Геркон Советский патент 1981 года по МПК H01H1/66 

(54) ГЕРКОН

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке коммутационных элементов автоматики.

Известны герметизированные контакты (герконы), например, мембранного типа, содержащие герметичный корпус, внутри которого находятся ферромагнитные контакты, которые могут быть выполнены в виде полого сердечника и мембраны. В зависимости от технических требований форма мембраны может быть изменена, в частности мембрана может иметь отверстие в центральной части 1.

Однако повышение коммутируемой мощности таких герконов сопровождается, вопервых, увеличением массы, т. е. инерционности подвижных контактов для достижения допускаемого значения плотности проходящего через них тока коммутируемой электрической цепи, во-вторых, увеличением зазора между соприкасающимися участками контактов для уменьшения их электрической эрозии, поэтому такие герконы не могут обеспечить достаточного быстродействия. В то же время наличие электрической эрозии, одной из форм которой является разбрызгивание материала соприкающихся участков

контактов в момент возникновения дугообразования между ними, затягивает процесс отключения электрической цепи герконом и снижает его надежность. Кроме того, для обеспечения индикации состояния герконов требуются дополнительные источники электрической энергии.

Известен также геркон, содержащий баллон, разделенный на две герметизированные полости, два контактных сердечника, установленных в баллоне и имеющих выводы с одного из его торцов, и два электрода, каждый из которых расположен на одинаковом расстоянии от контактных сердечников, при чем полость баллона, расположенная ближе к выводам контактных сердечников, заполнена инертным газом 2.

