▍ Предисловие
Мне нравится экспериментировать с электрическими процессами в формате хобби. Однажды понадобился галетный переключатель для коммутации слабых аналоговых сигналов датчиков. В барахолках и магазинах можно найти разного формата новые и бывшие в употреблении галетники, советские и современные. Порой продавцы просят за них завышенную цену, потому что контакты переключателей такой конструкции покрыты щедрым слоем серебра. Советская промышленность выпускала хорошие и крепкие переключатели с большим ресурсом и качественными материалами. Но открытые ко внешней среде контакты подвержены постепенному окислению и истончению покрытия, что ведёт к изменению сопротивления между контактами.
Однажды мне пришла в голову идея коммутировать датчики при помощи герконов, обладающих рядом полезных свойств. Геркон — это стеклянная трубка, в которую впаяны электроды, выполняющие роль подвижных контактов, а также пружины и магнитопровода одновременно. Внутри замкнутого объёма находится осушенный воздух, инертный газ или вакуум.
Геркон крупным планом. Фото: André Karwath
Если рассматривать применение в малосигнальных и слаботочных цепях любительских конструкций, герконы имеют множество полезных качеств:
- Малое сопротивление в замкнутом состоянии, способность коммутировать нановольтовые сигналы и фемтоамперные токи.
- Высокое сопротивление изоляции в разомкнутом состоянии.
- Отсутствие привносимого шума и искажений в сигнале.
- Способны проводить постоянный и переменный ток одинаково хорошо.
- Небольшой размер, простота конструкции.
- Долговечность параметров и защищённость контактов. Устройство может работать многие годы без изменения характеристик. (Кто имел дело с аналоговой техникой, выпущенной десятилетия назад, тот знает, что со временем она перестаёт адекватно управляться из-за окисления контактов тумблеров, кнопок и переключателей.)
- Гальваническая развязка между коммутируемой цепью и управляющим магнитом (или электромагнитом в герконовом реле).
Но есть недостатки:
- Из-за упругости подвижных контактов может появляться дребезг, что важно для цифровых устройств.
- Хрупкий баллон, чувствительный к ударам.
- При значительных токах и напряжениях могут происходить эффекты залипания или саморазмыкания контактов. Но они не актуальны для наших применений.
▍ Кратко об истории герконов
Первые разработки герметизированных магнитоуправляемых контактов появились в начале 1940-х годов.
Расцвет развития герконов пришёлся на 1970-е годы, когда бурно развивалась телефонизация и электроника, требующая компактных и быстрых переключателей.
В СССР промышленное производство герконов было организовано на Рязанском металлокерамическом заводе, который выпускает их и поныне.
▍ Применение герконов
Как концевые выключатели и датчики для охранных систем. Принцип работы простой — физически отдалили магнит от датчика, и цепь разорвалась.
Используются они как часть реле. Геркон помещается внутрь соленоида, конструкция оборачивается электрическим экраном и корпусируется.
Герконы могут применяться как составная часть надёжных клавиатур, способных долговременно работать в том числе в условиях внешней среды, запылённости, влажности.
Существует интересная разновидность геркона со смоченными ртутью контактами. Это устраняет дребезг и придаёт устройству рекордную скорость нарастания фронта импульса. В СССР выпускался специализированный геркон КРМ-6, служащий для целей формирования импульсов.
Герконы и сегодня применяются в устройствах как надёжные элементы, соседствуют на платах с SMD-компонентами и микроконтроллерами.
▍ Идея
Мне нравится конструировать технические устройства, и однажды пришла в голову мысль взять лучшее от свойств герконов и соединить с самодельным напечатанным корпусом, в котором бы поворачивался миниатюрный магнит. За несколько рабочих вечеров я создал прототип в программе 3D-моделирования blender.
Небольшой дисклеймер: прошу принять во внимание, что у меня нет профильного технического образования и я занимаюсь всем этим на энтузиазме, попутно разбираясь с нюансами технологических процессов.
В качестве образца взял имеющиеся у меня герконы неизвестной марки, которые были просто ссыпаны в один спичечный коробок. Габариты колбы: длина 20 мм, диаметр 3 мм (похож по габаритам на МКА-20101).
Переключатель состоит из цилиндрического корпуса (показан голубым цветом) и основания (белое), которые соединяются между собой и панелью прибора винтами М2,5 длиной 25 мм и гайками.
Винты со стороны потайной головки упираются в поверхность панели, куда будут установлены переключатели; со стороны гаек усилие передаётся на проушины корпуса. Проушины основания выполнены тонкими, так как служат для центровки. Механическая сила, стягивающая переключатель, передаётся на всю деталь целиком с двух торцов.
