ПОСЛУШНЫЙ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ

Среди привычных спутников нашего быта можно назвать и разнообразные приспособления для коммутации электрических цепей. Сетевой тумблер на лицевой панели магнитофона, клавиша включения люстры, кнопка дверного звонка — вот лишь немногие примеры таких устройств. Повседневно пользуясь ими, мы даже не задумываемся о внутреннем устройстве и принципе их действия.

Между тем из-за наличия у обычных электрических коммутаторов подвижного механического узла, связывающего клавишу или кнопку с контактной системой, переключающее устройство трудно сделать герметичным. Представим, что такой переключатель работает в атмосфере с повышенным содержанием химически активных газов или влаги. Проникая внутрь, они вызывают быстрое окисление металлических контакторов, и образовавшаяся на них пленка окислов будет препятствовать прохождению тока. Если же коммутирующий элемент работает при повышенном атмосферном давлении или температуре, то увеличивается проводимость среды между контакторами — возникнет опасность электрического пробоя.

Конечно, в быту мы таких явлений не наблюдаем — в привычных нам условиях коммутирующие устройства действуют надежно. Однако существуют электронные приборы, которым приходится работать в совсем иной обстановке, где все элементы, в том числе и коммутирующие, должны быть особенно стойкими. Ведь даже в бытовых приборах контакторы со временем немного окисляются. Но для выключателя настольной лампы или радиоприемника это не страшно. А вот, например, у ЭВМ окисление контактной системы клавиатуры может привести к сбоям в работе.

Ученым удалось создать более стойкие коммутирующие устройства, способные работать в самых необычных условиях. Новым элементам дали название герметизированные магнитоуправляемые контакты (сокращенно — герконы).

Герконы стали незаменимыми компонентами многих электронных ап паратов и приборов — в автоматике, связи, измерительной и вычислительной технике. Основные функции герконов — коммутация тех электрических цепей, где особенно важны надежность и долговечность переключающего элемента.

Что же представляет собой геркон? Прочитав его развернутое название, многие уже, вероятно, догадались, что его контакторы, заключенные в герметичный (как правило, стеклянный) корпус, срабатывают под воздействием магнитного поля.

В зависимости от выполняемых функций герконы делятся на три группы: работающие на замыкание, размыкание или переключение. Кроме того, различаются они и по конструктивным особенностям: сухие герконы (с сухими контактами) и ртутные, в которых капля ртути смачивает контактирующие поверхности, уменьшая их электрическое сопротивление и предотвращая вибрацию пластин в процессе работы.

Познакомимся с устройством наиболее распространенных герконов. Показанный на рисунке 1 работает на замыкание. Прибор представляет собой стеклянный баллон с двумя заваренными в него пластинами, которые принято называть контактными сердечниками или контакт-деталями. Сердечники расположены так, что между ними остается небольшой зазор. Их внешние выводы служат для подключения к электрической цепи.

Герконы, работающие на размыкание и переключение, изготавливают подобным же образом, только в последние добавлен третий сердечник. Все их пластины — из частично расплющенных отрезков ферромагнитной (пермаллоевой) проволоки. Контактирующие поверхности покрыты тонким слоем благородного металла (золотом, серебром, палладием, родием или сплавами на их основе), что повышает эррозионную устойчивость сердечников и снижает сопротивление в области замыкания контактов. Внутри баллона — вакуум либо инертный газ (азот, водород или азотно-водородная смесь): такая среда препятствует окислению контактных площадок сердечников.

Как же действуют герконы? Предположим, в исходном состоянии сердечники их разомкнуты. При воздействии на них магнитным полем, созданным электрическим или обычным постоянным магнитом, контакт-детали притягиваются друг к другу и замыкаются. При уменьшении напряженности ниже определенной величины сердечники под действием упругих сил размыкаются, возвращаясь в первоначальное положение. Таким образом, контакт-детали в герконе выполняют сразу три функции: магнитопровода, пружин и электрических контакторов.

Итак, мы с вами выяснили, что герконы реагируют на изменение напряженности магнитного поля. А как ими командуют в реальных приборах? Самый распространенный и рациональный способ — управление с помощью линейно перемещающегося постоянного магнита; реже — с угловым перемещением или движущимися шторками, шунтирующими магнит (рис. 2). Кроме того, герконы помещают внутрь соленоида или располагают рядом с электромагнитом. В этих случаях коммутация сердечников происходит в момент подачи напряжения на обмотку.

Основные области применения герконов — датчики, позиционные переключатели и электромагнитные реле. Работая как датчик, геркон выполняет функцию пассивного элемента, реагирующего на изменение напряженности магнитного поля. В позиционных переключателях герконами управляют способами, изображенными на рисунке 2 а—в; а электромагнитные реле выполняют на основе конструкций, показанных на рисунке 2 г, д. Естественно, что им придают законченный вид, помещая в корпус.