В указанном герконе во время ионизации газа при разомкнутых контактных сердечниках через газоразрядный промежуток протекает электрический ток коммутируемой цепи. При этом на газоразрядном промежутке происходит падение напряжения,поэтому ток в коммутируемой цепи дост гает номинального значения только пс надежного замыкания контактных серде ков. Изменение коммутируемого ток%в I MOHTi.i замыкашш li размыкания контактных ..Г)Лсч1П1К()в прмводят к возникновению переNo;i i ; x процессов в коммутируемой цепи, по-/му существует опасность возникновения лугоооразооания между соприкасающимися |Оьо)хностями конгактных сердечников. того, переходное сопротивление замкнутых контактов намного гушньше сопротивления газоразрядного промежутка между контактными сердечниками, через которые посл.е их замыкания протекает практически весь коммутируемый ток, и масса контактны сердечников возрастает нропорционально коммутируемой мощности. Вследствие этого такой геркон не обеспечивает необходимого быстродействия и надежности, 11 область применения его ограничена. Це,:п изобретения - расширение области применения геркона. Указанная цель достигается тем, что в герконе, содержащем баллон, разделенный на две герметизированные полости, два контактных сердечника, установленных в баллоне и имеющих выводы с одного из его торцов, и два электрода, каждый из которых расположен на одинаковом расстоянии от контактных сердечников, причем полость баллона, расположенная ближе к выводам контактных сердечников, заполнена инертным газом, электроды введены в эту полость. Электроды могут быть установлены с внелней сторонь контактных сердечников. Электроды могут быть установлены также между контактными сердечниками. При этом,с целью расширения функциональных возможностей, расположенная ближе к выводам контактных сердечников полость может быть разделена электродами и контактными сердечниками на участки, изолированные друг от друга спаем стекла с . металлом и заполненные газом с различным : цветом излучения. Кроме того, изолированные друг от друга участки полости, расположенной ближе к выводам контактных сердечников, могут быть заполнены газом под различным давлением. Размещением электродов внутри полости, расположенной ближе к выводам контактных сердечников, достигается возможность подачи на электроды как переменного, так и постоянного ионизирующего источника этого напряжения для компенсации падения напряжения на газоразрядных промежутках. Изоляция частей полости, расноложенной ближе к выводам контактных сердечников, и заполнение этих частей газом с различным цветом излучения при его ионизации позволяет расширить индикационные возможности геркона путем использования газов или паров, например, ртути, имеющих различные спектры лучеиспускания. В частности, неон имеет оранжево-красное свечепне, аргон - фиолетовое, пары ртути - голубое. Кроме того, заполнение различными газамп позволяет изменять пробивное напряжение газоразрядных промежутков, что может быть достигнуто также изменением давления используемого газа или газов. На фиг. 1 изображен первый вариант геркона, фронтальная проекция; на фиг. 2 - то же; вид сверху; на фиг. 3 - структурная схема включения геркона в коммутируемую электрическую цепь; на фиг. 4 и 5 - эквивалентные электрические схемы состояния этой цепи соответственно перед замыканием (в момент размыкания) контактных сердечников и после их замыкания; на фиг. б - второй вариант геркона, фронтальная проекция; на фиг. 7 - то же, вид сверху; на фиг. 8 - третий вариант геркона, фронтальная проекция; на фиг. 9 - то же, вид сбоку; на фиг. 10 - четвертый вариант геркона, фронтальная проекция; на фиг. 11 - то же, вид сбоку; на фиг. 12 - эквивалентная электрическая схема .включения геркона, выполненного по первому (фиг. 1) или второму (фиг. 6) варианту, от момента размыкания его контактных сердечников до момента включения электрической коммутирующей цепи. Геркон, выполненный по первому варианту (фиг. 1 и 2), содержит герметизированный -стеклянный баллон 1, имеющий полости 2 и 3. Полость 2 вакуумирована, ив ней находятся контактные элементы ферромагнитных контактных сердечников 4 и 5, соответствующие токовводы б и 7 которых проходят через полость 3, заполненную неоном, где они отделены друг от друга газоразрядным промежутком 8. В эту же полость 3 введены электрод 9, отделенный от токовводов б газоразрядным промежутком 10, и электрод 11, отделенный от токоввода 7 газоразряднЕ ш промежутком 12. К токовводу 6 (фиг. 3) подключен через нагрузку 13 плюсовой вывод источника 14 постоянного тока, к токовводу 7 - его минусовой вывод. К электродам 9 и 11 подключены соответствующие выводы управляемого источника 15, последовательно с которым включено балластное сопротивление 16. Геркон работает следующим образом. Если предполагаемое время включения коммутируемой электрической цепи, состоящей из источника 14 и нагрузки 13, меньще времени, необходимого для замыкания и последующего размыкания контактных сердечников 4 и 5, тогда в течение времени включения возбуждают источник 15, включенный согласно с источником 14, чем увеличивают напряженность электрического поля в газоразрядных промежутках 10 и 12 величины, достаточной для их ионизации, после чего источник 15 компенсирует падение напряжения на последовательно соединенных сопротивлениях 16 и промежутках 10 и 12, чем достигается протёкание через нагрузку 13 номинального тока (фиг. 4, где промежутки 10 и 12 условно обозначены в виде разрядников, а стрелкой показано направление тока). Для отключения коммутируемой цепи возбуждение источника 15 прекращается, газоразрядные промежутки 10 и 12 деионизируются, чем достигается отключение источника 14 от нагрузки 13. Если предполагаемое время включения равно или больше суммарного времени замыкания и размыкания контактных сердечников 4 и 5, тогда одновременно возбуждается источник 15, а вдоль оси баллона 1 создается магнитное поле. При этом до замыкания контактных сердечников 4 и 5 ток в коммутируемой цепи создается указанным образом. После замыкания сердечников 4 и 5 под действием магнитного поля ими образуется смежная ветвь двух контуров, в один из которых входят источник 14 и нагрузка 13, а в другой - источник 15, сопротивление 16 и промежутки 10 и 12 (фиг. 5, где стрелками показаны направления токов в контурах). При этом не изменяются величины возбуждения источников 14 и 15 токов, направления которых в ветви, образованной контактными сердечниками 4 и 5, противоположны, т. е. результирующая величина коммутируемого ими тока равна разности токов в контурах - нулю вследствие их равенства, чем достигается отсутствие дугообразования между соприкасающимися участками сердечников 4 и 5 в момент их замыкания. После надежного замыкания сердечников 4 и 5 величина тока, возбуждаемого источником 15, изменяется до величины, при которой достигается