Геркон

Геркон — это электромеханическое устройство, представляющее собой герметизированный магнитоуправляемый контакт (от сокращения «герметичный контакт»). Предназначен для замыкания или размыкания электрической цепи под воздействием внешнего магнитного поля. Геркон состоит из двух (или более) ферромагнитных контактов, помещённых в запаянную стеклянную колбу с инертным газом или вакуумом. Основное преимущество геркона перед открытыми механическими контактами — полная герметизация, исключающая воздействие окружающей среды (пыли, влаги, агрессивных газов) и обеспечивающая высокую надёжность и долговечность.

История

Принцип магнитоуправляемого контакта был впервые описан в 1922 году профессором Ленинградского электротехнического института И. И. Алексеевым. Однако практическая реализация и промышленное производство герконов начались значительно позже. В 1936 году в США была запатентована конструкция геркона с использованием стеклянной колбы, но широкого распространения устройство не получило из-за технологических сложностей.

Настоящий прорыв произошёл в 1950-х годах, когда компания Bell Telephone Laboratories (США) разработала надёжные и миниатюрные герконы для использования в телефонных станциях. В СССР первые промышленные образцы герконов были созданы в 1960-х годах на предприятиях Министерства электронной промышленности. Массовое производство герконов в СССР началось в 1970-х годах на заводах в Риге, Киеве, Томске и других городах. К концу XX века герконы стали одним из самых распространённых типов коммутационных элементов в низковольтной технике.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Основными элементами геркона являются:

• Стеклянная колба — цилиндрическая оболочка из специального стекла (обычно боросиликатного), обеспечивающая герметизацию и электрическую изоляцию контактов от внешней среды.
• Ферромагнитные контакты — пружинные пластины (обычно из пермаллоя — сплава железа с никелем), покрытые тонким слоем благородного металла (золота, родия, палладия) для уменьшения переходного сопротивления и предотвращения коррозии.
• Инертный газ или вакуум — заполняет внутреннее пространство колбы, предотвращая окисление и искрообразование при размыкании контактов. Чаще всего используется азот, аргон или смесь газов.

Принцип работы

В нормальном состоянии (без внешнего магнитного поля) контакты геркона разомкнуты (нормально разомкнутый геркон) или замкнуты (нормально замкнутый геркон). При поднесении постоянного магнита или включении электромагнита магнитное поле намагничивает ферромагнитные контакты, которые притягиваются друг к другу (для нормально разомкнутого) или отталкиваются (для нормально замкнутого). При снятии магнитного поля контакты возвращаются в исходное положение за счёт упругости материала.

Классификация

Герконы классифицируются по нескольким признакам:

По типу контактов

• Нормально разомкнутые (замыкающие) — контакты разомкнуты в отсутствие магнитного поля, замыкаются при его воздействии. Самый распространённый тип.
• Нормально замкнутые (размыкающие) — контакты замкнуты в отсутствие магнитного поля, размыкаются при его воздействии.
• Переключающие — имеют три контакта: один общий, один нормально замкнутый и один нормально разомкнутый. Позволяют переключать цепи.

По мощности коммутации

• Слаботочные — рассчитаны на токи до 0,1 А и напряжения до 30 В. Используются в логических цепях, датчиках, системах управления.
• Средней мощности — коммутируют токи до 1 А и напряжения до 250 В. Применяются в бытовой технике, промышленной автоматике.
• Сильноточные — способны коммутировать токи до 5 А и напряжения до 1000 В. Используются в релейной защите, силовых цепях.

По конструктивному исполнению

• Сухие (с газовым заполнением) — наиболее распространённые.
• Ртутные (с каплей ртути) — имеют улучшенные характеристики по снижению дребезга контактов и увеличению ресурса, но содержат ртуть, что ограничивает их применение по экологическим соображениям.
• Вакуумные — имеют повышенную электрическую прочность и используются в высоковольтных цепях.

Характеристики

Основные технические характеристики герконов:

• Коммутируемое напряжение — от единиц вольт до нескольких киловольт (в зависимости от типа).
• Коммутируемый ток — от долей миллиампера до нескольких ампер.
• Сопротивление контактов в замкнутом состоянии — обычно 0,05–0,5 Ом.
• Сопротивление изоляции в разомкнутом состоянии — не менее 10^9 Ом.
• Время срабатывания — от 0,2 до 2 мс (в зависимости от конструкции и мощности).
• Время отпускания — от 0,1 до 1 мс.
• Ресурс — от 10^6 до 10^9 циклов срабатывания (для слаботочных герконов может достигать 10^10).
• Температурный диапазон — от -60 до +125 °C (для специальных исполнений до +200 °C).

