Геркон - рабочий, прикладные схемы

В этом посте мы подробно узнаем о работе герконового переключателя и о том, как сделать простые цепи герконового переключателя.

Что такое геркон

Герконовый переключатель, также называемый герконовым реле, представляет собой слаботочный магнитный переключатель со скрытой парой контактов, которые замыкаются и размыкаются в ответ на магнитное поле рядом с ним. Контакты скрыты внутри стеклянной трубки, а ее концы выходят за пределы стеклянной трубки для внешнего подключения.

А с учетом порядка миллиарда рабочих характеристик срок службы этих устройств также выглядит очень впечатляющим.

Кроме того, герконы дешевы и поэтому подходят для всех типов электрических и электронных устройств.

Когда был изобретен герконовый переключатель

Герконовый переключатель был изобретен еще в 1945 году. Д-р В. Ellwood , будучи сотрудником Western Electric Corporation в США. Изобретение кажется намного более продвинутым, чем тот период, когда оно было изобретено.

Его огромные преимущества в области применения оставались незамеченными инженерами-электронщиками до недавнего времени, когда герконы стали частью многих важнейших электронных и электрических устройств.

Как работают герконы

По сути, геркон - это магнитомеханическое реле. Точнее говоря, герконовый переключатель срабатывает, когда к нему прикладывается магнитная сила, что приводит к требуемому механическому переключающему действию.

Стандартный герконовый переключатель реле можно увидеть, как показано на рисунке выше. Он состоит из пары сплющенных ферромагнитных полосок (язычков), которые герметично запечатаны в крошечной стеклянной трубке.

Язычки прочно закреплены на обоих концах стеклянной трубки таким образом, что их свободные концы слегка перекрываются в центре с зазором примерно 0,1 мм.

В процессе герметизации воздух внутри трубки откачивается и заменяется сухим азотом. Это очень важно для обеспечения работы контактов в инертной атмосфере, которая помогает защитить контакты от коррозии, устранить сопротивление воздуха и продлить срок службы.

Как это устроено

Основы работы геркона можно понять из следующего пояснения.

Когда магнитное поле вводится рядом с герконом либо от постоянного магнита, либо от электромагнита, язычки, будучи ферромагнитными, превращаются в часть магнитного источника. Это приводит к тому, что концы язычков приобретают противоположную магнитную полярность.

Если магнитный поток достаточно силен, притяните язычки друг к другу до такой степени, которая превосходит их жесткость зажима, и их два конца устанавливают электрический контакт в центре стеклянной трубки.

Когда магнитное поле снимается, язычки теряют свою удерживающую способность, и полосы возвращаются в исходное положение.

Гистерезис язычкового переключателя

Как мы знаем, гистерезис это явление, при котором система не может активироваться и деактивироваться в определенной фиксированной точке.

Например, для 12 В электрическое реле , точка активации может быть 11 В, но ее точка отключения может быть где-то около 8,5 В, этот временной интервал между точками активации и деактивации известен как гистерезис.

Точно так же для герконового переключателя деактивация его язычков может потребовать, чтобы магнит был перемещен намного дальше от точки, в которой он был первоначально активирован.

Следующее изображение ясно объясняет ситуацию

Обычно герконовый переключатель замыкается, когда магнит перемещается на расстояние 1 дюйм от него, но может потребоваться перемещение магнита примерно на 3 дюйма из-за магнитного гистерезиса, чтобы контакты вернулись в исходную форму.

Коррекция эффекта гистерезиса герконового переключателя

Вышеуказанная проблема гистерезиса может быть уменьшена до некоторой степени путем простого введения другого магнита с перевернутыми полюсами N / S на противоположной стороне геркона, как показано ниже:

Убедитесь, что левый фиксированный магнит не находится в пределах диапазона втягивания язычкового переключателя, а находится на некотором расстоянии, в противном случае язычок останется закрытым и откроется только тогда, когда правый боковой магнит поднесен слишком близко к язычку.

Следовательно, расстояние до фиксированного магнита должно быть измерено методом проб и ошибок до тех пор, пока не будет достигнут правильный дифференциал, и язычок резко активизируется в фиксированной точке движущимся магнитом.

Создание язычкового переключателя нормально замкнутого типа

Из приведенных выше обсуждений мы знаем, что обычно контакты герконового переключателя являются «нормально разомкнутыми».

Язычки закрываются, если поднести магнит близко к корпусу устройства. Но могут быть определенные приложения, в которых может потребоваться, чтобы язычок был «нормально замкнутым» или включался, а также выключался при наличии магнитного поля.

Это может быть легко достигнуто либо смещением устройства с помощью дополняющего соседнего магнита, как показано ниже, либо с помощью геркона типа SPDT с 3 контактами, как показано на второй диаграмме ниже.

В большинстве систем, в которых геркон приводится в действие с помощью постоянного магнита, магнит устанавливается над подвижным элементом, а язычок устанавливается на неподвижной или постоянной платформе.

