Наименее надежным узлом электромагнитного реле является контактная система. Существенным недостатком также является наличие трущих металлических деталей, износ которых приводит к снижению работоспособности реле.
Перечисленные недостатки привели к созданию герметических магнитно управляемых контактов, которые называются герконы.
Принцип действия герконов
Принцип действия герконов основан на использовании сил взаимодействия, возникающих в магнитном поле между ферромагнитными телами. При этом силы вызывают деформацию и перемещение ферромагнитных токопроводов электронов.
Магнитоуправляемый контакт (геркон) представляет собой электрический аппарат, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического размыкания или замыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы, совмещающие функции контактов, пружин и участков электрической и магнитной цепей.
Геркон был изобретен в 1936 году в Bell Telephone Laboratories.
Геркон состоит из двух ферромагнитных язычков, помещенных в герметичную стеклянную трубку. В состоянии покоя контакты разомкнуты и будут соединены между собой при приближении магнитного поля.
Ферромагнитный материал язычков усиливает напряженность приложенного магнитного поля, создавая, таким образом, два магнита, которые своими противоположными полюсами притягиваются и образуют проводящее соединение. После снятия магнитного поля язычки возвращаются в исходное отключенное положение.
Управляющее магнитное поле может создаваться постоянным магнитом или электромагнитной катушкой. Решение с постоянными магнитами используется, например, для обнаружения дверных открытий в системах безопасности зданий или в качестве бесконтактного датчика приближения.
Когда герконовый контакт управляется электромагнитным полем катушки, генерируется герконовое реле.
Переключающий геркон
Контакт переключающего язычка состоит из трех язычков, два из которых изготовлены из ферромагнитного материала, а один - из диамагнитного или парамагнитного материала.
В состоянии покоя язычок переключения соединен с диамагнитным язычком, который не усиливает магнитное поле. Когда магнитное поле приближается, поле в ферромагнитных язычках усиливается и впоследствии переключается. Когда поле перемещается, вкладка-переключатель возвращается в исходное положение.
Использование герконов в технике. Герконовое реле
В настоящее время на базе герконов создано большое количество герконовых реле, кнопок, тумблеров, переключателей, распределителей сигналов, датчиков, регуляторов, сигнализаторов и т. д.
Во многих отраслях техники для контроля положения подвижных деталей целессобразно использование герконовых датчиков, счетчиков готовой продукции.
Устройство простейшего герконового реле
Простейшее герконовое реле с замыкающими контактами состоит из двух контактных сердечников с высокой магнитной проницаемостью (пермаллой), размещенных в стеклянном герметичном баллоне, заполненном либо инертным газом, либо чистым азотом, либо сочетанием азота с водородом. Давление внутри баллона герконового реле 0.4?0.6*105 Па.
Инертная среда предотвращает окисление контактных сердечников. Стеклянный баллон герконового реле устанавливается внутри обмотки управления, питаемой постоянным током.
При подаче электрического тока в обмотку герконового реле возникает магнитное поле, которое проходит по контактным сердечникам через рабочий зазор зазор между ними и замыкается по воздуху вокруг катушки управления. Создаваемый при этом магнитный поток при прохождении через рабочий зазор образует тяговую электромагнитную силу, которая, преодолевая упругость контактных сердечников, соединяет их между собой.
Для создания минимального переходного сопротивления контактов, поверхности касания герконов покрывают золотом, радием, паладием или (на худой конец) серебром.
При отключении тока в обмотке электромагнита герконового реле сила исчезает, и под действием сил упругости контакты размыкаются.
В герконовых реле отсутствуют детали, подвергающиеся трению, а контакты сердечника многофункциональны, так как при этом выполняют одновременно функцию магнитопровода, пружины и токопровода.
Для уменьшения размеров намагничивающей катушки увеличивают допустимую плотность тока, используя для намотки теплостойкий эмалированный провод. Все детали изготавливаются штамповкой, а соединяются сваркой или пайкой. Для уменьшения зоны включенного состояния в герконах применяются магнитные экраны.
Пружины герконов не имеют предварительных натягов, поэтому включение их контактов происходит без периода трогания.
Если в герконах наряду с электромагнитом используется постоянный магнит, то герконы из нейтральных переходят в поляризованные.
В отличии от электромагнитных реле обычного типа, у которых контактное нажатие зависит от параметров контактных пружин, контактное нажатие герконовых реле зависит от МДС обмотки и увеличивается с ее ростом.
