В момент коммутации электрической цепи возникают переходные процессы. Это происходит из-за так называемого «дребезга» контактной системы и влечет за собой искажения полезного сигнала, проявляясь в виде «выбросов» и «просадок» коммутируемого напряжения. В результате возможно повреждение как оборудования, находящегося на коммутируемой линии, так и самой коммутационной контактной группы. Данный эффект особенно ярко проявляется при коммутации сильноточных цепей и, в меньшей степени, цепей с токовой нагрузкой свыше 1А. К возникновению такого эффекта приводит электроэрозия и износ контактной системы, что усугубляется при применении конструкций «открытых» контактных групп реле, контакторов и пускателей, эксплуатирующихся в условиях агрессивной окружающей среды.
Другая проблема – коммутация маломощных сигналов. При этом переходное сопротивление в месте контакта может оказаться настолько ощутимым, что приведет к значительному ослаблению сигнала или к его полной потере. Это проявляется из-за окисления и самопассивации материалов контактной группы. Этих химических процессов практически невозможно избежать в негерметизированных корпусах реле электромагнитной системы.
При применении полупроводниковых управляемых коммутационных элементов необходимо учитывать сопротивление структуры и его нелинейность при коммутации маломощных сигналов, а также наличие токов утечки, что накладывает ограничение на их применение в тех областях, где требуется повышенная электробезопасность при коммутации высоких напряжений.
В системах автоматики часто требуется обеспечить гальваническую развязку между цифровой частью, связанной различными шинными интерфейсами с процессором, чувствительным к разным наводкам и влияниям со стороны силовых и коммутирующих устройств, и силовой частью, находящейся под высоким потенциалом относительно общего провода.
Основным требованием здесь также является обеспечение электробезопасности, высокая скорость действия и миниатюрность устройств коммутации. Габарит коммутирующего элемента является важным фактором из-за частой необходимости обеспечить гальваническую развязку сравнительно большого числа внешних линий ввода-вывода – от нескольких десятков до нескольких сотен.
Одним из вариантов решения поставленных задач является применение герметизированных магнитоуправляемых контактных групп, «герконов», совмещенных с катушкой в конструкцию, известную как «герконовое реле».
Герконовые реле впервые были изобретены в Bell Labs в начале 1930 гг. Однако только с 1940 гг они начали широко применяться в качестве датчиков и по прямому назначению. Они начали использоваться в качестве последовательных переключателей раннего электронного и тестового оборудования. В конце 1940 гг компания Western Electric начала использовать герконовые реле в телефонной станции своего центрального офиса, где они применяются и по сей день. Герконовые реле сыграли огромную роль в развитии телекоммуникационных технологий.
В течение нескольких лет появлялись и исчезали различные производители герконовых реле, некоторые из них удерживали свои позиции дольше, чем позволяло низкое качество производимой продукции и ее ненадежность. Однако, большинство современных производителей герконовых реле создают высококачественные изделия с очень хорошими показателями надежности. Это дает беспрецедентную возможность для роста их сбыта.
В современных технологиях производства герконовые реле используются во всех сегментах рынка, включая тестовое и измерительное оборудование, медицинскую электронику, телекоммуникационную аппаратуру, автоматику, системы безопасности и другие. Идет рост потребления, мировое производство герконовых реле не может удовлетворить возрастающую потребность в них.
Герконовые реле уникальны по своей технологии. Являясь герметичными, они могут применяться практически в любых условиях окружающей среды. Очень простые по своему устройству, они объединяют множество производственных технологий. Критическим показателем качества и надежности является герметичность в месте соприкосновения стекла корпуса и металла вывода контакта. Эти материалы должны иметь строго одинаковый температурный коэффициент линейного расширения. В противном случае возможно возникновение трещин и плохая герметичность колбы. Вне зависимости от технологии напыления или гальваники, процесс нанесения контактных материалов (обычно родия или рутения) требует соблюдения высокой точности и особой чистоты производственных помещений, сходных по предъявляемым требованиям с полупроводниковым производством. Аналогично производству полупроводников, любые чужеродные частицы, присутствующие при производстве, приведут к возрастанию потерь, снижению качества и надежности изделий.
С течением времени герконовые реле уменьшились в размере приблизительно с 50 до 6 мм. Уменьшение размера позволило распространить их применение, в частности, на устройства РЧ-диапазона и быстродействующие устройства.
Одиночные магнитоуправляемые контакты нашли широкое применение в первую очередь как датчики, чувствительные к внешнему магнитному полю.
Геркон состоит из двух ферромагнитных пластин, обычно изготовленных из стали и никеля, герметизированных в стеклянной капсуле. Пластины размещены так, что перекрываются, обеспечивая небольшой воздушный зазор, и замыкаются при наличии магнитного поля соответствующей силы. Контактная область обеих пластин имеет напыленное или гальваническое покрытие, выполненное из очень стойкого металла (обычно родий, рутений). Структура слоев покрытия контактов приведена на рис.2 и 3 для родия и иридия соответственно.