Применение

Герконы нашли широкое применение в различных областях техники и электроники:

Промышленная автоматика и релейная защита

Герконы используются в качестве контактов в реле (герконовые реле), датчиках положения, концевых выключателях, датчиках уровня жидкости, датчиках открытия дверей и окон. Их высокая надёжность и долговечность делают их незаменимыми в системах автоматизации, где требуется большое количество циклов срабатывания без обслуживания.

Бытовая техника

В стиральных машинах, посудомоечных машинах, холодильниках, микроволновых печах герконы используются как датчики закрытия дверей, датчики уровня воды, датчики положения барабана. В сигнализациях (охранных, пожарных) герконы устанавливаются на окнах и дверях для контроля их открытия.

Телекоммуникации

В телефонных станциях и коммутаторах герконовые реле обеспечивали коммутацию телефонных линий. В настоящее время в цифровых системах они вытеснены электронными ключами, но в аналоговых и специализированных системах всё ещё применяются.

Медицинская техника

Герконы используются в медицинских приборах (например, в тонометрах, инфузионных насосах) для коммутации цепей с низким напряжением, где требуется высокая надёжность и безопасность.

Автомобильная электроника

В автомобилях герконы применяются в датчиках уровня топлива, датчиках положения педалей, датчиках открытия дверей, а также в системах управления двигателем (например, в датчиках положения коленвала).

Измерительная техника

Герконы используются в измерительных приборах (например, в магнитометрах, датчиках перемещения) для преобразования магнитного поля в электрический сигнал.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Герметичность — полная изоляция контактов от внешней среды, что исключает коррозию, загрязнение и окисление.
• Высокая надёжность — ресурс герконов может достигать миллиардов циклов срабатывания.
• Малые габариты — герконы могут быть миниатюрными (длина колбы от 5 мм, диаметр от 2 мм).
• Высокое быстродействие — время срабатывания составляет доли миллисекунды.
• Низкое переходное сопротивление — обеспечивает малые потери в замкнутом состоянии.
• Отсутствие дребезга контактов (в ртутных герконах) — важно для цифровых схем.

Недостатки

• Чувствительность к вибрациям и ударам — при сильных механических воздействиях возможны ложные срабатывания.
• Ограниченная коммутируемая мощность — герконы не предназначены для коммутации больших токов и напряжений (выше нескольких ампер и киловольт).
• Хрупкость стеклянной колбы — требует осторожного обращения при монтаже и эксплуатации.
• Влияние внешних магнитных полей — может вызывать ложные срабатывания, требуется экранирование.
• Дребезг контактов (в сухих герконах) — при замыкании контакты могут несколько раз отскакивать друг от друга, что создаёт помехи в цифровых цепях.

Интересные факты

• Самый маленький геркон в мире (серия MK-2) имеет длину колбы 5 мм и диаметр 2 мм, что позволяет использовать его в миниатюрных датчиках.
• В СССР герконы производились на заводах «Электрон» (Рига), «Квант» (Киев), «Томский завод полупроводниковых приборов» и других предприятиях. Некоторые модели (например, КЭМ-1, КЭМ-2) до сих пор используются в промышленности.
• Герконы с ртутным заполнением (например, серия 101-1) обеспечивают практически нулевой дребезг контактов и используются в высокоточных измерительных приборах.
• В 2010-х годах появились герконы с гибкими выводами, что упрощает их монтаж на печатные платы.
• Герконы используются в некоторых моделях велосипедных спидо-метров и датчиков каденса (частоты вращения педалей).

Источники

• Алексеев И. И. «Магнитоуправляемые контакты (герконы)». — М.: Энергия, 1972.
• Дмитриев В. А., Козлов А. В. «Герконы и герконовые реле». — Л.: Энергоатомиздат, 1985.
• ГОСТ 20465-87 «Герконы. Общие технические условия».
• Каталог продукции завода «Электрон» (Рига), 1985.
• «Справочник по электротехническим материалам» / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1987.