Однако вы можете найти несколько программ, в которых и магнит, и язычок должны быть расположены над фиксированной платформой. В таких случаях включение / выключение язычка достигается за счет искажения магнитного поля с помощью внешнего движущегося железа, как описано в следующем абзаце.

Реализация работы с фиксированным язычком / магнитом

В этой установке магнит и язычок держатся значительно близко друг к другу, что позволяет контактам язычка находиться в нормально замкнутом положении, и он размыкается, как только внешнее искажающее железо перемещается между язычком и магнитом.

С другой стороны, ту же концепцию можно применить для получения прямо противоположных результатов. Здесь магнит установлен в положение, достаточное для удержания язычка в нормально открытом положении.

Как только внешнее железосодержащее вещество перемещается между язычком и магнитом, магнитная сила усиливается и усиливается железосодержащим веществом, которое мгновенно втягивает геркон и активирует его.

Рабочие плоскости геркона

На следующем рисунке показаны различные линейные плоскости работы геркона. Если мы переместим магнит через любую из плоскостей a-a, b-b и c-c, язычок будет нормально работать. Однако выбор магнита может быть весьма важным, если режим работы находится в плоскости b-b.

Кроме того, вы можете обнаружить ложное или ложное срабатывание язычка из-за отрицательных пиков кривой диаграммы направленности поля магнита.

В ситуациях, когда отрицательные пики высоки, язычки могут включаться / выключаться несколько раз, когда магнит движется по всей длине язычка.

Активация язычка вращательным движением также может быть успешно реализована.

Для этого вы можете использовать одну из множества настроек, показанных ниже:

РИСУНОК А

РИСУНОК B

РИСУНОК C

Также можно использовать вращательное движение для срабатывания геркона. На рисунках A и B герконы установлены в фиксированном положении, в то время как магниты прикреплены к вращающемуся диску, который заставляет магниты перемещаться мимо герконового переключателя при каждом обороте, соответственно переключая герконы.

На рисунке C магнит и геркон являются стационарными, в то время как специально вырезанный кулачок магнитного экрана вращается между ними, так что кулачок попеременно разрезает магнитное поле при каждом вращении, заставляя язычок открываться и закрываться в той же последовательности

Вращательное движение также можно использовать для приведения в действие геркона. В A и B переключатели неподвижны, а магниты вращаются. В примерах C и D и переключатели, и магниты неподвижны, и переключатель срабатывает всякий раз, когда вырезанная часть магнитного экрана находится между магнитом и переключателем.

Частоту переключения можно отрегулировать от одной секунды до более 2000 в минуту, просто изменив скорость вращения диска.

Срок службы герконовых переключателей

Герконовые переключатели рассчитаны на чрезвычайно длительный срок службы, который может составлять от 100 миллионов до 1000 миллионов операций открытия / закрытия.

Однако это может быть верно только до тех пор, пока ток низкий. Если ток переключения через герконы превышает максимальное номинальное значение, то тот же геркон может выйти из строя в течение нескольких операций.

Обычно герконы рассчитаны на работу с током в диапазоне от 100 мА до 3 А в зависимости от размера устройства.

Максимально допустимое значение указано для чисто резистивных нагрузок. Если нагрузка является емкостной или индуктивной, в этом случае контакты геркона должны быть либо существенно снижены, либо на герконовых клеммах должна быть применена соответствующая демпферная защита и защита от обратной ЭДС, как показано ниже:

Дополнительная защита от индуктивных всплесков

Любой из вышеупомянутых четырех простых методов, используемых для включения защиты геркона от индуктивных или емкостных всплесков тока.

Для индуктивной нагрузки, такой как катушка реле с источником постоянного тока, простого шунта резистора, рассчитанного в 8 раз больше, чем у катушки реле, будет достаточно, чтобы защитить герконовое реле от обратных ЭДС катушки реле, как показано на рисунке A.

Хотя это может немного увеличить ток холостого хода в язычке, но это все равно не повредит язычку.

Эрсистор может быть заменен конденсатором также для включения аналогичной защиты, как показано на рисунке В.

Обычно применяется цепь защиты конденсатора резистора, как показано на рисунке C, в случае питания переменного тока. Резистор может быть 150 Ом и 1/4 Вт, а конденсатор может быть от 0,1 до 1 мкФ.

Этот метод оказался наиболее эффективным и позволил защитить язычок от включения пускателя двигателя более чем на миллион операций.

Значение R и C можно определить по следующей формуле

C = I ^ 2/10 мкФ и R = E / 10I (1 + 50 / E)

Где E - ток замкнутой цепи, а E - напряжение холостого хода сети.

На рисунке C мы можем видеть диод, подключенный через язычок. Эта защита хорошо работает в цепях постоянного тока с индуктивной нагрузкой, хотя полярность диода должна быть правильно реализована.

Сильноточный геркон

В приложениях, где требуется переключение сильнотоков с использованием геркона, схема симистора используется для переключения сильноточной нагрузки, а герконовый переключатель используется для управления переключением затвора симистора, как показано ниже.