Иридий и родий – очень стойкие к эрозии металлы. Они дают возможность обеспечить длительное время работы контактов, если они не коммутируют очень мощную нагрузку. Полость капсулы обычно содержит азот или подобный инертный газ. Некоторые типы герконов вакуумируются для увеличения потенциала коммутируемого напряжения. Пластины герконового реле ведут себя подобно магнитопроводу: при приложении внешнего магнитного поля от магнита или электромагнитной катушки возникает взаимное притяжение пластин. Создаваемые поля с противоположным знаком обеспечивают замыкание контактов, когда магнитная сила превышает возвратную силу пластин контактов. При снижении силы внешнего магнитного поля так, что усилие между контактами становится меньше, чем возвратная сила, контакт размыкается.
Геркон, описанный выше и представленный на рис.1, характеризуется как 1 Form А (нормально разомкнутая или однополярная однонаправленная SPST-группа контактов).
Многонаправленные переключатели данной конфигурации описываются как 2 Form A (два нормально разомкнутых контакта или двуполярное однонаправленное реле DPST), реле 3 Form A имеет три нормально разомкнутых контакта, и так далее. Нормально замкнутый контакт описывается как 1 Form B. Реле с переключающим контактом приведено на рис.4 и характеризуется как однополярное двунаправленное (SPDT) 1 Form C.
Основные типы контактных групп, применяемых как у герконов, так и у герконовых реле, приведены в табл.1.
Таблица 1. Основные типы контактных групп герконов и герконовых реле
| Наименование, тип контактной группы | Электрическая схема контактной группы * |
| 1 Form A |  |
| 1 Form B |  |
| 1 Form C |  |
| 3 Form A |  |
| * – возможны и иные сочетания количества и типа контактных групп у герконовых реле. Однако, для одиночных герконов используются только одиночные контактные группы 1 Form A, 1 Form B или 1 Form C. | |
Общая пластина является единственной подвижной частью геркона этого типа, она замкнута с нормально замкнутым контактом реле в отсутствие магнитного поля. При возникновении магнитного поля соответствующей силы, общий контакт замыкается с нормально разомкнутым контактом. Обе пластины нормально разомкнутого и нормально замкнутого контактов являются неподвижными. Все три пластины имеют ферромагнитное покрытие, однако контактная область нормально замкнутого контакта выполнена из немагнитного материала, приваренного к ферромагнитной пластине. При помещении в магнитное поле оба вывода принимают одинаковую поляризацию, противоположную подвижному контакту. Немагнитный материал прерывает магнитный поток в нормально замкнутом контакте, и подвижной контакт притягивается к нормально разомкнутому контакту, образующему с ним непрерывный магнитопровод для магнитного потока.
Срабатывания магнитоуправляемого контакта можно добиться двумя способами:
Когда постоянный магнит приближается к магнитоуправляемой группе контактов, каждая пластина намагничивается. При этом возникает сила их взаимного притяжения. При достижении силой магнитного поля порогового значения, превышающего упругость пластин контактов, они замыкаются. При исчезновении внешнего магнитного поля, остаточное магнитное поле в ферромагнитных пластинах контактов также рассеивается, вызывая их размыкание. При наличии остаточного магнитного поля на пластинах контактов, характеристики геркона будут отличны от заложенных при производстве. Поэтому при их изготовлении применяют высокотемпературный отжиг, чтобы снять остаточное магнитное поле.
Магнитная характеристика контактной группы магнитоуправляемых контактов имеет выраженную анизотропную симметричную направленность. На рис.6 изображен вид диаграммы взаимодействия постоянного магнита с магнитоуправляемым контактом, «герконом».
Рассмотрим это взаимодействие подробнее.
Поскольку контакты геркона обладают своей диаграммой чувствительности, то, в зависимости от расположения магнита и его ориентации в пространстве относительно контактной группы, возможны три варианта взаимодействия:
На рис.6 сплошными линиями показана зона уверенного срабатывания контактной группы. При нахождении постоянного магнита в ее пределах магнитное поле является достаточным для надежного срабатывания контактной группы. Пунктиром показана зона гистерезиса – при вхождении магнита в эту зону магнитное поле еще недостаточно сильно для срабатывания контактной группы, но его еще достаточно для удержания в «сработавшем» состоянии контактной группы. В случае иной конфигурации контактной группы геркона, отличной от рассматриваемой 1 Form A, под «срабатыванием» будет пониматься размыкание группы 1 Form B или переключение 1 Form C. Причем диаграмма чувствительности различна для параллельной (рис.6а) и перпендикулярной (рис.6б) ориентации постоянного магнита-активатора относительно контактной группы геркона.