Герсиконы
Из-за технологической погрешности коэффициента возврата герконовые реле имеют большой разброс от 0,3 до 0,9. С целью увеличения коммутационного тока и номинальной мощности герконовые реле имеют дополнительные дугогасительные контакты. Такие реле называются герметичные силовые контакты или герсиконы. Промышленностью выпускаются герсиконы от 6,3 до 180 А. Частота включений в час достигает 1200.
С помощью герсиконов осуществляется пуск асинхронных двигателей мощностью до 3 кВт.
Герконовые реле на ферритах
Особый класс герконов – реле на ферритах, которые обладают свойством памяти. В таких реле для переключения в катушку необходимо подать импульс тока обратной полярности с целью размагничивания ферритного сердечника. Они называются герметизированные запоминающие контакты или гезаконы.
Достоинства герконовых реле
1. Полная герметизация контакта позволяет их использовать герконовые реле в различных условиях влажности, запыленности и т. д.
2. Простота конструкции, малая масса и габариты.
3. Высокое быстродействие, что позволяет использовать герконовые реле при высокой частоте коммутаций.
4. Высокая электрическая прочность межконтактного промежутка.
5. Гальваническая развязка коммутируемых цепей и цепей управления герконовых реле.
6. Расширенные функциональные области применения герконовых реле.
7. Надежная работа в широком диапазоне температур (-60?+120°С).
Недостатки герконовых реле
1. Низкая чувствительность у МДС управления герконовых реле.
2. Восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от внешних воздействий.
3. Хрупкий баллон герконовых реле, чувствительный к ударам.
4. Малая мощность коммутируемых цепей у герконов и герсиконов.
5. Возможность самопроизвольного размыкания контактов герконовых реле при больших токах.
6. Недопустимое замыкание и размыкание коатактов герконовых реле при питании переменным напряжением низкой частоты.
Герконовые реле, выпускаемые отечественными производителями
За десятилетие фактического простоя отечественной релейной промышленности рынок России заполнялся зарубежными герконовыми реле (преимущественно китайскими, тайваньскими, германскими), их использование стало привычным, их заложили в старые разработки и в то немногое, что сейчас появляется в системах автоматики, измерительной техники и т. п.
В основном герконовые реле конструктивно выполняются на базе геркона с обрезанными выводами, находящегося внутри обмотки управления, с герконом и катушкой, приваренными к выводам технологической рамки достаточно сложного контура, которые после опрессовки специальной пластмассой и вырубки перемычек на рамке образуют собственно реле (скажем, в стандартном корпусе DIP). Для защиты логической микросхемы от перенапряжений обмотка управления реле шунтируется демпфирующим диодом.
Извечная проблема поиска компромисса между двумя взаимоисключающими требованиями к таким реле — высокое контактное нажатие и чувствительность — здесь практически не решается из-за отсутствия обеспечения высокой магнитной проводимости для концентрации магнитного потока (создающего электромагнитную силу) в межконтактном зазоре геркона реле, то есть из-за невыполнения основного требования к конструкциям магнитной системы.
Обрезка выводов геркона, резко снижающая параметры магнитной системы таких реле, практически не компенсируется введением магнитных экранов (10–15 % выигрыша против потери 60–70 % чувствительности и, соответственно, мощности управления).
ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» (ОАО «РЗМКП»), разработав реле РГК-41и РГК-48, частично устраняющие указанные недостатки (в основном за счет подбора геркона), в настоящее время начал выпуск простых каркасных герконовых реле открытого типа РГК-49, РГК-50 и реле, по нашему мнению, следующего поколения — РГК-53, в котором сконцентрированы основные достоинства герконов и устранены недостатки их размещения в реле.
Герконовые реле РГК-53, управляемые логической микросхемой серии ТТЛ, коммутировали в электрическую цепь с активной нагрузкой в режиме 6 В — 10 мА без отказов вплоть до 10 млн циклов коммутации.
Герконовое реле РГК-53 будет незаменимо в аппаратуре, для которой особенно важны как габариты и масса реле, так и мощность, потребляемая управлением.
Эти герконовые реле имеют определенные преимущества по сравнению со своими аналогами, выпускаемыми фирмами Китая и Тайваня, хотя и изготавливаются на одних и тех же герконах (например, МКА14103 производства РЗМКП).
При едином производственно-технологическом цикле «геркон–реле» имеется возможность оперативного вмешательства в технологический процесс изготовления собственно геркона как по вопросам качества и надежности, так и для специального отбора «релейных» герконов по информативным параметрам, используемым при изготовлении герконов спецназначения.
Например, при подборе групп чувствительности для конкретного паспорта реле (практически не влияющего на внутризаводскую себестоимость конечного изделия) можно получить значительный выигрыш в габаритах (высоте) реле.