Принцип работы и технические характеристики герконовых датчиков

Принцип работы геркона

Для того, чтобы вызвать срабатывание контактной группы, необходимо вокруг геркона создать магнитное поле достаточной напряженности

При этом абсолютно не важно, как это поле будет создано, либо просто постоянным магнитом, либо электромагнитом. Силовые линии внешнего магнитного поля намагничивают внутренние контакты – сердечники геркона, в результате чего они преодолевают силы упругости, притягиваются и замыкают электрическую цепь

В таком состоянии контакты будут находиться до тех пор, пока вокруг них есть магнитное поле достаточной напряженности: достаточно выключить электромагнит или убрать подальше обычный постоянный магнит, как контакты сразу разомкнутся. Следующее срабатывание контактов произойдет, когда магнитное поле появится вновь. Из всего сказанного можно сделать вывод, что контакты выполняют сразу три функции: упругих элементов (пружин), магнитопровода, и собственно проводящих контактов.

Несколько по-иному действует геркон, работающий на размыкание. Его магнитная система устроена так, что при воздействии магнитного поля контакты – сердечники намагничиваются одноименно, поэтому отталкиваются друг от друга, размыкая электрическую цепь.

У переключающего геркона один из трех контактов, как правило, нормально — замкнутый выполняется из металла немагнитного, а оба нормально – разомкнутых контакта из ферромагнитного, как было сказано чуть выше. Поэтому при воздействии на геркон магнитного поля нормально разомкнутые контакты просто замыкаются, а немагнитный нормально – замкнутый, оставаясь на своем первоначальном месте, размыкается.

Примечание. Нормально – разомкнутый контакт, это который разомкнут при отсутствии управляющего воздействия, в данном случае магнитного поля. Соответственно нормально — замкнутый контакт замкнут при отсутствии магнитного поля.

Конечно, магнитное поле присутствует всегда, например магнитное поле Земли. И нельзя, вроде бы, сказать про отсутствие магнитного поля совсем. Но магнитное поле Земли для срабатывания геркона недостаточно, поэтому им можно пренебречь и сказать об отсутствии магнитного поля, в данном случае внешнего.

Герконы имеют ряд механических и электрических параметров, которые характеризуют их свойства. Эти параметры можно разделить на две большие группы: механические и электрические.

Механические параметры герконов

К механическим параметрам относится магнитодвижущая сила срабатывания. Этот параметр показывает, при каком значении напряженности магнитного поля происходит срабатывание и отпускание контакта. В технической документации это называется как магнитодвижущая сила срабатывания (обозначается Vср) и магнитодвижущая сила отпускания (обозначается Vотп).

Немаловажными параметрами геркона, в ряде случаев основными, является скорость его срабатывания и отпускания. Эти параметры измеряются обычно в миллисекундах и обозначаются соответственно как tср и tотп, которые в целом характеризуют быстродействие геркона. Герконы, имеющие меньшие геометрические размеры обладают более высоким быстродействием.

Максимальное число срабатываний, или попросту ресурс, также относится к группе механических параметров. Этот параметр оговаривает, при каком числе срабатываний все свойства геркона, как механические, так и электрические сохраняются в пределах допустимых значений. В технической документации обозначается как Nmax.

Электрические параметры герконов

Эти параметры такие же, как у обычных механических контактов. Сопротивление, измеренное между замкнутыми контактами называется сопротивлением контактного перехода и обозначается как Rк, а сопротивление, измеренное между разомкнутыми контактами есть не что иное, как сопротивление изоляции Rиз.

Электрическая прочность геркона. Этот параметр характеризует пробивное напряжение Uпр. Это напряжение в основном определяет качество изоляции между контактами, которое в свою очередь обусловлено качеством вакуума или заполнения колбы инертными газами. Кроме этого пробивное напряжение зависит от величины зазора между контактами и качества их покрытия.

Мощность, коммутируемая герконом определяется в основном его конструкцией: материалом и размерами контактов, а также типом покрытия контактных площадок. В технической документации этот параметр обозначается как Pmax.

Емкость, измеренная между разомкнутыми контактами обозначается как Cк. Она зависит лишь от геометрических размеров геркона и расстояния между разомкнутыми контактами.

Примеры практического применения в быту

Как и было обещано в начале статьи, приводим пару полезных схем, в которых используются герконы. Начнем с универсального управления освещением в прихожей. Принцип работы заключается в следующем: при открытии входной двери автоматически включается свет, и спустя несколько минут выключается. При достаточном уровне освещения, свет в прихожей не включается.

