3. Использование переключателей на герконах в мехатронике и робототехнике

Геркон (ГЕРметичный КОНтакт) представляет собой стеклянный баллон 1 (рис. 1) с впаянными с противоположных сторон металлическими электродами 2, между которыми оставлен рабочий зазор 3. Внешние выводы 4 электродов служат для присоединения их к электрической цепи. В зависимости от мощности коммутируемой цепи длина стеклянного баллона составляет 8…80 мм, а его диаметр – 3…10 мм; выводы обычно имеют длину 8…20 мм.

Материал, из которого изготавливаются электроды, должен обладать пружинными свойствами, иметь хорошую электропроводность, быть магнитномягким и иметь примерно одинаковый со стеклом коэффициент температурного расширения. Для улучшения условий искрогашения баллон заполняется газом (азот, водород, пары ртути) или в нем создается разрежение /1, 2/. Управление герконами осуществляется магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами или катушкой с током. Под воздействием внешнего магнитного поля металлические электроды намагничиваются, на концах электродов, обращенных друг к другу, образуются притягивающиеся друг к другу противоположные магнитные полюса, контакты замыкаются. При уменьшении напряженности магнитного поля усилие притяжения электродов друг к другу ослабевает, а, поскольку они изготовлены из магнитномягкого материала (не имеющего остаточной намагниченности), под воздействием упругих сил электроды возвращаются в исходное состояние и контакты размыкаются. Для повышения эрозионной стойкости соприкасающиеся поверхности электродов покрыты чаще всего золотом или родием.

Герконы завоевали прочное положение в технике для коммутации низких и средних нагрузок, они широко используются и для создания различных реле, логических модулей, коммутаторов, кнопок, переключателей, конечных выключателей, датчиков линейного перемещения, поворота, уровня и т. п.

Герметичные магнитоуправляемые контакты совмещают в себе преимущества обычных (открытых) контактов и полупроводниковых переключателей и занимают по своим характеристикам промежуточное положение.

Основными достоинствами герконов являются:

• большой срок службы (10⁷-10¹⁰ коммутаций) при высокой надежности;

• высокое быстродействие (0,5-2 мс);

• малое и стабильное значение электрического сопротивления в замкнутом состоянии (0,02-0,3 Ом);

• малая мощность управления (50-150 мВт);

• высокое значение сопротивления электрической изоляции ≥ 10⁹-10¹² Ом);

• большая механическая устойчивость (выдерживают удары до 150 g, вибрации – до 20 g);

• большой диапазон рабочих температур (-60…+150°С);

• отсутствие гальванической связи между цепями управления и нагрузки;

• отсутствие механической связи с воздействующими органами;

• невысокая стоимость;

• стойкость к кратковременным перегрузкам.

К недостаткам герконов следует отнести:

• малые коммутируемые токи;

• малое число контактных групп в одном баллоне;

• возможность дребезга контактов при замыкании (у контактов, не смачиваемых ртутью);

• высокий уровень создаваемых электромагнитных помех (если не используются специальные искрогасящие цепи и экранирование);

• малое значение пробивного напряжения между контактами (до 400-600 В);

• подверженность воздействию внешних магнитных полей;

• хрупкость стеклянного баллона.

По характеру коммутации герконы могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими. В поляризованных переключающих герконах две контактные пружины выполняются из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, поэтому они запоминают последнее управляющее воздействие (аналог триггера).

Магнитный поток Ф_ср срабатывания геркона является основной характеристикой, необходимой для оценки их чувствительности и расчета управляющего воздействия при проектировании герконового преобразователя. Значение этого потока зависит от конкретной конструкции магнитной системы, в которую помещен геркон; кроме того, герконы одного типоразмера могут иметь разброс значений этого потока более 50%. Тяговое усилие F_т, замыкающее контакты геркона, определяется как

F_т=Ф²/2μ₀S [Н],

где Ф – магнитный поток в рабочем зазоре между контактами геркона, Вб; S – площадь поперечного сечения рабочего зазора, м²; μ₀=4π·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная.

Для повышения чувствительности геркона к управляющему магнитному потоку используются цилиндрические магнитномягкие наконечники, располагающиеся у торцов стеклянного баллона геркона и снижающие сопротивление управляющей магнитной цепи. Управляющее герконами магнитное поле может быть создано не только постоянным магнитом, но и катушкой с током (один или несколько герконов размещаются внутри катушки). При этом в качестве основного параметра геркона используется намагничивающая сила срабатывания (в Амперах), определяемая как произведение количества витков катушки w на величину тока I в ее обмотке, при котором происходит замыкание контактов геркона. Этот способ управления используется главным образом в герконовых реле. В герконовых преобразователях положения используется перемещение постоянного магнита или магнитномягкого якоря (закрепленных на подвижном исполнительном органе) относительно геркона. Наиболее распространенные способы управления герконами с помощью постоянных магнитов представлены на рис. 2. Чаще всего используется линейное перемещение постоянного магнита вдоль (рис. 2а) или поперек (рис.2б) оси геркона. На рис. 2а также показана кривая изменения напряженности магнитного поля, создаваемого магнитом внутри геркона. Здесь обозначены: Н_ср и Н_отп – напряженности поля срабатывания и отпускания геркона. Отношение k= Н_отп/Н_ср называют коэффициентом возврата. На рис. 2в показан способ управления герконом путем вращения постоянного магнита. Поскольку герконы нечувствительны к полярности магнитного потока, то за один оборот магнита вокруг своей оси происходит два срабатывания и два отпускания геркона. На рис. 2г показано управление герконом путем введения магнитномягкой пластины в промежуток между герконом и постоянным магнитом. Поток магнита замыкается через пластину и значительно уменьшается в рабочем зазоре геркона, что вызывает размыкание контактов геркона.