Герконовые реле

11.1Общие сведения:

Наименее надежным узлом электромагнитных реле яв­ляется контактная система. Электрическая дуга или искра, образующиеся при размыкании и замыкании контактов, приводят к их быстрому разрушению. Этому также способ­ствуют окислительные процессы и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным не­достатком электромагнитных реле является и наличие трущихся механических деталей, износ которых также сказывается на их работоспособности. Попытки разместить контакты и электромагнитный механизм в герметизирован­ном объеме с инертным газом не приводят к положительным результатам из-за больших технологических и кон­структивных трудностей, а также из-за того, что контак­ты при этом не защищаются от воздействия продуктов износа и старения изоляционных материалов. Другим не­достатком электромагнитных реле является их инерцион­ность, обусловленная значительной массой подвижных де­талей. Для получения необходимого быстродействия при­ходится применять специальные схемы форсировки, что приводит к снижению надежности и росту потребляемой мощности.

Перечисленные недостатки электромагнитных реле при­вели к созданию реле с герметичными магнитоуправляе- мыми контактами (герконами).

Простейшее герконовое реле с замыкающим контактом изображено на рис. 11.1, а. Контактные сердечники {КС) 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с вы­сокой магнитной проницаемостью (пермаллоя) и вварива­ются в стеклянный герметичный баллон 3. Баллон запол­нен инертным газом — чистым азотом или азотом с не­большой (около 3%) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона составляет (0,4—0,6) • 10s Па. Инертная среда предотвращает окисление КС. Баллон устанавлива­ется в обмотке управления 4. При подаче тока в обмотку возникает магнитный поток Ф, который проходит по КС

Рис.11.1 Простейшее герконовое реле с симметричным замыкающим контактом

Рис. 11.2. Упрощенная картина магнитного поля геркона, управляемого обмоткой с током

1 и 2 через рабочий зазор б между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4. Упрощенная картина магнитно­го поля показана на рис. 11.2. Поток Ф при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу Рэ, которая, преодолевая упругость КС, соединяет их между собой. Для улучшения контактирования поверхно­сти' касания покрываются тонким слоем (2—50 мкм) золо­та, родия, палладия, рения, серебра и др.

При отключении обмотки магнитный поток и электро­магнитная сила спадают и под действием сил упругости КС размыкаются. Таким образом, в герконовых реле от­сутствуют детали, подверженные трению (места крепления якоря в электромагнитных реле), а КС одновременно вы­полняют функции магнитопровода, токопровода и пружины.

В связи с тем что контакты в герконе управляются маг­нитным полем, герконьг называют магнитоуправляемыми контактами.

На основе герконов могут быть созданы также реле с размыкающими и переключающими контактами. В гер­коне с переключающим контактом (рис. 11.3, а) неподвиж­ные КС 1,3 и подвижный 2 размещены в баллоне 4. При появлении сильного магнитного поля КС 2 притягивается

Рис. 11.3. Переключающие герконы

к КС 1 и размыкается с КС 3. Один из КС переключаю­щего геркона (например, 2) может быть выполнен из не­магнитного материала (рис. 11.3,6). Герконовое реле (рис. 1.3, в) имеет два подвижных КС 1, 2, два неподвижных КС 5,6 и две обмотки управления 7, 8. При согласном включении обмоток замыкаются КС / и 2. При встречном включении обмоток КС 1 замыкается с КС 5, а КС 2 с КС 6. При отсутствии тока в обмотках все КС разомкнуты. Гер­коновое реле (рис. 11.3, г) имеет переключающий контакт 3 сферической формы. При согласном включении обмоток 7 и 8 контакт 3 притягивается к КС 1 и КС 2 и замыкает их. После отключения обмоток 7 и 8 и при согласном вклю­чении обмоток 9 и 10 контакт 3 замыкает КС 5 и КС 6.

Так как КС герконов выполняют функции возвратной пружины, им придаются определенные упругие свойства. Упругость КС обусловливает возможность их вибрации («дребезга») после удара, который сопутствует срабаты­ванию. Длительность такой вибрации достигает 0,25 мс при общем времени срабатывания 0,5—1 мс. Одним из способов устранения влияния вибраций является исполь­зование жидкометаллических контактов. В переключаю­щем герконе (рис. 11.4, а)

Рис 11.4 Ртутные герконы.

внутри подвижного КС 1 име­ется капиллярный канал, по которому из нижней части баллона 4 поднимается ртуть 5. Ртуть смачивает поверх­ности касания КС 1 с КС 2 или КС 3. В момент удара контактов при срабатывании возникает их вибрация. Из- за ртутной пленки на контактной поверхности КС 1 вибрация не приводит к разрыву цепи. В кон­струкции на рис. 11.4,6 между КС 2, КСЗ и ртутью 5 находится ферромагнитная изоляционная жидкость 6. При возникновении магнитного поля ферромагнит­ная жидкость 6 перемещается вниз, в положение, при котором поток будет наибольшим. Ртуть вытесняется вверх и замыкает КС 2 и КС 3. Следует отметить, что жидкометаллический контакт позволяет уменьшить переходное сопротивление и значительно уве­личить коммутируемый ток. На­личие ртути удлиняет процесс разрыва контактов, что уве­личивает время отключения реле.