На электрических схемах герконы обозначают как обычные коммутационные устройства, но обведенные окружностью (рис. 3). Если магнитоуправляемый контакт является частью электромагнитного реле, его обозначают буквой К, а если он работает как самостоятельный элемент коммутации — буквенным кодом SF. После буквенного обозначения следует порядковый номер данного прибора в схеме.

Какие же параметры характеризуют магнитные и электрические свойства герконов? Их несколько. В первую очередь это величины магнитодвижущей силы срабатывания Uср и отпускания Uотп, определяющие, при каких значениях напряженности магнитного поля происходит замыкание и размыкание контакторов геркона. Затем — электрическое сопротивление зазора между сердечниками (в разомкнутом состоянии), которое принято называть сопротивлением изоляции Rиз, и сопротивление контактной области, образующейся при замыкании сердечников,— его называют сопротивлением контактного перехода Rк. Электрическую прочность геркона характеризуют пробивным напряжением Uпр. И еще один параметр — максимальная мощность коммутируемая прибором.

Механические свойства геркона характеризуются тремя основными показателями. Технический ресурс — максимальное число срабатываний Nм, при котором все основные параметры геркона остаются в допустимых пределах; а также значения времени срабатывания tср и отпускания tотп, характеризующие быстродействие прибора.

Герконы обладают рядом преимуществ перед остальными механическими коммутирующими устройствами: более надежны в эксплуатации, так как имеют высокую электрическую прочность и защищены от загрязнений, коррозии и окисления контакторов; отличаются высоким быстродействием и длительным сроком службы. Есть у герконов преимущества и перед полупроводниковыми коммутирующими элементами. Магнитоуправляемые контакты менее чувствительны к переходным процессам в электрических цепях, меньше подвержены влиянию нагрузки, не требуют согласования с ней.

Однако не лишены герконы и недостатков. К ним относятся малые коммутируемые токи, небольшое число контактных групп в одном баллоне, наличие так называемого «дребезга контактов» (у сухих герконов), подверженность воздействию внешних магнитных полей, невысокая механическая прочность.

Учитывая особенности герконов, их достоинства и недостатки, можно рекомендовать использовать эти приборы лучше всего там, где нельзя применять обычные коммутирующие устройства.

А теперь — пример практического использования герконов. В устройстве, о котором пойдет речь, магнитоуправляемый контакт выполняет роль датчика, используемого для экзаменатора или викторины (осуществлять контроль знаний учащихся по различным предметам школьной программы или выявлять наиболее эрудированных ребят при проведении викторин, конкурсов, игр). Работать с таким устройством очень просто. На пульте устанавливают контрольную карточку с пятью вопросами (рис. 4). Напротив каждого — пять вариантов ответа. Специальным щупом испытуемый поочередно касается тех сегментов, на которых, по его мнению, даны правильные ответы. Индикатор, расположенный на лицевой панели прибора, высвечивает количество правильных ответов.

Разобраться в принципе работы устройства лучше всего по его принципиальной схеме (рис. 5). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран ждущий мультивибратор, а роль датчика выполняет геркон SF1.

Сразу раскроем секрет нашего прибора. Геркон SF1 расположен внутри щупа, а под каждым сегментом контрольной карточки с правильным ответом установлен магнит. Выбрал правильный ответ, коснулся щупом нужного сегмента — геркон отреагирует замыканием своих сердечников, и счетный узел воспримет информацию. Если ответ неверный, геркон не сработает.

В исходном состоянии (после включения питания) магнитное поле не воздействует на геркон, его контакты разомнуты, а на выходах счетчика DD2 устанавливаются логические нули. В это время сегменты знакосинтезирующего индикатора HG1 не горят, так как на вход «Г» («Гашение») дешифратора DD3 через тумблер SA1 подано напряжение низкого логического уровня. Сделано это для того, чтобы испытуемый не видел, какие ответы он выбрал правильно, а какие — нет.

Предположим, щуп коснулся сегмента с правильным ответом, и контакты геркона SF1 кратковременно замкнулись. Ждущий мультивибратор отреагирует на это коротким импульсом на выходе 8 элемента DD1.2. Импульс поступит на вход счетчика DD2, информация на его выходах примет значение 0001. В противном случае геркон (а следовательно, и мультивибратор) не сработает и логический код на выходах DD2 не изменится.

Допустим, вы выбрали три правильных и два ошибочных ответа. На последние устройство не среагирует, а вот при каждом правильном ответе мультивибратор будет вырабатывать короткий импульс. Счетчик их просуммирует, и логический код на его выходах примет значение 0011. Теперь преподаватель или ведущий викторины переключает тумблер SA1. На входе «Г» DD3 устанавливается логическая единица, дешифратор преобразует четырехзначный код в семиразрядный, и на индикаторе HG1 загораются сегменты a, b, с, d, g, образуя цифру «3» — количество правильных ответов. Если же вы ответили на все вопросы, на табло тогда загорится цифра «5». Принцип тут очень простой — за каждый точный ответ прибавляется одно очко.

