Изучение конструкции миниатюрного замыкающего магнитоуправляемого герметизированного контакта (геркона) МКА-10100

Введение

 

Герконы, по совокупности присущих им технических характеристик, к настоящему времени остаются одними из перспективных элементов коммутационной техники. Во многих случаях, особенно при коммутации «сухих» и маломощных цепей (токи до 10-9 А, а напряжение до 10-6 В), им практически нет альтернативы.

Не снижающиеся объемы производства герконов в мире связаны с рядом неоспоримых достоинств герконов:

• герметичность обеспечивает безопасную работу во взрывоопасных и пожароопасных помещениях, контакты защищены от химически активных сред и пыли;
• долговечность, срок службы герконов до 15 лет, количество срабатываний до 108;
• стабильные электрические характеристики в широком диапазоне температур (от -60 до +155оС);
• устойчивость к высоким механическим нагрузкам;
• малая мощность управления, работоспособность от магнитного поля постоянного магнита или магнитного поля катушки;
• быстродействие;
• низкое контактное сопротивление в замкнутом состоянии и высокое (более 109 Ом) в разомкнутом, обеспечивают полную развязку в электрических цепях;
• малые габариты и вес.

Достоинства и простота конструкции герконов, позволяют применять их в качестве контактных пар всевозможных реле, концевых выключателей, тумблеров, кнопок клавиатуры, датчиков положения, скорости и ускорения, индикаторов перемещения и распределения сигналов, преобразователей неэлектронных величин в электрические аналоги, элементов высокочастотных и измерительных систем в следующих областях:

• космическая, ракетная, авиационная техника, включая:
1. панели управления космических станций;
2. системы жизнеобеспечения космонавтов;
3. системы противоракетной обороны;
4. системы блокировки и сигнализации;
5. бесконтактные концевые выключатели;
• морская техника и радиотехника, включая:
1. плавающие устройства обнаружения подводных лодок (буи);
2. устройства самонаведения торпед подводных лодок;
3. приемопередающие устройства и антенные тракты;
4. спутниковые системы связи;
5. релейная и телефонная техника;
6. автомобильная техника;
7. охранно-пожарная сигнализация;
8. бытовая техника, игрушки.

Объем выпуска герконов в мире составляет более 800 млн шт. в год. Основными производителями являются фирмы OKI (Япония), Halin (США), Philips (Нидерланды), Gunther (Германия).

В России и странах СНГ единственным производителем герконов является ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов» (ОАО «РЗМКП»), занимая серьезное место по объемам продаж среди ведущих производителей в мире. Потребность рынка России и стран СНГ удовлетворяется почти полностью герконами производства ОАО «РЗМКП». Потребность внешнего рынка в герконах сегодня имеет дифицин от 90 до 100 млн шт. в год.

ОАО «РЗМКП» выпускаются герконы различного назначения:

• по габаритам стеклобаллона от 10 до 50 мм длиной и диаметром от 2,1 до 5,6 мм;
• по величине коммутируемого сигнала от нескольких микроампер до десяти ампер;
• по напряжению от единиц милливольт до 5 киловольт;
• по ресурсу в зависимости от коммутируемой мощности от 106 до 108 и более контактно-коммутаций.

Распад СССР повлек за собой нарушение хозяйственных связей, резкое уменьшение потребности в герконах на внутреннем рынке и падение объемов производства.

В 1992 году завод получил возможность самостоятельного выхода на внешний рынок и в настоящий момент производство герконов имеет ярко выраженную экспортную ориентацию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Изучение конструкции  миниатюрного замыкающего магнитоуправляемого герметизированного контакта (геркона) МКА-10100

 

Магнитоуправляемые герметизированные контакты с ферромагнитными пружинами – герконы – получили широкое распространение в технике: они все больше используются в квазиэлектронных автоматических телефонных станциях, в автоматике, телемеханике, вычислительной технике, измерительных приборах.