Управление герконом можно осуществлять и с помощью постоянного магнита. Если постоянный магнит установлен вблизи геркона, его магнитный поток замыкается через КС, которые в результате этого находятся в замкнутом состоянии. Использование постоянного магнита совместно с управляющей катушкой позволяет создать герконовое реле с размыкающим контактом.

11.2. Основные соотношения параметров герконового реле с обмоткой

а) Электромагнитная сила в герконе. На упрощенной схеме замещения (рис. 1.5) магнитной цепи геркона, пока­занного на рис. 1.1, обозначены: —полная магнитная проводимость рабочего зазора с учетом потоков выпучи­вания; — проводимость пути магнитного потока по воздуху вне КС; — суммарная магнитная проводимость обоих КС; Ф —магнитный поток, созданный обмот­кой; F — МДС обмотки.

Рис.11.5. Упрощенная схема замещения магнитной цепи геркона. Рис.

11.6. Влияние смещения Z центра обмотки относительно цен­тра перекрытия КС на МДС сра­батывания геркона Fср.

Изменение магнитного потока вдоль КС показано на рис. 11.2. Вблизи рабочего зазора образуются заметные магнитные потоки выпучивания. В результате магнитный поток Ф в сечении КС уменьшается по мере приближения к зазору б. Наибольшего значения магнитный поток достигает при координате Z— Этот поток определя­ется уравнением

Для ненасыщенных КС проводимость велика и 1/ = 0.

При расчете электромагнитной силы, воздействующей на КС, можно воспользоваться формулой Максвелла либо энергетическим методом. Эта сила выражается че­рез конструктивные параметры уравнением

Где — магнитный поток в рабочем зазоре; а и b — раз­меры рабочего зазора (рис. 1.1,б); — коэффициент неравномерности поля в рабочем зазоре.

Иногда с целью регулировки МДС срабатывания центр рабочего зазора геркона и центр обмотки 0 смещается на расстояние Z (рис. 1.6).

Внешняя проводимость

где L - полная длина геркона; — периметр поперечно­го сечения КС; - внутренний диаметр обмотки управ­ления; — длина обмотки; - средняя длина витка обмотки; Q — площадь поперечного сечения обмотки.

Проводимость рекомендуется определять с учетом выпучивания по формуле [1.1]

Зависимость имеет вид гиперболы (рис. 11.7).

Противодействующая сила создается упругостью КС и оп­ределяется формулой

где с — эквивалентная жесткость КС, представляющая со­бой жесткость контактной системы, в которой один КС не­подвижен, а второй перемещается,

- жесткость первого и второго КС; начальный за­зор между концами КС; - текущее значение зазора. Для симметричного геркона и

Рис. 11.7. Тяговые и противодействующая характеристики геркона:

- МДС срабатывания и отпускания, .

На рис. 11.7 представлены электромагнитные тяговые и противодействующая характеристики гер­кона. При равновесное состояние определяется точкой А. При дальнейшем увеличении МДС, точки равновесия поднимаются. При МДС, равной МДС срабатывания , и зазоре (точка Б) происходит срабатывание и замыкание КС реле. Зазор называется зазором срыва КС переходят в конечное положение,

Рис. 11.8. Изменение тока управ­ления и тока в нагрузке при срабатывании геркона.

определяемое зазором , который определяется тол­щиной контактного покрытия и неровностями контактной поверхности. Разность между конечной электромагнитной силой и конечной силой пружины определяет контактное нажатие. Для надежного срабатывания необходимо, чтобы .

Минимальная МДС срабатывания реле имеет место, когда зазор между КС геркона расположен посередине обмотки. Зависимость от положения обмотки управления относительно рабочего зазора герко­на показана на рис. 11.6. Здесь - номинальная МДС срабатывания при Z=0. Следует отметить, что на чувствительность реле влияет также длина обмотки в определенных пределах значения при не­изменности сечения приводит к увеличению магнитного потока в рабочем зазоре геркона и уменьшению МДС сра­батывания.

Изменение тока управления обмотки и коммутируе­мого тока показаны на рис. 11.8. Обмотка управления включается в момент времени - Начало быстрого движе­ния КС (после прохождения зазора на рис. 1.7) обусловливает уменьшение скорости нарастания то­ка (точка а на рис. 11.8). В момент времени контак­ты касаются и вибрируют до момента времени . В интер­вале от до контакты не размыкаются, но ток меняет­ся из-за изменения контактного нажатия и вызванного этим изменения переходного сопротивления (шум контак­тов).