Внутри переключателя находится ротор, который опирается на пару конических посадочных поверхностей и на оси. На роторе имеется углубление для установки шарика неодимового магнита диаметром 5 мм.
Я провёл ряд экспериментов и установил, что магнитное поле от шарикового магнита распространённого формфактора (взят он был от игрушки «Неокуб») на расстоянии 4–5 мм надёжно замыкает контакты, при условии, что магнитный полюс шарика располагается перпендикулярно выводу геркона. Оптимальное расположение магнита — примерно в области спая вывода и стекла.
В роторе находится цилиндрическая полость, в которой располагается пружина и защёлка.
На внутренней поверхности корпуса предусмотрены радиально расположенные пазы, в которые входит подпружиненная защёлка.
Я перебрал несколько конструктивных исполнений вала ротора, который служит местом крепления рукоятки, и в итоге придумал следующее: диаметр вала 8 мм, на конце имеется коническая часть с коэффициентом конусности 15 (по большей оси), сечение — овал, полученный масштабированием сечения по одной из осей на 0,8. По моей задумке, должно получиться соединение, которое будет обеспечивать автоматическое позиционирование рукоятки и удержание её за счёт трения, без дополнительных деталей и клея.
В рукоятке имеется ответная часть — глухое коническое отверстие с фаской.
Отверстия для размещения герконов сделаны с запасом. Предполагается их установка после сборки и монтажа пластиковых частей. Выводы геркона следует предварительно залудить и паять уже на месте, используя провод вместе с небольшим отрезком термоусадки, чтобы механически разгрузить место пайки.
К сожалению, у меня сейчас нет возможности самостоятельно напечатать конструкцию. Я буду очень рад, если кто-то поделится своим опытом сборки и замечаниями. Обещаю внести изменения в конструкцию и обновить файлы. STL для печати вы можете скачать по ссылке.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
Комментарии (56)
jar_ohty
29.01.2025 09:56В одностороннем магнитном поле у герконов, особенно крупных (типа КЭМ-1) происходит деформация контактов в сторону поля и они со временем могут выйти из строя. Поэтому крайне желательно надевать на них полюсные наконечники в виде трубок из мягкой стали с зазором напротив контакта. Заодно это обеспечит магнитную фиксацию. Для МКА-20101 и прочей мелочи это неактуально, они вполне терпят неоднородное поле.
Dominikanez
29.01.2025 09:56Можно иллюстрацию (эскиз) привести в качестве примера? Очень заинтересовал способ, но не могу сообразить в точности как это должно выглядеть
REPISOT
29.01.2025 09:56Способны проводить постоянный и переменный ток одинаково хорошо.
А вот это надо смотреть у конкретного геркона.
RichardMerlock
29.01.2025 09:56На заборе тоже пишут всякое. Спека конечно нужна, но и здравый смысл при чтении спецификации тоже надо влюченным держать. Чего только электрическая прочность на 80 ампер стоит.
engine9 Автор
29.01.2025 09:56Эта нелепая ошибка в официальном даташите на герконы с завода, тоже повеселила.
REPISOT
29.01.2025 09:56А что там такого? 150/210В при МДС < 80А. И 200/280 В при МДС>80A.
Дизайнер у них, конечно, так себе.
Вот для другой модельки, у которой нет разделения:
Так понятнее?
engine9 Автор
29.01.2025 09:56Я тоже первым делом полез в даташит, но мне по секрету сказали в одном чате, что мелкие герконы применялись в опытных установках где коммутировали сигналы вплоть до единиц ГГц. Не знаю байка или нет. Но я не думаю, что полоса ограничена 1 кГц, скорей всего на заводе подстраховались.
jar_ohty
29.01.2025 09:56Ничего не мешает коммутировать герконами гигагерцы, кроме того, что на этих частотах надо следить за однородностью линий и согласованием. Так, "пенек", образованный половинкой разомкнутого геркона КЭМ-2 будет разомкнутой четвертьволновой линией на частотах около 5 ГГц, а на более низких частотах будет емкостью, которую обязательно нужно учитывать. А сам геркон в силу ферромагнитности имеет индуктивность заметно более высокую, чем это может показаться.
Я делал из крупных герконов (КЭМ-1, МКА-52202) переключатель антенн, делая из них коаксиальные линии. Он удовлетворительно работал на 144 МГц, и даже на 430 МГц можно было как-то работать (хотя КСВ достигал двойки, когда без него -- 1,2).
JBFW
29.01.2025 09:56При высокой частоте разомкнутый геркон превращается в конденсатор малой емкости - может это имелось ввиду?