Поскольку ток затвора значительно меньше тока нагрузки, геркон будет работать эффективно и позволит переключать симистор с большой токовой нагрузкой. Здесь можно использовать даже минутный геркон, и он будет работать без проблем.

Дополнительный 0,1 мкФ и 100 Ом RC - это демпферная цепь, предназначенная для защиты симистора от сильноточных индуктивных всплесков, если нагрузка является индуктивной.

Преимущества герконового переключателя

Большим преимуществом герконового переключателя является его способность работать очень эффективно при переключении малых значений токов и напряжений. Это может стать серьезной проблемой при использовании обычного переключателя. Это связано с отсутствием достаточного тока для устранения резистивного поверхностного слоя, обычно связанного со стандартными контактами переключателя.

Напротив, герконовый переключатель благодаря своим позолоченным контактным поверхностям и инертной атмосфере успешно работает более миллиарда операций без каких-либо проблем.

В одном из практических испытаний в лаборатории известной компании в США четыре геркона получали питание со 120 последовательностями включения / выключения в секунду через нагрузку, работающую с 500 мкВ и 100 мкА постоянного тока.

В ходе испытания каждый язычок смог выполнить 50 миллионов замыканий последовательно, и ни один из них не показал коммутируемое сопротивление выше 5 Ом.

Неисправности герконового переключателя

Несмотря на то, что геркон чрезвычайно эффективен, геркон может выйти из строя, если он работает при более высоких входных токах. Высокий ток вызывает эрозию контактов, что также часто наблюдается в обычных переключателях.

Эта эрозия приводит к тому, что крошечные частицы, которые также обладают магнитным действием, собираются возле зазора контактов и каким-то образом создают мостик через зазор. Это перекрытие зазора вызывает короткое замыкание, и язычки кажутся включенными постоянно.

Таким образом, на самом деле это происходит не из-за плавления контактов, а из-за короткого замыкания из-за скопления эродированных частиц, из-за которого язычковые контакты выглядят так, как будто они расплавились и сплавились.

Технические характеристики стандартного универсального геркона

• Максимальное напряжение = 150 В
• Максимальный ток = 2 ампера
• Максимальная мощность = 25 Вт
• Максимум. начальное сопротивление = 50 миллиом
• Максимум. сопротивление в конце срока службы = 2 Ом
• Пиковое напряжение пробоя = 500 В
• Частота замыкания = 400 Гц
• Сопротивление изоляции = 5000 миллиом
• Диапазон температур = от -55 градусов C до +150 градусов C
• Контактная емкость = 1,5 пФ
• Вибрация = 10G при 10-55 Гц
• Ударная нагрузка = 15 г мин.
• Срок службы при номинальной нагрузке = 5 x 10 ^ 6 операций
• Срок службы при нулевой нагрузке = 500 x 10 ^ 6 операций

Области применения

1. Индикатор уровня гидравлической тормозной жидкости, где осуществимость в основном зависит от простоты использования.
2. Подсчет близости , предлагая невероятно простой подход к записи прохождения железных объектов через заданную заранее заданную точку.
3. Переключение блокировки безопасности , предлагая исключительную стабильность и простоту использования приложений для сложных механизированных конструкций. Здесь встроенные герконовые переключатели используются для подключения цепи для включения предупредительной лампы или подсказки о следующих этапах работы.
4. Герметичное переключение в легковоспламеняющихся средах , исключает возможность возгорания также в запыленной атмосфере, где трудно полагаться на стандартные открытые выключатели, особенно в холодную погоду, когда обычные выключатели могут просто замерзнуть.
5. В радиоактивном окружении , где магнитная обработка помогает сохранить надежность защиты.

Некоторые другие схемы приложений, опубликованные на этом сайте

Поплавковый переключатель : Герконовые переключатели могут использоваться для эффективных контроллеров уровня воды с поплавковыми переключателями, устойчивыми к коррозии. Поскольку герконовые переключатели герметичны, контакт с водой исключается, и система работает бесконечно без каких-либо проблем.

Сигнал тревоги для пациента : В этой цепи используется геркон для активации сигнала тревоги, когда контейнер для капель, подключенный к пациенту, становится пустым. Сигнал тревоги позволяет медсестре немедленно узнать о ситуации и заменить пустую капельницу новой упаковкой.

Магнитная дверная сигнализация : В этом приложении герконовый переключатель активируется или деактивируется, когда соседний магнит перемещается при открытии или закрытии двери. Тревога предупреждает пользователя о работе двери.

Счетчик обмоток трансформатора : Здесь геркон приводится в действие магнитом, прикрепленным к вращающемуся колесу намотки, что позволяет счетчику получать тактовый сигнал для каждого поворота обмотки от активации язычка.

Контроллер открытия / закрытия ворот : Герконовые переключатели также отлично работают как твердотельные концевые переключатели. В этой схеме контроллера ворот герконовый переключатель ограничивает открытие или закрытие ворот, отключая двигатель всякий раз, когда ворота достигают своих максимальных пределов скольжения.