Наиболее распространенный геркон (рис. 1а, б) представляет собой два частично расплющенных отрезка пермаллоевой проволоки диаметром 0,6 – 1,3 мм, которых часть контактирующих поверхностей покрыта слоем благородного металла, например, золотом, родием, палладием или сплавами на основе золота. Две проволоки – пружины завариваются в стеклянную трубку – баллон так, чтобы между их контактирующими поверхностями образовался небольшой зазор. При изготовлении геркона в баллон вводят какой-либо защитный газ, например, азот, аргон, водород, азотно-водородную смесь.

При воздействии на геркон магнитного поля достаточной напряженности, создаваемого электромагнитной катушкой, электромагнитом или постоянным магнитом, магнитные силовые линии, проходящие через пружины и зазор между ними, стремятся сократиться, вследствие чего пружины несколько деформируются, притягиваются друг к другу и замыкаются. При уменьшении напряженности магнитного поля до определенной величины пружины под воздействием упругих сил возвращаются в исходное положение и размыкают  контакт. Один или несколько герконов, помещенных в  электромагнитную катушку, образуют очень простое герконовое реле на  замыкание (рис. 1в).

В отличие от обычных якорных реле, где для перемещения якоря требуются значительные механические усилия, в герконовых реле механическое движение сведено к минимуму и заключается в упругом смещении конца пружины на расстояние от нескольких десятков до сотен микрон. В герконовых реле пружины (контакт-детали)  выполняют функции нескольких деталей — сердечника, якоря и  пружин, имеющихся в обычных якорных реле и являются частями как магнитной, так и электрической цепей.

Предложенный Элвудом геркон в течение ряда лет довольно ограниченно применялся в технике, интерес к нему  инженеры-телефонисты начали проявлять в середине пятидесятых годов, когда выяснилось, что полупроводниковые приборы, на которые  возлагались большие надежды, во многих случаях не могут заменить металлические контакты. Началась исследовательская работа по созданию автоматических телефонных станций, в которых управление осуществляется электронными схемами, а в разговорном тракте используются герконы.

Рис. 1. Герконы:

а) общий вид, где 1 – стеклянный баллон; 2 –

контактные пружины; 3 – контактирующий слой;

4 – защитный газ; 5 –  выводные концы; l – длина плоской части пружины;

l1 – длина баллона; l2 – длина геркона с выводными концами;

б) аксонометрическое изображение области перекрытия геркона, где Х – величина зазора между контактирующими поверхностями; h – толщина пружин; b – ширина пружин; β – толщина эрозионностойкого покрытия;

в) схема простейшего герконового реле на замыкание, где 1 – геркон; 2 – катушка; 3 – экран; 4 – выводные концы катушки возбуждения

 

В некотором отношении герконовые устройства имеют преимущество перед полупроводниковыми. Их входные и выходные цепи электрически хорошо разделены; благодаря хорошей изоляции отношение сопротивления разомкнутой цепи к замкнутой достигает 1016, в то время как для полупроводниковых устройств оно редко превышает 106. Герконы также менее чувствительны к изменению температуры.

Важным преимуществом герконовых реле является также простота конструкции, надежность в работе и отсутствие необходимости в регулировке. Они могут работать в любом положении по отношению к земной поверхности, практически в любой атмосфере и в интервале температур -60° - +150°С.

Максимальное число срабатываний, которое выдерживает  геркон, зависит от его конструкции, величины и характера нагрузки на контакты. При коммутации малых токов порядка 1—10 мА контакты выдерживают 108—109 срабатываний. Применение герконов для управления токами, значительно превышающими максимально допустимые, может вывести их из строя уже после небольшого числа срабатываний, измеряемого сотнями, десятками и даже единицами. Поэтому, когда говорят о большой надежности герконов, то имеют в виду нормальную их эксплуатацию в цепях с активной нагрузкой,

при которой ток, напряжение и мощность не превышают допустимых пределов. Если же герконы используют для коммутации электрических цепей, содержащих индуктивности значительной величины, то большое число срабатываний может быть достигнуто только при использовании искрогашения. Применение искрогасительных контуров дает возможность увеличить также число срабатываний  герконов, коммутирующих активную нагрузку. Для защиты герконов при коммутации емкостной нагрузки применяются последовательно  включенные индуктивности и сопротивления.