Частоту взяли такую, на которой приборы это зафиксировали.
rdp
29.01.2025 09:56Не совсем понятно, зачем нужен такой переключатель. Есть же обычные готовые пакетники, если очень хочется руками переключать.
engine9 Автор
29.01.2025 09:56Конечно есть, но у них контакты со временем окисляются. У знакомого в наследство родственник оставил кучу звковой аппаратуры, которая просто отказывалась работать т.к. у неё все кнопки потеряли функцию замыкания контактов.
zatim
29.01.2025 09:56Герконы - достаточно проблемные изделия чтобы делать на них переключатели или кнопки. Нужно четко выдерживать уровень и направление магнитного поля. Очень плохая повторяемость.
Я пытался на них сделать полностью герметичные кнопки для тангенты. Магнит типа подвижный, а герконы внутри корпуса. Так вот, магниту нужно обеспечить очень большой ход кнопки, чтобы магнитное поле существенно изменялось. Чтобы при удалении-приближении геркон стабильно включался/выключался. И если для одного магнита и пары герконов это удавалось настроить, то для другой приходилось все заново подбирать. Если поле было велико, то геркон не выключался, когда магнит отодвинут, если слабо - то не включался когда придвинут. В общем, поигравшись немного, я понял что это тупиковый путь. Не удивительно, что герконы сейчас почти никто не использует для построения клавиатур и переключателей.
engine9 Автор
29.01.2025 09:56Да у них еще есть гистерезис. Говоря проще: они замыкаются если поднести магнит близко, а размыкаются при отдалении магнита на расстояние вдвое больше.
johnfound
29.01.2025 09:56Герконы довольно чувствительны. Надо было взять магнит послабее.
zatim
29.01.2025 09:56И это основная проблема - нужно каждый раз подбирать магнит. Намагниченность постоянных магнитов довольно существенно отличается от экземпляра к экземпляру. Плюс еще эта намагниченность никак не измеряется и не гарантируется производителем. Сегодня она одна, завтра другая. Нельзя купить магниты с определенным уровнем намагниченности, только если не делать их самому.
Взял я, например, магнит послабее. Геркон выключился, но и включаться перестал)
johnfound
29.01.2025 09:56Ну, конструирование, оно такое – всегда надо что-то подбирать. :) Но вы не правы – производители вполне специфицируют силу своих магнитов. Другое дело допуски, но это тоже обычное дело.
p07a1330
29.01.2025 09:56Как минимум, магниты еще деградиуют со временем
Не быстро, но ощутимо
johnfound
29.01.2025 09:56Все деградирует со временем. Это не значит, что нельзя использовать магнитов. И я не говорю, что надо настраивать все до доли процентов – такое точно означает плохое проектирование. Но и использовать супер мощные магниты "чтобы было" и "кашу маслом не испортишь" тоже неправильно. Все должно быть в правильных границах. Это и называется «проектированием».
xSVPx
29.01.2025 09:56Покупал под 1000 шт магнитов. От разных производителей и от одних, пачками по 100-200 шт.
Совершенно нет ощущения, что они одинаковые. Пальцами разница ощущается.
BSOZ
29.01.2025 09:56Были асинхронные электродвигатели с герконами в роли коллектора (ротор — постоянный многополюсный магнит, статор — 3 группы обмоток, образующих вращающееся магнитное поле). Т.е. ротор поворачивался, смещал магнитное поле постояного магнита позади геркона и обмотки включались, либо отключались. Эдакий BLDC эпохи динозавров. Вполне себе работало в магнитофонах. Однако требовало тонкой настройки: магниты позади герконов имели регулировку положения и расстояния от геркона. Не представляю как это на производстве регулировалось, но я позже использовал такие электродвигатели, когда плёночные магнитофоны утратили актуальность и отправились на запчасти. Эти двигатели были, пожалуй, самыми бесшумными + каким-то неведомым мне способом в довольно широком диапазоне напряжения удерживали частоту вращения без стабилизации по току (какая-то нелинейная зависимость).
А ещё они были особенными в способе подключения: на разъём из двигателя выводились отдельно 6 линий с групп обмоток и отдельно 6 проводов с герконов. Видимо это было необходимо для отладки либо использовалось для коммутации, чтобы изменять направление вращения. Но разъём с 12 пинами на электродвигателе несколько пугал при первом знакомстве.
zatim
29.01.2025 09:56Никогда не встречал двигатели с герконами. Можете найти ссылку на это чудо? Хотелось бы взглянуть.
В весне 205 и некоторых аналогах ставили трехфазные движки в ЛПМ, но там никаких герконов не было, только обмотки обратной связи. Может вы с ними путаете?