Схема управления освещением прихожей

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 68 кОм, R2 – 33 кОм, R3 – 470 кОм, R4 – 10 кОм, R5 – 27 кОм.
• Конденсаторы: С1 – 0,1 мкФ, С2 – 100 мкФ х 25 В, С3 – 470 мкФ х 25 В.
• Стабилитрон и диоды: VD1 – КС212Ж, VD2 и VD3 – КД522 (1N4148), VD4 – КД209 (1N4004).
• Транзисторы: VT1 и VT2 – ÌRF840.
• SG1 – любой обычный герконовый датчик, например, 59145-030.
• FR1 – фоторезистор, подойдет любого типа с сопротивлением на свету не ниже 8 кОм, в темноте – 120-180 кОм.
• Триггер D1 – К561ТМ2 (СD4013).

Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R1, для выбора оптимального времени задержки отключения освещения.

Теперь рассмотрим схему простой домашней сигнализации, где в также используется типовой герконовый датчик для двери.

Простая домашняя сигнализация

Обозначения:

• Резисторы: R1, R2 и R3 – 100 кОм, R4 – 33 кОм, R5 – 100 кОм, R6 – 1 кОм.
• Конденсаторы: С1 – 100 мкФ х 16 В, С2 – 50 мкФ х 16 В, С3 0,068 мкФ.
• Диоды и светодиод: VD1 и VD2 – КД522 (1Т4148), HL1 — АЛ307Б.
• Транзисторы: VT1 – КТ829, VT2 – К361.
• Микросхема: К561ЛА7.
• S1 – герконовый датчик 59145-030.

В качестве сирены используется звуковой оповещатель АС-10.

Питание схемы осуществляется от аккумулятора 12 В, емкостью 4 А*ч.

Принцип работы этого коммуникационного устройства, название которого расшифровывается как «герметичный контакт», можно объяснить следующим образом. Геркон – миниатюрная цилиндрическая стеклянная колбочка, в противоположные концы которой впаяны два контакта, обладающие ферромагнитными свойствами: подвижный и неподвижный. Колба либо вакуумирована, либо наполнена инертным газом, дабы продлить срок их службы. Если поднести к ней магнит, то подвижный контакт соприкоснется с неподвижным и цепь замкнется. При этом вы услышите характерный щелчок. Если магнит убрать — контактны вновь разомкнутся. Вместо постоянного магнита можно использовать и соленоид. Так работает нормально разомкнутый или замыкающий геркон — одна из самых популярных его разновидностей.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Принцип действия герконовых реле основан на свойстве некоторых ферромагнитных материалов менять свою ориентацию в пространстве под действием магнитного поля, а именно при возбуждении магнитного поля в катушке, подключенной к цепи управления, происходит намагничивание контактов геркона.

Вследствие этого происходит замыкание или размыкание контактной группы, находящейся в герметично запаянной колбе.

Большая распространенность и широкий спектр применения обуславливает значительные конструктивные отличия. Герконовые реле можно разделить на несколько групп по типу используемых контактов:

• устройства с нормально открытой (разомкнутой) контактной группой;
• с нормально закрытой (замкнутой) контактной группой;
• реле с комбинированной группой контактов, при чем коммутация может осуществляться как с помощью одного геркона с контактами разных типов, так и группой герконов.

По конструктивному исполнению реле герконовые коммутационные устройства также можно подразделить на:

Сухие — колба геркона заполнена инертным газом, также для увеличения допустимых токов контакты геркона могут помещаться в вакуум.

Смоченные — для предотвращения вибрации контактов на место их соприкосновения помещается некоторое количество ртути.

При проектировании цепей управления, содержащих герконовые реле или замене электромеханических реле на данный тип устройств следует обратить внимание на следующие характеристики:

1. Напряженность магнитного поля, вырабатываемого катушкой, при котором происходит коммутация контактов геркона.
2. Напряженность магнитного поля, при котором происходит обратная коммутация цепи.
3. Напряжение пробоя — значение напряжения при котором происходит пробой нормально открытой контактной группы геркона.
4. Время реакции — время между подачей сигнала на катушку и замыканием или размыканием контактов.
5. Период отпускания — время между снятием напряжения с катушки и возвращением контактов геркона в нормальное состояние.
6. Количество циклов коммутации — число замыкания и размыкания контактов при котором сохраняются заданные рабочие параметры устройства.
7. Коммутируемая мощность — максимально допустимая мощность, которую выдерживают контакты устройства без потери функционала.
8. Допустимое напряжение — максимально допустимое напряжение в управляемой цепи.
9. Допустимый уровень вибрации — при вибрации, превышающей допустимые производителем нормы возможно нарушение герметичности колбы геркона или самопроизвольное замыкание контактов.

