 39. Поток Ф при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу Рэ, которая преодолевая упругость КС, соединяет их между собой. Для улучшения контактирования поверхности касания покрываются тонким слоем (2-50 мкм) золота, родия, серебра и др.

Рис. 39. Упрощенная картина магнитного поля геркона управляемого обмоткой с током

При отключении обмотки магнитный поток и электромагнитная сила спадают и под действием сил упругости КС размыкаются. Т. о, в ГР отсутствуют детали, подверженные трению (места крепления якоря в электромагнитных реле) , а КС одновременно выполняют функции магнитопровода, токопровода и пружины.

В связи с тем, что контакты в герконе управляются магнитным полем, герконы называют магнитоуправляемыми контактами.

На основе герконов могут быть созданы также реле с размыкающими и переключающими контактами.

Рис. 40. Переключающие герконы

В герконе с переключающими контактами (Рис. 40, а) неподвижные КС 1, 3 и подвижные 2 размещены в баллоне 4. При появлении сильного магнитного поля КС2 притягивается к КС1 и размыкается с КСЗ. Один из КС переключающего геркона (например 2) может быть вполне из немагнитного материала (рис. 40,б).

Герконовое реле (рис. 40,в) имеет два подвижных КС 1, 2, два неподвижных КС 5, 6 и две обмотки управления 7, 8. При согласном включении обмоток замыкаются КС 1 и 2. При встречном включении обмоток КС1 замыкается с КС5, а КС2 с КС6. При отсутствии тока в обмотках все КС разомкнуты. ГР (рис. 40,г) имеет переключающий контакт 3 сферической формы. При согласном включении обмоток 7 и 8, контакт 3 притягивается к КС1 и КС2 и замыкает их. После отключения обмоток 7 и 8 при согласном включении обмоток 9 и 10 контакт 3 замыкает КС5 и КС6.

Т.к. КС герконов выполняют функции возвратной пружины, то им придают определенные упругие свойства. Упругость КС обуславливает возможность их вибрации («дребезга») после удара, который сопутствует срабатыванию. Длительность такой вибрации достигает 0,25 мс при общем времени срабатывания 0,5-1,0 мс. Одним из способов устранения влияния вибрации является использование

Рис. 41. Ртутные герконы

В переключающем герконе (рис. 41, а) внутри подвижного КС имеется капиллярный канал, по которому из нижней части баллона 4 поднимается ртуть 5. Ртуть смачивает поверхности касания КС1 с КС2 или КСЗ. В момент удара контактов при срабатывании возникает их вибрация. Из-за ртутной пленки на контактной поверхности КС1 вибрация не приводит к разрыву цепи. В конструкции на рис. 41,б между КС2 и КСЗ и ртутью 5 находится ферромагнитная изоляционная жидкость 6. При возникновении магнитного поля ферромагнитная жидкость 6 перемещается вниз, в положение при котором поток будет наибольшим. Ртуть вытесняется вверх и замыкает контакты КС2 и КСЗ.

Следует отметить, что жидкометаллический контакт позволяет уменьшить переходное сопротивление и значительно увеличить коммутируемый ток. Наличие ртути удлиняет процесс разрыва контактов, что увеличивает время отключения реле.

Управление герконом можно осуществлять и с помощью постоянного магнита. Если постоянный магнит установлен в близи геркона, его магнитный поток замыкается через КС, которые в результате этого находятся в замкнутом состоянии. Использование постоянного магнита совместно с управляющей катушкой позволяет создать ГР с размыкающим контактом.

Преимущества

Герконовые датчики обладают следующими преимуществами:

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

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

Недостатки

Как и все устройства, герконы обладают и недостатками:

Низкая чувствительность магнитов.
Высокая восприимчивость к внешним магнитным потокам. Как следствие, может потребоваться использование дополнительных экранов.
Иногда контакты после снятия магнитного поля могут остаться в замкнутом положении, из которого их не вывести.
Капсула выполнена из тонкого стекла и легко разрушается при падениях и ударах.
При подаче напряжения с низкой частотой контакты самопроизвольно размыкают и замыкают цепь.
При подаче больших токов контакты сердечников могут самопроизвольно размыкаться.

По этим причинам при использовании реле необходимо соблюдать ряд ограничительных мер, указанных в сопроводительной документации.