В отличие от электромагнитных реле обычного типа, у которых контактное нажатие зависит только от парамет­ров контактной пружины, контактное нажатие герконовых реле зависит от МДС обмотки и увеличивается с ее ростом.

Для размыкания контактов герконового реле необходи­мо, чтобы тяговая характеристика опустилась ниже точки В (см. рис. 11.7). Коэффициент возврата герконового реле равен - МДС отпускания.

Если увеличивается толщина немагнитного контактно­го покрытия , то МДС срабатывания не изменяется, так как начальный немагнитный зазор остается без из­менения, а МДС увеличивается, поскольку возраста­ет при этом коэффициент возврата увеличивается. По сравнению с обычными электромагнитными реле он значи­тельно выше и иногда доходит до 0,9. Из-за технологиче­ских погрешностей коэффициент возврата, как и другие характеристики герконовых реле, имеет довольно большой разброс и у одного и того же типа реле может колебаться от 0,3 до 0,9.

б) Время срабатывания герконового реле. После под­ключения обмотки реле к источнику напряжения ток начинает нарастать в соответствии с рис. 1.8. Движение КС геркона начинается практически сразу же после вклю­чения обмотки и длится до тех пор, пока зазор не достиг­нет значения зазора срыва (см. рис. 1.7). После достижения КС быстро замыкаются. Скорость переме­щения подвижного КС на участке намного выше, чем на участке Изменение воздушного зазора и связанное с этим изменение магнитной проводимости приводит к тому, что индуктивность обмотки изменяется на протяжении всего времени срабатывания и особенно резко — после прохождения точки срыва, т. е. после В результате увеличения индуктивности скорость нараста­ния тока и его значение уменьшаются (момент времени от до на рис. 1.8). Аналитический расчет времени сра­батывания герконового реле очень сложен. В основном он заключается в расчете времени изменения зазора от до . Для герконового реле, у которого длина КС одинако­ва, время с момента включения обмотки до первого каса­ния контактов можно определить с помощью уравнения

где m — эквивалентная масса подвижной части КС; А — постоянная, определяемая размерами, материалом и жесткостью КС.

Введение понятия эквивалентной массы вызвано различной траекторией движения для различных точек под­вижного КС. По опытным данным, это значение составляет 25 % перемещающейся массы подвижного КС.

11.3. Конструкция герконовых реле:

Конструкция герконового реле, показанная на рис. 1.9,а, имеет разомкнутую магнитную цепь. По этой при­чине большая доля МДС катушки расходуется на прове­дение магнитного потока по воздуху. Кроме того, такая конструкция подвержена воздействию внешних магнитных

Рис.11.9. Конструктивные выполнения герконовых реле

полей, создаваемых расположенными рядом электротехни­ческими устройствами. Конструкция по рис. 11.9, а может и сама явиться источником электромагнитных помех для этих устройств. Для устранения этого недостатка магнит­ная система герконового реле заключается в кожух (эк­ран) из магнитомягкого материала (рис. 11.9, б, в). При этом увеличивается магнитная проводимость и снижа­ется МДС срабатывания. С целью увеличения эффектив­ности экрана паразитный зазор е (рис. 11.9,б) стараются уменьшить либо увеличить его площадь (рис. 11.9, в). Ре­гулирование значений МДС срабатывания и отпускания в условиях серийного производства может производиться за счет либо изменения зазора е (рис. 11.9, б), либо изме­нения положения магнитного шунта (рис. 11.9, г), либо осевого смещения геркона в обмотке (рис. 11.6). Герконы могут быть установлены как внутри (рис. 11.10, а), так н снаружи управляющей обмотки (рис. 11.10,6).

Рис. 11.10 Многоцелевые герконовые реле:

а — герконы расположены внутри катушки, б — герконы нахо­дятся вне катушки

Условия работы герконов в многоцелевых герконовых реле характеризуются следующими особенностями. Во-пер­вых, даже герконы одного типа и из одной партии имеют технологический разброс по МДС срабатывания и МДС отпускания Во-вторых, из-за неравномерности магнитного Поля первым срабатывает геркон, находящийся в области с большей напряженностью поля. В-третьих, срабатывание одного геркона приводит к магнитному шунтированию Других, в результате МДС срабатывания второго геркона после срабатывания первого увеличивается. В этом отно­шении конструкция с внешним расположением герконов (рис. 11.10,6) предпочтительнее, чем с внутренним, так как обеспечивает меньшее взаимное влияние соседних гер- конов. Число герконов в одном реле может достигать 12 и более. По перечисленным причинам разные контакты мно­гоцелевых герконовых реле замыкаются и размыкаются неодновременно, что является их недостатком по сравне­нию с электромагнитными реле обычного типа.