Однако при использовании герконов надо учитывать и свойственные им недостатки. В силу того, что отвод тепла в них ограничен, обычные малогабаритные герконы не следует применять для управления сильными токами Для больших герконов с длиной стеклянного баллона около 50 мм максимально допустимая сила коммутируемого тока не должна превышать 1 А.

На производственной практике я изучила конструкцию миниатюрного замыкающего магнитоуправляемого герметизированного контакта (геркона) МКА-10100, который представлен на рис. 2.

Рис. 2 – Геркон марки МКА-10110

Геркон МКА-10100 относится к замыкающим герконам.

Рис. 3. Схема замыкающего геркона

2 Материалы, используемые  для изготовления геркона МКА-10110

 

К исходным материалам при производстве герконов относятся проволока из магнитомягкого сплава для изготовления контакт-деталей и стеклотрубки для заварки в них контакт-деталей с целью создания герметизирующего баллона.

 

2.1 Проволока из  магнитомягкого материала

 

Контакт-детали герконов сочетают в себе свойства одновременно электропроводящей, контактной, упругой и магнитной систем. Материалы для их изготовления должны обладать комплексом магнитных, упругих и электрических свойств, обеспечивающих получение оптимальных параметров герконов:

• достаточно высокой магнитной проницаемостью, так как материал должен интенсивно намагничиваться в сравнительно слабых полях, и одновременно высокой индукцией насыщения для создания большой притягивающей силы в рабочем состоянии с малыми затратами управляющей магнитодвижущей силы (МДС);
• малой коэрцитивной силой для надежного размыкания герконов при снятии намагничивающего поля и удовлетворения требований по высокому коэффициенту возврата;
• малым удельным электрическим сопротивлением для уменьшения потерь;
• определенным модулем упругости, значение которого, в комплексе с магнитной проницаемостью и индукцией насыщения, определяют чувствительность геркона;
• высоким пределом упругости во избежание появления остаточной деформации при работе геркона;
• температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), близким ТКЛР стекла баллона, обеспечивающим получения вакуумно-плотного спая;
• магнитные и механические свойства должны быть стабильными во время работы геркона в заданном температурном интервале, а также при его хранении в течение длительного времени.

Особые требования предъявляются к поверхности проволоки, так как от ее состояния во многом зависят характеристики контактного покрытия, независимо от того каким методом оно производится (электрическое осаждение или вакуумно-плазменное напыление). Поверхность проволоки должна быть ровной, гладкой, без механических дефектов в идее рисок, раковин, отслоений, трещин и так далее. На ней не должно быть следов коррозии.

Для изготовления геркона марки МКА-10110 используется проволока из магнитных сплавов 52Н-ВИ. Основные технические характеристики данной проволоки указаны в таблице 1.

 

Таблица 1 – технические характиристики проволоки из магнитных сплавов, используемой для производства геркона марки МКА-10110

Марка сплава	52Н-ВИ
Химический состав	Массовая доля элементов, не более, %
C	0,03
Si	0,2
Mn	0,5
S	0,012
P	0,012
Cu	0,2
Ni	51,5-52,5
Fe	Остальное
Физические свойства
Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), х10-6 1/0С, в диапазоне температур: 20 – 300 0С 20 – 400 0С 20 – 500 0С	10,1 – 10,4 10,1 – 10,4 9,9 – 10,3
Временное сопротивление разрыву σв, Н/мм2	590±70
В10, Тл, не менее	1,4
Нs, А/м, не более	23,9
Относительное удлинение, δ100, %	≥20
Удельное электрическое сопротивление, мкОм*м	0,42
Плотность, г/см3	8,2
Точка Кюри, 0С	≥470
Температура плавления, 0С	1450