На основе этого принципа работы магнитоуправляемой герметичной контактной группы можно привести несколько способов управления герконом, представленных на рис.7.
На рис.7а,в,г изображены способы управления контактной группой геркона посредством вращающегося постоянного магнита, причем число срабатываний на один оборот такого активатора будет определяться количеством полюсов магнита-активатора.
На рис.7б приведен способ углового перемещения постоянного магнита-активатора.
На рис.7д магнит неподвижен – перемещается шторка, экранирующая магнитное поле активатора – постоянного магнита.
Основные типы герконов, выпускаемые компанией Standex-Meder Electroincs, приведены в табл.2.
Таблица 2. Основные типы одиночных герконов
| Наименование | Внешний вид и габариты, мм | Рассеиваемая мощность, Вт |
Коммутируемое напряжение, V |
Коммутируемый ток, А | Применение |
| KSK-1A35 |  |
0...20 | 0...200 | 0...1 | Общее, автомобильная аппаратура |
| KSK-1A46 |  |
0...10 | 0...200 | 0...0,5 | КИП |
| KSK-1A66 |  |
0...10 | 0...200 | 0...0,5 | Общее, автомобильная аппаратура |
| KSK-1A87 |  |
0...10 | 0...200 | 0...0,5 | Общее, автомобильная аппаратура, КИП |
При применении одиночных герконов следует помнить, что значительное превышение допустимого коммутируемого тока через контакты может привести к их самопроизвольному размыканию, подгоранию и, как следствие, выходу геркона из строя. Это также относится и к рассматриваемым далее герконовым реле на основе магнитоуправляемых контактов.
Магнитное поле, управляющее контактной группой геркона, может быть создано также соленоидом – катушкой, образующей единый конструктив с герметизированной магнитоуправляемой контактной группой, либо несколькими контактными группами, размещенными в одном корпусе. Принцип работы приведен на рис.8. Магнитоуправляемый контакт, помещенный внутрь соленоида, где наиболее сильное магнитное поле сосредоточено в центре, образует герконовое реле. При возникновении магнитного поля происходит поляризация пластин, вызывающая их взаимное притяжение, и, соответственно, замыкание нормально разомкнутого контакта.
При использовании соответствующей конструкции, материалов и размещении электростатического экрана между колбой и катушкой герконового реле, можно добиться его способности коммутировать сигналы очень малой мощности (порядка нВ или фА) без потери полезной составляющей или с минимальным ослаблением. Достижение таких характеристик другими способами в настоящее время невозможно без значительного повышения цены конечного изделия. Конструкция такого реле приведена на рис.9.
При использовании коаксиального экрана герконовое реле становится таким же, как и линия передачи для высокочастотного сигнала. С уменьшением размера герконовых реле общий габарит корпуса стал менее 8 мм, уменьшая распределенную емкость контакта по отношению к экрану до менее чем 0,8 пФ. Это позволяет герконовым реле коммутировать сигналы с частотой вплоть до 6 ГГц без значительных потерь мощности сигнала (ослабление составит 3 дБ). В настоящее время достижимы вносимые потери на уровне 0,2 дБ в диапазоне 1,1...2 ГГц. Частотные характеристики герконовых реле превосходят современные арсенид-галлиевые высокочастотные КМОП-структуры и являются вполне конкурентоспособными при работе на частотах от 1 ГГц и выше. В настоящее время герконовые реле широко используются в тестовом оборудовании и оборудовании сотовых телекоммуникаций благодаря их превосходным частотным характеристикам.
Помимо герконовых реле, в категорию коммутационной аппаратуры входят также электромеханические и так называемые «твердотельные», полупроводниковые реле. Невозможно указать единственное оптимальное решение для всех случаев применения; выбор того или иного варианта остается за разработчиком. В табл.3 приведены отличия герконовых реле от электромеханических и полупроводниковых. Это позволит выбрать желаемое решение, исходя из требуемых параметров окружающей среды и условий коммутации.
Таблица 3. Характеристики герконовых реле в сравнении с электромеханическими и полупроводниковыми
| Характеристика | Герконовое реле | Электромеханическое реле | Полупроводниковое реле |
| Время переключения, мс | 0,1...1 | Более 5 | Менее 0,1 |
| Средний срок службы | 1010 циклов | 106 циклов | Приближается к бесконечности |
| Энергопотребление, mV | 3 | 50 | 3 |
| Максимальное коммутируемое напряжение, кV постоянного напряжения | 10 | 1,5 | 1,5 |
| Максимальный коммутируемый ток, А | 3 | До 40 | До 40 |
| Минимальная нагрузка, мВт | Не ограничена (мкВ, пА) | 50 | 50 |
| Сопротивление изоляции, Ом | 1014 | 109 | 109 |
| Вносимый шум | Отсутствует | Коммутационные помехи | Очень высокий |
| Вносимые потери, дБ | 0,5 | 0,5 | 2 |
| Чувствительность к перегрузке | Высокая (размыкание) | Нечувствительны | Выход из строя (пробой) |
| Прочее | Линейная характеристика от постоянного тока вплоть до ГГц диапазона | Линейная характеристика от постоянного тока вплоть до ГГц диапазона | Искажения коммутируемого сигнала |
| Гальваническая изоляция (воздушный зазор) | Гальваническая изоляция (воздушный зазор) | Отсутствие гальванической изоляции между высоковольтной и низковольтной частями |
Компания Standex-Meder Electronics является одним из известных производителей электроники, в частности – герметизированных контактов, герконовых реле и датчиков, содержащих магнитоуправляемые компоненты.