Герконовые реле разнообразны по конструкции и на­значению. На рис. 1.11 показан принцип действия герконового реле тока.

Рис. 11.11. Реле тока на герконе

В реле контроля большого тока ис­пользуется компоновка, по­казанная на рис. 11.11. Кон­тролируемый ток 1 проходит по шине 1, Магнитное поле этого тока замыкается вокруг шины и по КС геркона 2. Ток срабатывания геркона может регулироваться за счет изменения угла а и рас­стояния х между шиной и герконом. Наименьший ток срабатывания имеет место при а=90°. При а = 0 геркон не срабатывает при любом значении тока, так как магнит­ный поток в направлении продольной оси КС равен нулю.

Если кроме основного поля управления (МДС ) соз­дать дополнительное поляризующее магнитное поле за счет специальной обмотки (МДС ) или постоянного маг­нита (рис. 11.12), то герконовое реле становится поляри­зованным. Если , то под действием МДС , кон­такты геркона замкнутся. Для размыкания контактов МДС обмотки управления должна быть меньше и иметь об­ратный знак. Если продолжать увеличивать , то при оп­ределенном ее значении произойдет повторное замыкание контактов геркона. В общем случае можно написать

где МДС поляризации , может быть положительной (совпадать по знаку с ) или отрицательной. В послед­нем случае

Для отпускания геркона имеем

Рис 11.12 Характеристики поляризованного герконового реле

Влияние поляризующего поля на МДС срабатывания и отпускания показано в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Зависимость и от (рис. 11.12) представлена Прямыми ABC и DEF.

11.4. Управление герконом с помощью постоянного магнита:

Управлять состоянием геркона можно с помощью не только магнитного поля, создаваемого катушкой управле­ния, но и поля постоянного магнита. Такой способ широко используется в современных слаботочных аппаратах управления (тумблеры, переключатели, кнопки, командоаппараты) и контрольно-измерительной аппаратуре (сиг­нализаторы положения, конечные выключатели, датчики). Состояние геркона изменяется при приближении или уда­лении от него постоянного магнита. При приближении по­стоянного магнита на расстояние (см. рис. 1.6) его маг­нитный поток начинает замыкаться по КС. Под воздейст­вием усилия, созданного этим потоком, КС сблизятся и зазор между ними уменьшится от до (точка А).

При дальнейшем уменьшении х усилие, создаваемое по­стоянным магнитом, увеличится и характеристика под­нимется. При КС замыкаются. Для обеспечения за­паса по усилию координата берется меньше . Мини­мальное контактное нажатие при равно .

Отпускание геркона происходит при увеличении коор­динаты х до значения .

Постоянный магнит может подходить к геркону так, что его ось намагничивания будет параллельна оси МК. В этом случае геркон реагирует на тангенциальную состав­ляющую индукции поля постоянного магнита (рис. 11.13, а). Изменение при перемещении магнита показа­но на том же рисунке. Срабатывание геркона наступает в точках . Таким образом, при движении магнита в направлении, указанном стрелкой, возможно трехкратное срабатывание (точки ) и отпускание (точки ) Первое срабатывание происходит в точке .

Рис. 11.13. Влияние тангенциальной (а) и нормальной (б) составляющих магнитного поля магнита на работу геркона

Если ось намагничивания магнита перпендикулярна оси МК (рис. 1.13,6), то при движении магнита в указанном стрелкой направлении происходит двукратное срабатыва­ние геркона, который реагирует на нормальную составляю­щую напряженности поля.

Для устройств, управляемых постоянным магнитом, ос­новными параметрами являются:

а) координата срабатывания , определяющая рас­стояние между магнитом и герконом в момент срабаты­вания;

Рис. 11.14. Дифференциал хода d и зона включенного состояния геркона

б) координата отпускания , определяющая расстоя­ние между магнитом и герконом при отпускании;

в) дифференциал хода d, представляющий собой раз­ность координат

;

г) зона включенного состояния , составляющая

Перечисленные выше характеристики поясняются рис.

В точке А геркон 1 срабатывает, а в точке Б — от­пускает при реверсивном перемещении управляющего эле­мента— постоянного магнита N (рис. 1.14, а) и при отсутствии реверса (рис. 1.4,6). Величины d и в большинст­ве случаев должны быть минимальны, так как большая величина d увеличивает зону нечувствительности контроль­но-измерительной аппаратуры. При большом количестве герконов они могут быть установлены по окружности (рис.а). Постоянный магнит 1 укреплен на вращающемся рычаге и поочередно замыкает герконы 3, 2, 4. Для уменьшения зоны включенного состояния Лаг герконы помещены в магнитные экраны 5. Влияние толщины экрана на работу геркона показано на рис. 11.15, б.