BSOZ
29.01.2025 09:56Маленькие: ДБ-035 и ДБ-038, Большой — не вспомнить уже. Большой в теории имел схему полевиками, но на малых токах мог запускаться и через последовательное соединение герконов с обмотками.
sim2q
29.01.2025 09:56Эти двигатели были, пожалуй, самыми бесшумными
Но герконы же отчётливо "тикают" !)
ps Чего только не узнаешь нового про старое :)BSOZ
29.01.2025 09:56Там герконы постоянно находятся в магнитном поле, которое смещается при вращении ротора. Т.е. резких изменений поля нет, поэтому щелчков тоже нет. Герконы находятся между постоянным магнитом (у каждого геркона есть свой узел регулировки с маленьким магнитом) и ротором.
Они практически бесшумные и довольно долговечные: подгоревшие коллекторные встречал много раз, а неисправные двигатели такого типа ни разу не попадались. Т.е. герконы отлично для таких вещей подходят. Разве что характеристики магнитов с возрастом меняются и требуется регулировка.
Moog_Prodigy
29.01.2025 09:56В некоторых конструкциях управление герконом сделано не приближением магнита, а перемещением подвижной шторки-экрана между магнитом и герконом, оба закреплены.
zatim
29.01.2025 09:56Не встречал такие конструкции. Вот с ДХ встречал. В трамблере, например. Там для работы нужно поле намного слабее чем для геркона, ведь все ДХ с усилителями. Чтобы надежно перекрыть слабое поле, шторки достаточно. А если перекрывать сильное поле, от него может уже сама шторка намагнититься.
GardenerX
29.01.2025 09:56Герконы - достаточно проблемные изделия чтобы делать на них переключатели или кнопки. Нужно четко выдерживать уровень и направление магнитного поля. Очень плохая повторяемость.
Ага, я тоже подумал сколько же должна стоить точная механика, автор не заморачивался с изготовлением опытного образца, дорогостоящими длительными испытаниями (а как еще с контактами-то), просто нарисовал картинку и сказал - вот классная вещь из говнопластика и все.
А мог бы просто взять штук 8 показанных им герк. реле РЭС-55 (у дедушки в гараже, если порыться), счетчик, дешифратор и две кнопки "+" и "-". РЭС-55 с позолоченными контактами герконов действительно работают с слабым сигналом в доли миливольта, а случайные герконы из ящика вряд ли.
engine9 Автор
29.01.2025 09:56Я так и планирую поступить. Обращусь к печатнику, сделаю прототип, погоняю.
Возможно раньше сделаю прототип без корпуса. Проверить гипотезу.GardenerX
29.01.2025 09:56А кому нужна пластиковая крутилка, даже если она каким-то чудом какое-то время будет работать? Энтузиасты теплоты звучания признают только металл и стекло. У них даже с кремнием может быть душевная несовместимость, а вы хотите им пластик впарить.
Jack_Vo
29.01.2025 09:56Ну значит конструкторы клавиатур советских ЧПУ дураки. Почти все промышленные клавиатуры были сделаны на герконах и они работают до сих пор, без каких либо проблем.
perfect_genius
29.01.2025 09:56Применение герконов
В крышке ноутбука. Можно поводить магнитом по ней и обнаружить местоположение геркона, когда экран выключится.
ZEvS_Poisk
29.01.2025 09:56Мне думается, что подпружиненных защёлок должно быть 2 штуки, через 180 градусов. Такие, симметричные защёлки не будут стремиться перекосить вал. Отличная разработка!
xSVPx
29.01.2025 09:56Последние пару дней курю что напридумывали люди для умного дома и контроля состояния замков входной двери.
Отзывы по герконам (ставят в косяк геркон, а на ригель магнит) очень противоречивые. Есть отчеты, что раз в год менять приходится если не повезет. Приемлимо работают только пары извлеченные из сигналок. Т.е. надо оттуда взять и геркон и магнит.
Посмотрел я на всё это и решил либо лазерный дальномер если влезет попробовать или датчик холла.
Да, советский геркон был неубиваем. Но сколько будет стоить аналог ? Боюсь тысячи рублей, вряд ли сотни...
Если хочется немеханический переключатель, боюсь придется отказаться от механического геркона :(.
200sx_Pilot
29.01.2025 09:56Но сколько будет стоить аналог ?
Рязанская Металлокерамика вроде до сих пор герконы делает.
Тоннами.
можно подобрать подходящие под задачу.
у меня, к примеру, есть их герконы размером с полноценную сигарету, и есть 7*2мм.
tmxx
ну, если есть магнит, то имеет смысл сделать магнитный фиксатор положения вала.
engine9 Автор
Возможно, что эти магниты будут влиять на герконы и замыкать их своим полем. Выводы у них работают как магнитопровод.
engine9 Автор
Вы знаете, еще один человек высказал ту же идею, значит она хорошая.