С 1987 г. компания производит огромное количество электронных компонентов. Технологический контроль позволяет обеспечивать беспрецедентный уровень качества продукции. Изделия компании широко применяются в различных отраслях промышленности: аэрокосмической и медицинской отраслях, телекоммуникационных системах. Познакомимся с наиболее широко применяемыми сериями реле.
Серия BE выпускается в герметичных пластиковых или металлических корпусах. Эти реле имеют расположение контактов, совместимое с большинством реле, выпускаемым другими мировыми производителями.
Серия DIL применяется, когда необходимо обеспечить высокое напряжение пробоя между выводами (до 4250V).
Серия DIP – общего назначения, совместима со всеми реле данного форм-фактора других производителей.
Серия MS отличается вдвое меньшей занимаемой площадью (всего половина от площади, занимаемой обычным реле). Они используются в качестве реле напряжения. Эта серия также имеет ВЧ-исполнение, способное коммутировать сигналы до 1 ГГц. Реле находят применение в инструментальных устройствах и тестовом оборудовании.
Реле серии NP – миниатюрное реле с большим набором контактных групп в габаритах всего 10,1х22 мм.
Реле серии SIL занимают на печатной плате всего лишь половину площади, занимаемой реле серий DIP или DIL, предоставляя все преимущества герметичной коммутации сигнала.
Реле серии UMS являются самыми миниатюрными, занимая лишь четверть посадочного места реле серии MS. Они обладают характеристиками, аналогичными более «крупной» серии SIL. Катушка этих реле уже содержит защитный диод, а внутреннее экранирование позволяет размещать реле группами, что актуально для использования в коммутационных массивах контрольно-измерительных и телекоммуникационных систем.
Перечень сверхминиатюрных реле, их внешний вид и основные параметры приведены в табл.4.
Таблица 4. Основные параметры и сравнительные характеристики сверхминиатюрных реле Standex-Meder
| Параметр | Серия BE | Серия DIL | Серия DIP | Серия MS | Серия NP | Серия SIL | Серия UMS |
| Внешний вид и габариты |  |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| Напряжение катушки, V | 5...48 | 5...24 | 3...24 | 5...12 | 4...24 | 3...24 | 5...12 |
| Сопротивление катушки, Ом | 30...12000 | 200...11000 | 200...2000 | 280...700 | 500...10000 | 20...2000 | 280...700 |
| Контактные группы | 1 или 2 (A, B, C)(E); 3A, 4A, 5A | 1A, 1C, 2A, 2C | 1A, 1B, 1C, 2A | 1A, 2A, 1B | 1A, 1C, 2A | 1A, 1B, 1C | 1A |
| Номинальная мощность, Вт | 0...100 | 0...50 | 0...50 | 0...10 | 0...15 | 0...50 | 10 |
| Коммутируемое напряжение, V | 0...1000 | 0...500 | 0...500 | 0...200 | 0...500 | 0...500 | 170 |
| Коммутируемый ток, А | 0...1,0 | 0...2,0 | 0...2,0 | 0...0,5 | 0...1,0 | 0...2,0 | 0,5 |
| Максимально допустимый ток через реле, А | 2,5 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 1,25 | 2,0 | 1,0 |
| Напряжение электрического пробоя, V | Свыше 4000 | 250...1500 | 250...1500 | 1500 | 1500 | 200...1500 | – |
При использовании герконовых реле следует руководствоваться следующим:
Герметичные реле имеют ряд преимуществ по сравнению с остальными типами реле, наиболее важным из которых является отсутствие влияния на коммутируемый сигнал в широком диапазоне частот и хорошая изоляция между коммутируемой и управляющей цепями. Широкий ассортимент представленных герконовых реле и их высокая надежность при малых размерах позволяют им занять обширную нишу современного рынка электроники и найти применение в перспективных разработках контрольно-измерительной и промышленной аппаратуры в различных отраслях.
Одиночные магнитоуправляемые герметичные контактные группы находят широкое применение в качестве различных датчиков, основанных на взаимодействии контактной группы геркона и внешнего магнита.