Рис. 11.15.Работа герконов в многоконтактных переключателях:

а — расположение герконов и постоянного магнита; б — зависимость зоны вклю­ченного состояния (угла ) от толщины экрана

Рис. 11.16. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана:

а — геркон 1 срабатывает при удалении экрана 4 от постоянного магнита 2; б — геркон 1 срабатывает при приближении к постоянным магнитам 2 и 3 экра­на 4; в —геркон 1 срабатывает при удалении экрана 4 из зазора между герко­ном и постоянным магнитом 2

Следует отметить, что при наличии постоянного магни­та управление герконом может производиться за счет пе­ремещения ферромагнитного экрана (рис. 11.16)

11.5. Герконовые реле с памятью:

Простейшее герконовое реле с магнитной памятью по­казано на рис. 1.17, а. Два элемента магнитной памяти (ЭМП) 1 и 1' примыкают к КС геркона 3. ЭМП выполня­ются из так называемых реманентных материалов. Эти ма­териалы характеризуются прямоугольностью петли гисте­резиса, достаточно высокой остаточной индукцией и боль­шой магнитной энергией. В отличие от магнитотвердых сплавов, используемых для изготовления постоянных маг­нитов, реманентные материалы обладают очень малым вре­менем перемагничивания, находящимся в пределах 10— 50 мкс. Остаточный магнитный поток, создаваемый ЭМП, может быть использован для удержания герконов в замк­нутом состоянии после обесточивания обмоток управления. Реле с магнитной памятью часто называют ферридами. При появлении управляющего импульса и согласном включении обмоток 2 и 2' создаваемый ими магнитный поток проходит через КС и оба ЭМП, которые намагничиваются. После прохождения импульса КС притягиваются за счет потока остаточной индукции ЭМП. Для отключения реле в обмот­ку 2 подается импульс тока той же полярности и амплиту­ды, а в обмотку 2' — той же амплитуды и обратной поляр­ности. За счет разности МДС обмоток происходит размаг­ничивание ЭМП и уменьшение магнитного потока в зазоре между КС, и они размыкаются. Для надежного управле­ния длительность импульса тока срабатывания берется равной 100—300 мкс.

Рис. 11.17. Герконовые реле с магнитной памятью

Для уменьшения минимально необходимого импульса МДС отпускания устанавливается магнитомягкий шунт 4 в зоне рабочего зазора геркона (рис. 11.17,6). При подаче разнополярных импульсов в обмотки 2 и 2' магнитный по­ток замыкается через КС, магнитный шунт 4 и ЭМП, ми-

Рис. 11.18. Зависимости длительности импульса МДС срабатыва­ния (а), количества электричества Q и потребляемой энергии А(б) от амплитуды МДС .

нуя рабочий зазор геркона. При подаче импульса на сра­батывание реле происходит намагничивание ЭМП, сбли­жение КС. После их соударения начинается вибрация кон­тактов, которая длится 0,5—2,5 мс. Общее время срабаты­вания реле с памятью 1—З мс. У гезаконов (рис. 11.20) оно меньше (1—2 мс).

Амплитуда импульса МДС срабатывания зависит от его длительности (рис. 1.18, а). Чем больше амплитуда , тем меньше потребная длительность импульса . На рис. 11.18,б представлена зависимость энергии А и ко­личества электричества Q от амплитуды МДС. Здесь

— количество электричества, необходимое для сра­батывания реле при заданной амплитуде МДС; — энергия, затраченная источником питания при срабатывании реле. Для каждого реле с памятью существует оптимальное значение амплитуды импульса , при котором энергия А и количество электричества Q имеют минимальное значе­ние. Эти величины особенно важны при питании феррида от маломощного источника (конденсатора или аккумуля­тора).

Длительность импульса отпускания зависит от ам­плитуды и длительности импульса срабатывания. Чем больше и , тем больше остаточная индукция. Для отпускания реле требуются большие значения и длительности импульса .

Герконовое реле с магнитной памятью и переключающи­ми контактами (рис. 1.19) имеет два ЭМП 1 и и две обмотки управления и . При согласном включении об­моток и подаче на них импульсов одинаковой полярности

Рис. 11.19 Mногоцепевое герконовое реле с магнитной памятью

магнитный поток, созданный ЭМП 1 и проходит через КС герконов и , и они замыкаются. По КС герконов и магнитный поток не проходит, так как в месте их расположения магнитные потоки от ЭМП 1 и 1' встречны. После прохождения управляющего импульса герконы и остаются замкнутыми, а и — разомкнутыми. При лодаче на обмотку импульса того же знака, а на обмот­ку такого же импульса обратного знака происходит из­менение направления намагничивания ЭМП При этом магнитные потоки проходят через рабочие зазоры герко­нов и и не проходят через рабочие зазоры герконов и , которые размыкаются благодаря упругим свойствам КС.