Помимо факта появления паразитной емкости, возможно произвольное замыкание контактов геркона в наведенном магнитном поле, избежать несанкционированного срабатывания поможет дополнительная экранировка корпуса реле.

Различия по способу передачи света

Это – основные различия, по которым классифицируются дискретные оптические датчики. Различие – в способе “доставке” света на входной оптический элемент датчика.

Самый надежный –

С раздельным приемником и передатчиком

Такие датчики менеджеры по продажам называют барьерными, или с пересечением луча. Хотя, я это считаю некорректным – все дискретные датчики работают с пересечением луча каким-то барьером.

Оптический датчик типа передатчик-приемник с раздельными частями

Это самый надежный тип датчика в смысле дальности и помехоустойчивости. Во всех остальных датчиках передатчик и приемник излучения находятся в одном корпусе, а в этом могут быть разнесены на десятки метров.

То есть, передатчик установлен в одном месте, и к нему подведено питание. Он излучает, не выполняя больше никаких функций и не имея настроек. А приемник установлен на отдалении, и там может регулироваться чувствительность и другие параметры и функции.

Излучатель и приемник должны быть из одной пары (комплекта), хотя могут приобретаться отдельно. Передатчики и приемники разных фирм не подходят друг к другу (но это не точно).

Такие датчики на производстве применяются там где нужно контролировать большое расстояние. Также – в цепях безопасности, в охранных системах и там, где воздух может быть загрязнен (пыль, газ).

Отдельный вид таких датчиков – щелевые (вилкообразные). Они удобны тем, что хоть передатчик и приемник разнесены, но расположены фактически в одном корпусе.

Щелевые оптические датчики. Два датчики, одно кольцо с прорезями.

Когда в щель между излучателем и приемником попадает активатор (предмет), датчик срабатывает.

С рефлектором (рефлекторный)

Эти датчики совмещают источник (передатчик) и приемник излучения в одном корпусе.

Рефлекторный оптический датчик со световозвращателем

Свет отражается от рефлектора, и попадает обратно. Поэтому некоторые производители называют такие датчики ретрорефлекторными (обратное отражение).

Оптический датчик с отражением от рефлектора

Кстати, на фото видны переключатель Dark / Light On, регулятор чувствительности, и индикаторы стабильности и срабатывания.

А вот хорошее фото, видна оптика передатчика и приемника:

Датчик рефлекторный со стороны оптики, закреплен на кронштейне

Такой датчик – это обязательно система. Для примера – конвейер, и система датчик – отражатель контролирует прохождение заготовки:

Датчик рефлекторный по одну сторону конвейера

Рефлектор может также называться отражателем, световозвращателем или катафотом:

Рефлектор для оптического датчика с другой стороны конвейера

Максимальное рабочее расстояние, на котором обеспечивается стабильная работа – у разных моделей от 5 до 10 м. Теоретически можно и больше, но практически очень трудно обеспечить стабильную работу – малейшее смещение луча из-за вибрации или ослабление света из-за пыли, и всё.

Датчик загрязнен пылью, предельная дальность в этом случае падает примерно на 30%

Датчики рефлекторного типа на производстве используются чаще всего.

Диффузный

Этот тип датчика – с отражением от объекта.

Диффузный оптический датчик с отражением от объекта

У него самая малая дальность действия (до полуметра), зато есть важное свойство – при должной настройке он детектирует появление объектов в зоне действия. Ведь на каждую коробку или бутылку катафот не поставишь!. Объект может быть на оси действия датчика, на расстоянии

По мере приближения датчик, как пороговый элемент, срабатывает

Объект может быть на оси действия датчика, на расстоянии. По мере приближения датчик, как пороговый элемент, срабатывает.

В простейшем случае регулировка одна – чувствительность.

В крутых датчиках несколько кнопок или регуляторов, и его можно программировать и обучать:

Диффузный датчик с обучением и множеством настроек

Подключение герконового датчика

Документация, поставляемая в комплекте с датчиками, дает исчерпывающую информацию о том, как подключить геркон.

Для функционирования и безопасности датчика часть реле, генерирующая магнитное поле, монтируется на подвижную часть конструкции. Сам геркон крепится на стационарно установленный элемент конструкции или здания.

Подвижная часть плотно примыкает, воздействуя магнитным полем катушки на контактную сеть геркона и замыкая этим электрическую цепь. Датчик системы информирует о правильном функционировании системы. Как только катушка, расположенная на подвижной части, перестает воздействовать на датчик, сеть размыкается и автоматика сообщает о нарушении целостности системы.