Чтобы привести устройство в исходное состояние, кратковременно нажимают кнопку SB1 — накопленная счетчиком информация сотрется, и на его выходах вновь установится логический код 0000. Затем, переведя тумблер SA1 в исходное состояние, гасят индикатор. Можно приступать к следующему опросу.

Ждущий мультивибратор необходим для защиты входа счетчика от дребезга контактов при срабатывании геркона (поскольку мультивибратор во всех случаях выдает с выхода DD1.2 одиночный импульс).

Питается устройство от батарейного стабилизированного источника с выходным напряжением 5 В, собранного по типовой схеме (рис. 6). Конденсаторы С2—С4 подключаются непосредственно к выводам питания микросхем и вместе с конденсатором С6 защищают их от сбоев в работе, происходящих из-за различных электрических помех в питающей цепи.

Элементы счетного узла и источника питания размещаются на монтажной плате размером 90X45 мм, выполненной из фольгированного гетинакса или текстолита толщиной 1—2 мм (рис. 7).

В устройстве можно применить следующие детали. Микросхема DD1 — К155ЛАЗ или К133ЛАЗ DD2 — К155ИЕ5 или К133ИЕ5, DD3 — К514ИД1 или КР514ИД1. Индикатор — АЛС324А1 или любой другой с разделенными анодами. Транзистор — серии КТ602АМ (БМ), КТ805АМ (БМ), КТ815, КТ817 или КТ819 с любым буквенным индексом. Стабилитрон — КС156А или КС147А. Геркон — КЭМ-1, КЭМ-2, КЭМ-3, КЭМ-6 с любым буквенным индексом. Оксидные конденсаторы — типа К50-6 или К50-16, остальные — малогабаритные керамические, например КМ5, КМ6. Резисторы — любой марки. Тумблеры — ПДМ, ТЗ-С, МТ1, МТД1, кнопочный переключатель П2К или подобный. Батарею питания составьте из двух напряжением по 4,5 В («Планета-2», «Рубин») или из шести гальванических элементов по 1,5 В («Орион», «Прима»).

В качестве корпуса можно использовать подходящую пластмассовую коробку размером примерно 200Х100X50 мм. На лицевой панели (рис. 4) установите тумблеры и кнопочный переключатель, а также сделайте отверстие под табло знакосинтезирующего индикатора. Отверстие лучше всего заклеить тонкой прозрачной пленкой темно-синего или зеленого цвета. Там же закрепите контрольную карточку с вопросами. Таких карточек нужно сделать много — с разными вопросами и различными комбинациями расположения сегментов с правильными ответами. Предусмотрите такое крепление карточек, которое позволяло бы легко и быстро их менять. Батареи питания расположите на дне корпуса, а плату с элементами — с внутренней стороны лицевой панели, индикатором вверх.

Лицевую панель сделайте съемной, чтобы можно было менять расположение магнитов. Пример выполнения узла магнитных датчиков показан на рисунке 8. Магниты высотой 10 — 20 мм могут быть любой формы, но они не должны выступать за пределы своих сегментов на контрольной карточке. Желательно, чтобы все пять магнитов были одинаковыми. Их устанавливают на металлической скобе (например, стальной). Положение скобы подбирают таким образом, чтобы расстояние между магнитами и поверхностью карточки было достаточным для срабатывания геркона.

Теперь расскажем о том, как собрать щуп. Вариант его конструкции показан на рисунке 9. Геркон устанавливают на небольшой плате из тонкого гетинакса или текстолита и крепят к корпусу-ручке. Ее можно сделать самим или использовать готовую ручку от безопасной бритвы. С наружной стороны платы приклейте несколько амортизирующих прокладок из поролона или мягкой резины — они будут защищать геркон от поломки при слишком сильном нажатии щупа на карточку. Щуп соедините с основным устройством при помощи длинных (2—3 м) монтажных проводов в изоляции.

Прибор не нуждается в налаживании. Если вы применили исправные детали и не допустили ошибок в монтаже, он начнет работать сразу после включения питания.

В заключение несколько слов о том, как обращаться с прибором. При работе с ним необходимо следить, чтобы испытуемый не нарушал правила — не пытался проводить щупом по всем вариантам ответа на вопрос. Меняя карточку и размещение магнитных датчиков, старайтесь располагать каждый магнит строго под сегментом с правильным ответом.

Выбирая ответы, не нажимайте щупом на контрольную карточку слишком сильно — можно повредить геркон.

Э. АПРЕЛЕВ