В герконовом реле, показанном на рис. 11.19,6, возмож­ны 16 комбинаций замкнутых и разомкнутых герконов в за­висимости от того, какие обмотки включены. Например, ес­ли все обмотки включены так, что создаваемые ими потоки направлены от центра к периферии, то все герконы будут разомкнуты.

Реле с магнитной памятью могут быть построены на базе специальных герконов, в которых ЭМП частично или полностью расположены внутри баллона. Такие герконы иногда называются гезаконами (герметичными запоминаю­щими контактами). Возможные исполнения гезаконов по­казаны на рис. 11.20. Для исполнения по рис. 11.20, а кон­тактные сердечники 1 и 2 изготавливаются из реманентных материалов 35КХ12, 35КХ15, 40КНБ (сплавы кобальта и хрома) и выполняют функции ЭМП. Соединительные пластины 6 соединяют выводы геркона с КС 1 и 2.

Рис. 11.20. Конструкция гезаконов:

1, 2, 8—контактные сердечники; 3 — баллон; 4, 5—выводы; 6 — соединительная пластина; 7 — постоянный магнит; 9, 10 — ЭМП

В исполнении по рис. 11.20,6 из реманентного материала выполнен только КС 2. На баллоны гезаконов устанавливаются две обмотки управления. При согласном включении обмоток КС намагничиваются и замыкаются. Для размыкания необхо­димо при последующем включении изменить полярность импульса в одной из обмоток, что приводит к размагничи­ванию КС.

В случае рис. 11.20, в управление происходит от одного источника разнополярных импульсов. Через вывод 1 замы­кается поток поляризующего постоянного магнита 7. При подаче управляющего импульса, создающего магнитное по­ле, согласное с магнитным полем постоянного магнита, эти поля складываются и КС замыкаются. При подаче встречного импульса КС размагничиваются и размыка­ются.

Переключающий гезакон (рис. 11.20, в) имеет две об­мотки управления. При согласном включении обмоток КС

1 и 2 намагничиваются согласно и КС 8 притягивается к КС 2. При изменении полярности импульса в одной из обмоток меняется направление намагниченности одного из КС и КС 8 притягивается к КС 1.

В гезаконе на рис. 1.20, г ЭМП выполнены в виде тру­бок 9, 10, надеваемых на КС 1 и 2. При согласном вклю­чении обмоток управления трубки ЭМП 9 я 10 намаг­ничиваются согласно и КС замыкаются. Для отключе­ния геркона в одной из обмоток надо поменять полярность импульса.

11.6. Герконы с большой коммутационной способностью:

С целью увеличения коммутируемого тока и коммути­руемой мощности в конструкцию герконов можно ввести дугогасительные контакты (рис. 11.21, а). В стеклянном корпусе 6 укреплены подвижный КС 1 и неподвижный КС 2. Пластина 5, выполняющая функцию дугогасительно- го контакта, упирается в КС 1, благодаря чему создается ее упругая деформация. При включении вначале замыкают­ся дугогасительные контакты 3 и 4, причем контактное на-

Рис. 11.21. Силовые герконы

жатие на них появляется сразу благодаря предварительной упругой деформации пластины 5. При этом снижается виб­рация контактов 3 я 4. Затем замыкаются главные кон­такты 1 и 2. При отключении вначале размыкаются глав­ные контакты / и 2, а затем дугогасительные 3 и 4. Дугогасительные контакты выполняются из эрозионно-стойкого материала (вольфрама и др.).

В другом варианте конструкции силового геркона (рис. 11.21, б) функции главных контактов выполняются КС 1 и 2. Отверстие 7 в КС 2 приводит к быстрому насыщению ма­териала. При этом магнитный поток из КС 2 переходит в перемычку 1 и КС 1 притягивается к КС 2. Сначала за­мыкаются дугогасительные контакты 3, 4, затем главные 1 и 2.

В настоящее время разработаны и внедрены так назы­ваемые герсиконы (герметичные силовые контакты). На рис. 1.22 показан контактор на основе герсикона типа КМГ-12. Токоведущая цепь герсикона состоит из токопод- водов 1 и 2, гибкой связи 3, подвижного контакта 4 и регу­лируемого неподвижного контакта 5. Электромагнитный узел состоит из сердечника 6, обмотки 7, полюсов 8, 9, на­бора ферромагнитных пластин 10 и упора 11. Пластины 10 крепятся к полюсу 8 с помощью винта 12. Коммутирующая часть аппарата находится внутри герметичного керамиче­ского корпуса 13, заполненного инертным газом. Нажатие контактов регулируется в процессе сборки путем измене­ния положения неподвижного контакта 5. После регулиров­ки контакт 5 пропаивается.