По способу монтажа датчики бывают:

• скрытого крепления;
• наружного крепления.

В зависимости от физических свойств поверхности, на которой происходит подключение геркона, бывают:

• датчики для монтажа на стальных конструкциях;
• датчики, монтируемые на магнитопассивных конструкциях.

При монтаже герконового реле необходимо помнить о некоторых особенностях установки:

1. Рекомендуется избегать расположения вблизи источников ультразвука. Он в состоянии оказать негативное воздействие на параметры датчика.
2. Не допускать расположения рядом с источником постороннего магнитного поля.
3. Обезопасить колбу датчика от ударов и повреждений. В противном случае газ испарится, нарушится контакт, и сердечники быстро придут в негодность.

Герконовые переключатели не могут коммутировать большие токи в силу маломощности сердечников. Поэтому их нельзя использовать для включения и выключения мощных электрических устройств.

Их включают в маломощную коммутационную схему для контроля реле, которое осуществляет управление оборудованием.

Watch this video on YouTube

ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ГЕРКОНОВЫХ ДАТЧИКОВ

Рассматриваемые устройства широко применяются в системах охранной сигнализации для контроля открытия окон, дверей, люков.

Перечисленные выше особенности определяют правила их установки. При монтаже на металлических конструкциях следует учитывать ослабление воздействия магнита, входящего в комплект поставки. Для предотвращения таких моментов используют специальные исполнения датчиков.

С деревянными и пластиковыми дверями таких проблем не возникает, поэтому на первый план выходят вопросы миниатюризации и дизайна.

Существуют исполнения, имеющие габаритные размеры 13х7 мм (для магнита и геркона по отдельности). Как правило, чем меньше габариты, тем «слабее» датчик.

В приведенном примере рабочий зазор будет составлять порядка 15 мм. Но это по максимуму. Следует делать запас на внешние условия и то, что со временем поле магнита может ослабнуть.

Таким образом, при применение миниатюрных исполнений установку следует производить аккуратно и точно. Кроме того, качество дверей должно быть таким, чтобы исключить возможные люфты и перекосы в процессе эксплуатации.

Поскольку герконовые датчики открытия, а правильней – открывания, дверей применяются практически в любой системе сигнализации, исполнения их предусматривают множество вариантов установки, в том числе и скрытой.

Кстати, в системах сигнализации для них применяется другое название – магнитоконтактные извещатели.

Еще одна область применения магнитоуправляемых устройств – датчики уровня воды и других жидкостей. Конструкция их должна быть поплавковой. В поплавке устанавливается магнит, а на отметке требуемого уровня – геркон.

Очевидно, что возможна организация многоуровневого контроля жидкости, причем герконов может быть сколько угодно. Единственным ограничение является минимальное расстояние между ними.

Определяется это двумя моментами:

• геометрическими размерами корпуса;
• предотвращением одновременного срабатывания двух и более герконов.

Следует отметить удобство использования описываемых возможностей для определения положения автоматически открываемых (закрываемых) конструкций: ворот, шлюзов, шлагбаумов и пр. На таком принципе действуют некоторые концевые выключатели.

Подключение герконового датчика доступно даже начинающему: два вывода включаются в электрическую цепь устройства контроля и управления. Единственно что следует учесть – по какому событию будет формироваться управляющая команда: замыканию или размыканию контактов.

Простота, надежность и неприхотливость в обслуживании определяют широкое распространение магнитоконтактных датчиков, причем, здесь перечислены лишь наиболее популярные области применения. На практике их значительно больше.

  *  *  *

2014-2020 г.г. Все права защищены.Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Особенности конструкции

Герметичный контакт, которым по сути является этот элемент, получил свое название от сокращения описывающего его словосочетания. По своей конструкции – это просто контакт в корпусе из стекла. Но поскольку электротехника – это наука о контактах, плохое качество которых является причиной многих неисправностей, геркон сконструирован, как супер-контакт.

Две контактные пластины из магнитомягкого материала в области соприкосновения покрыты специальным образом другими металлами для получения большого срока службы при сохранении минимального сопротивления. Их окружает инертный газ (обычно азот) под давлением. Таким образом на многие годы обеспечиваются стабильные условия, позволяющие выполнять за время службы миллион или более срабатываний.

В зависимости от назначения датчика для срабатывания геркона используются магнитные поля. Это может быть поле постоянного магнита, перемещающегося, например, вместе с дверью или окном относительно рамы, на которой закреплен геркон. Но и электромагнитное поле катушки, через которую питается обмотка электродвигателя, также приведет к срабатыванию геркона, если ток будет определенной силы.