Рис. 1.22. Герсиконовый контактор

Герсиконы типа КМГ-12 выпускаются на номинальный ток 6,3, включаемый ток до 180, отключаемый ток 63 А, максимальная мощность двигателя, который может запус­каться в режиме АС-3 при напряжении 380 В, равна 3 кВт при частоте включения до 1200 в час. Механическая и ком­мутационная износостойкость при мощности двигателя 1,8 кВт составляет 107 циклов. При постоянном токе 1 А и напряжении 220 В коммутационная износостойкость до­стигает 3-Ю6 циклов. Время срабатывания не более 20 мс. Как показали исследования, максимальный ток герсиконов может быть доведен до 100 А при напряжении 380 В. Высо­кая надежность и простота конструкции делают герсиконы весьма перспективными для применения в коммутационных электрических аппаратах.

11.7. Расчет обмоток герконовых реле:

Важнейшим параметром геркона, который приводится в его паспорте, является МДС срабатывания Fcp, по значе­нию которой можно определить параметры обмотки. Рас­четная МДС обмотки

Где — коэффициент запаса, учитывающий тех­нологические разброс параметров геркона, допустимые ко­лебания питающего напряжения и изменение сопротивле­ния обмотки при нагреве; — коэффициент, учитывающий взаимное влияние совместно установленных герконов. По

опытным данным, , где n — число герконов в реле.

Рассмотрим случай, когда обмотка питается от источ­ника напряжения.

где — удельное сопротивление материала провода об­мотки в горячем состоянии; — средняя длина витка об­мотки; U — напряжение источника.

Удельное сопротивление находим по формуле:

Для медного провода = 0,0175 Ом м при темпе­ратуре °С; — температура окружающей среды, °С, — допустимое превышение температу­ры обмогки, °С; =0,004 1/°С. средняя длина витка

где — внутренний диаметр обмотки;

— диаметр баллона геркона; — зазор между балло­ном и каркасом; — толщина каркаса катушки управ­ления; — радиальная толщина обмотки.

Согласно рекомендациям для получения мини­мальной МДС срабатывания площадь сечения обмотки Q нее радиальная толщина — выбираются по соотношениям

где d —диаметр стержня КС; L — длина геркона.

Ориентировочно длина обмотки . Най­денный диаметр округляется до стандартной величины.

Число витков обмотки

Коэффициент заполнения обмотки медью берется по табличным данным для принятого .

Расчет превышения температуры обмоток для устано­вившегося режима ведется по формуле

где — коэффициент теплоотдачи (): — поверхность охлаждения обмотки; Р — мощность выделяемая в обмотке,

Поверхность охлаждения

Диаметр провода проверяем из условий нагрева в установившемся режиме

После выбора проводим поверочный расчет F и с учетом коэффициента заполнения . Если обмот­ка работает в режиме кратковременного включения, то до­пустимое время включения

где — допустимое превышение температуры; Т — посто­янная времени нагрева обмотки.

где с — удельная теплоемкость материала провода [для ме­ди ]; G — масса провода, кг; — плот­ность материала провода, (для меди ).

11.8. Преимущества и недостатки герконов. герконы, выпускаемые отечественной промышленностью:

[1]. Благодаря полной герметизации герконы обладают

следующими преимуществами: возможность работы в ус­

ловиях повышенной влажности, запыленности и т. п. при низком переходном сопротивлении в замкнутом положении (0,01—0,001 Ом) и малом падении напряжения на кон­тактах;

2. Простота конструкции, малые масса и габариты, что позволяет автоматизировать их производство и снизить стоимость изготовления;

3. Высокое быстродействие (время срабатывания и от­пускания 1—3 мс), что позволяет использовать герконы при частоте коммутаций до 1000 в секунду;

4. Отсутствие трущихся деталей и сложных кинематиче­ских пар обеспечивает надежную работу герконов в тече­ние 106—108 циклов;

5. Высокая электрическая прочность междуконтактного промежутка;

6. Гальваническая развязка цепей управления и комму­тируемых цепей;

7. Возможность управления как электромагнитным по­лем, так и полем постоянного магнита, что расширяет функ­циональные области применения герконов;

9. Надежность работы в широком диапазоне температур (от —60 до +120 °С);

10. Удобство согласования с современными изделиями микроэлектроники.

Возможность работы от кратковременных импульсов (но не менее 10 мкс) и малая энергия, потребляемая при таком управлении, позволяют широко использовать герконы как выходные (усилительные) элементы в серии полупроводни­ковых элементов «Логика И».

Герконы имеют следующие недостатки:

1. Сравнительно низкая чувствительность по МДС управ­ления;

2. Восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мер по защите от их воздействия;

3. Хрупкость стеклянного баллона, чувствительность к ударам и вибрациям, что требует специальных мер по амортизации места установки герконов;

4. Значительное время вибрации контактов, которое мо­жет составлять до половины времени срабатывания;

5. Малая мощность коммутируемых цепей;

6. Возможность самопроизвольного размыкания кон­тактов при больших токах;

7. Недопустимое размыкание и замыкание контактов при питании обмотки током низкой частоты;

8. Значительный технологический разброс параметров.

Преимущества и недостатки герконов предопределили их область применения. Они широко используются в схе­мах автоматики и защиты как логические элементы, преоб­разователи неэлектрических величин в электрические, как электромеханические усилители сигналов между полупро­водниковыми устройствами и силовыми электрическими ап­паратами.

В табл. 11.2 приведены технические данные герконов отечественного производства. В таблице приведены макси­мально допустимые значения коммутируемого тока , напряжения и мощности При уменьшении ком­мутируемого тока значение допустимого напряжения уве­личивается (U= /I), но не должно превышать значе­ния , определяемого электрической прочностью рабо­чего зазора. При уменьшении напряжения коммутируемый ток увеличивается, но не должен быть больше значе­ния

Параметры коммутируемых цепей приведены для чисто активной нагрузки. При смешанной нагрузке RL коммута­ционная способность геркона ухудшается и должна огова­риваться заводом-изготовителем для данного значения по­стоянной времени нагрузки T=L/R.

Таблица 11.2 Основные технические данные герконов

Общие сведения. В электрических аппаратах широ­ко применяются операционные усилители (ОУ). ОУ (рис. 12.1) имеет интегральное исполнение и содержит входной дифференциальный усилитель, промежуточный усилитель и эмиттерный повторитель. Входной дифферен­циальный каскад содержит два транзистора, на входы ко­торых подаются сигналы и . Выходное напряже­ние каскада является разностью потенциалов на коллек­торных нагрузках этих транзисторов. Такой каскад имеет высокое входное сопротивление и позволяет получить са­мые разнообразные характеристики вход-выход. Питание ОУ осуществляется от источника с напряжением ± относительно заземленной шины. В дальнейшем подвод пи­тания к ОУ на рисунках не показывается.

Входной усилитель имеет инвертирующий и неинвертирующий входы. Выход ОУ реагирует на разность потенциалов, приложенных ко входам и Если заземлить и подать положительное при­ращение напряжения на , то на выходе появится поло­жительное приращение сигнала. При подаче на инверти­рующий приращения напряжения на выходе происходит отрицательное приращение сигнала вход положительного. Наличие двух каналов позволяет использовать ОУ для ре­шения различных логических задач.

Выходные характеристики ОУ показаны на рис. 12.2. Характеристика каждого канала снимается при заземлен­ном втором входе ОУ. На линейном участке характеристики ОУ имеет большой коэффициент усиления по напряжению , доходящий до 10⁵ и выше при боль­шом входном сопротивлении.

Применение на выходе ОУ эмиттерного повторителя снижает выходное сопротивление и делает возможным

подключение нагрузки с малым сопротивлением. Из-за влияния температуры и разброса парамет­ров элементов ОУ при нулевом входном сигнале наблюдается не­большой разбаланс , ко­торый можно устранить с по­мощью смещения.

Для защиты от больших вход­ных сигналов на входе ОУ включаются два встречно-параллельно включенных диода или стабилитрона.

Применение ОУ. В инвертирующем усилителе (рис. 12.3) с помощью резистора введена отрицательная об­ратная связь. Поскольку ОУ имеет высокий коэффициент усиления то входное напряжение = . Точка I имеет относительно земли нулевой потенциал и изолирована от нее (кажущаяся земля). Входное сопро­тивление .

Тогда

;

; .

Таким образом, коэффициент усиления равен отноше­нию . Если , то ОУ работает как инверти­рующий повторитель . Выходное напряжение рав­но входному с обратным знаком. При этом выходное сопро­тивление усилителя близко к нулю.

Обратная связь обеспечивает независимость от раз­броса параметров элементов схемы и его стабильность при колебаниях температуры.

В неинвертирующем усилителе (рис. 12.4) отрицатель­ная обратная связь вводится по инвертирующему входу, асигнал подается на неинвертирующий вход. Поскольку , то входное напряжение

Тогда

При и усилитель работает как повторитель,

Схема инвертирующего сумматора (рис. 12.5) является развитием схемы рис. 12.3. На входе включается n рези­сторов, равных по величине.

При

;

;

Рис. 12.4. Рис. 12.5

Выходное напряжение равно сумме входных напряжений с обратным знаком, умноженной на коэффициент усиле­ния ОУ.

Схема неинвертирующего сумматора основывается на схеме рис. 12.4.

Схема интегратора (рис. 12.6) получается из схемы рис. 12.3 заменой резистора конденсатором С.

где Т = RC — постоянная интегрирования; -выход­ное напряжение при t = 0.

Изменение входного и выходного напряжения показано на рис. 12.6, б.