Магнитное поле намагничивает контакты геркона, делая их разноименными магнитными полюсами. И если напряженность этого поля достигает некоторой предельной величины, полюсы-контакты слипаются между собой. В таком состоянии они будут до тех пор, пока напряженность магнитного поля не уменьшится до определенной величины. После этого контакты возвращаются в исходное положение.

Плюсы и минусы

Любая конструкция помимо преимуществ не лишена недостатков. Зная сильные и слабые стороны устройства можно найти оптимальную сферу для его применения. Давайте рассмотрим, в чем заключается преимущества герметичных коммутаторов, к таковым свойствам можно отнести:

• Высокую надежность коммутации. Она практически на два порядка превышает этот показатель у открытых контактных групп. Это достигается за счет высокого сопротивления между разомкнутыми контактами (R ИЗ), оно может исчисляться десятками МОм. Немаловажную роль играет и показатель электрической прочности (U ПР), напряжение пробоя у некоторых моделей превышает 10 кВ.
• Быстродействие также является неоспоримым преимуществом. Частота коммутации многих моделей приближается к 1 кГц. Что касается параметров, описывающих скорость коммутации, то они находятся в следующих диапазонах: t cp – от 0,4 до 1,8 мс, t отп – от 0,25 до 0,9 мс, что намного превышает подобные характеристики открытых контактных групп.
• Долговечность, число срабатываний исчисляется миллиардами, ни одна открытая контактная группа даже близко не может приблизиться к этому рубежу.
• Данный тип коммутаторов нетребователен к согласованию с нагрузкой.
• Управление может производиться без использования электроэнергии.

Характерные недостатки:

• Низкие показатели коммутируемой мощности.
• Небольшое число контактов.
• Дребезг при срабатывании (конструкции «мокрого» типа избавлены от этого недостатка).
• Большие размеры для современной радиотехнической базы.
• Недостаточная прочность стеклянной колбы.
• Чувствительность к воздействию внешних магнитных полей.

Несмотря на явное преобладание положительных качеств, данные устройства постепенно вытесняются полупроводниковыми аналогами, такими как датчики Холла. Отсутствие дребезга, небольшие размеры и более высокая прочность сыграли решающую роль.

Недостатки

В некоторых случаях магнитное управление может играть отрицательную роль, ведь система становится чувствительна к паразитным магнитным явлениям. В таких случаях устройство приходится экранировать.

Другая положительная сторона — герметичность, оборачивается недостатком в виде хрупкости колбы. Герконы неустойчивы к сильным вибрациям.

Коммутация имеет конечную скорость, что довольно критично для быстродействующих устройств.

Порой встречается залипание контактов. Этому есть два объяснения: деформация контактов при пропускании через них постоянного тока, приводящая к тому, что они цепляются друг за друга (один разрушается — другой восстанавливается), и их взаимное притирание.

Условное обозначение герконов

• первый элемент — определяет условное наименование геркона. МК — магнитоуправляемый контакт герметизированный, КЭМ — контакт электромагнитный, КМГ — магнитоуправляемый контакт с повышенным контактным нажатием (для коммутации больших токов — более 5 А);
• второй элемент — указывает на систему коммутации геркона: А — замыкающий, В — размыкающий, С — перекидной, Д — переходной;
• третий элемент — буква «Р» присутствует только в ртутных герконах;
• четвертый элемент — двузначное число показывает длину баллона в миллиметрах;
• пятый элемент — указывает на функциональное назначение геркона: 1 — малой и средней мощности, 2 — повышенной мощности, 3 — мощные, 4 — высоковольтные, 5 — высокочастотные, 6 — «с памятью», 7 — специальные (с повышенной устойчивостью к внешним факторам и характеру нагрузки), 8 — измерительные.
• шестой элемент — указывает порядковый номер разработки.

По типу контактов различают герконы замыкающие и переключающие, по состоянию поверхности контактов — сухие и жидкостные. Внутри баллона сухих герконов находятся инертные газы. Контакты представляют собой ферромагнитные пружины, покрытые ценными металлами. Герконы подразделяются также на маломощные (коммутируемая мощность до 60 Вт) и повышенной мощности (до 1000 Вт), низкочастотные и высокочастотные, низковольтные (коммутируемое напряжение до 250 В) и высоковольтные (свыше 250 В), имеются герконы с «памятью» и специальные. Далее приводим справочные параметры отечественных герконов, а в конце статьи — импортных герконов-реле.