требуемая яркость излучения света ионизированными промежутками 10 и 12 (величина тока может быть уменьшена также до нуля, когда в излучении ответа геркона нет необходимости или гальваническая связь между источниками 14 и 15 нежелательна), что сопровождается деионизацией газа в промежутках 10 и 12). В момент снятия магнитного поля ток, возбужденный источником 15, вновь восстанавливается до минимального значения в течение промежутка времени, достаточного для появления между соприкасающимися поверхностями контактных сердечников 4 и 5 зазора, пробивное напряжение которого больще, чем пробивное напряжение промежутка 8, При этом изменение тока в коммутируемой цепи в момент размыкания сердечников 4 и 5 отсутствует, чем обеспечивается отсутствие дугообразования между их соприкасающимися поверхностями, после образования выщеуказанного зазора между которыми возбуждение источника 15 прекращается, а газ в промежутках 10 и 12 деионизируется. При этом в случае отсутствия в нагрузке 13 индуктивности процесс коммутации заканчивается. Если же индуктивность имеется, тогда за счет возникающего перенапряжения происходит пробой газоразрядного промежутка 8, и процесс коммутации заканчивается после израсходования энергии, запасенной в индуктивности, и деионизации промежутка 8. При изменении полярности источника 14 необходимы соответствующие изменения полярности источника 15, при выполнении которого двухполярным величина напряжения на его выходе от момента размыкания контактных сердечников 4 и 5 до момента выщеописанного включения коммутируемой цепи может быть установлена равной величине напряжения на выходе источника 14, причем источники 14 и 15 включаются встречно. В этом случае состояние коммутируемой и управляющей цепей эквивалентно состоянию цепей и схеме, изображенной на фиг. 12. Это позволяет уменьщить величину пробивного напряжения промежутков 10 и 12 (т. е. соответственно снизить напряжение их горения для уменьшения мощности, рассеиваемой на них во время включения коммутируемой цепи, и уменьщить мощность источника 15). Геркон, изображенный на фиг. 6 и 7, содержит герметизированный стеклянный баллон, имеющий полости 2 и 3. Полость 2 вакуумирована, и в ней размещены контактные элементы ферромагнитных контактов сердечников 4 и 5, соответствующие токовводы 6 и 7 которых проходят через полость 3, где они отделены друг от друга промежутком 8, а их боковые участки впаяны в тело баллона 1, чем достигается изоляция промежутка 8 от полости 3 и деление ее на части, в одной из которых размещен дополнительный электрод 9, отделенный от токоввода б промежутком 10, а в другой - электрод 11, отделенный от токоввода 7 промежутком 12. Промежуток 8 заполнен аргоном, в части полости 3 - неоном. Схема включения и работа геркона аналогичны первому варианту, за исключением того, что при наличии перенапряжения в коммутируемой цепи геркон излучает фиолетовый цвет вследствие ионизации аргона в промежутке 8, в то время, как включенное состояние геркона характеризуется оранжево-красным излучением неона в промежутках 10 и 12. Геркон, изображенный на фиг. 8 и 9, содержит герметизированный стеклянный баллон 1, имеющий полости 2 и 3. Полость 2 вакуумирована, и в ней размещены контактные элементы ферромагнитных контактных сердечников 4 и 5, соответствующие токовводы 6 и 7 которых проходят через наполненную неоном полость 3, где они отделены друг от друга промежутком. В полости 3 размещены также электрод 9, отделенный от токоввода б промежутком 10, а от токоввода 7 - промежутком 17, и электрод 11, отделенный от токоввода 7 промежутком 12, а от токоввода 6 - промежутком 18. При этом электроды 9 и 11 также отделены друг от друга промежутком 8. Схема включения. геркона представлена на фиг. 3. Геркон. работает следующим образом. Во время создания магнитного поля вдоль оси баллона (фиг. 8, 9 и 3) возбуждается источник 15, с выхода которого через сопротивление 16 напряжение подается на электроды 9 и 11. При этом разность потенциалов между электродом 9 и токовводом 7, а также между электродом 11 и токовводом 6 уменьшается, так как на эти пары подается напряжение одинакового знака, и напряжение электрического поля в зазорах 17, 18 соответственно уменьшается, что исключает их пробой. В то же время разность потенциалов между электродом 9 и токовводом 6, а также между электродом 11 и токовводом 7 увеличивается, так как на эти пары подается напряжение противоположного знака, и напряженность электрического поля в зазорах 10 и 12 соответственно увеличивается до величины, достаточной для их п-робоя, чем достигается согласное включение источников 14 и 15, и в на. грузке 13 устанавливается номинальный ток. После надежного замыкания контактных сердечников 4 и 5 под действием магнитного поля ток, возбуждаемый источником 15, изменяется до величины, при которой обеспечивается необходимая яркость излучения света герконом. В момент отклонения магнитного поля источником 15 вновь возбуждается ток, равный номинальному току, протекающему через нагрузку 13, на время размыкания контактных сердечников 4 и 5, после чего возбуждение источника 15 прекращается, напряжение на его выходе уменьшается до нуля, газ в промежутках 10 и 12 деионизируется и процесс коммутации заканчивается. При изменении полярности источника 14 в изменении полярности источник а 15 для осуществления их согласного включения нет необходимости, так как в этом случае такое включение осуществляется автоматически аналогичным образом через газоразрядные промежутки 17 и 18. Для надежной работы такого геркона необходимо, чтобы пробивное напряжение каждого из промежутков 10, 12, 17 и 18 было одинаковым и имело величину по меньщ,ей мере вдвое меньшую, чем величина про.бивного напряжения промежутка 8 между электродами 9 и 11. При этом максимальное рабочее время напряжения геркона должно быть меньше меньшего из трех значений напряжения горения промежутков 8 между токовводами 6 и 7 или, учитывая технологический разброс, меньше суммарного значения напряжений горения одной из пар промежутков - 10, 12 или 17, 18, причем минимальное рабочее напряжение геркона должно быть больше, чем абсолютное значение разности суммарных значений пробивных напряжений этих же пар промежутков10, 12 и 17, 18. Вследствие того, что при изменении направления коммутируемого тока, соответственно, ионизируются различные пары промежутков - 10, 12 или 17, 18, - то по пространственному изменению источников излучения света возможно визуальное определение напряжения тока в коммутируемой цепи. Геркон, представленный на фиг. 10 и 11, содержит герметизированный стеклянный баллон 1, имеюш,ий полости 2 и 3. Полость 2 вакуумирована, и в ней размещены контактные элементы ферромагнитных контактных сердечников 4 и 5, соответствующие токовводы 6 и 7 которых проходят через полость 3, где средние участки их поверхности вдоль оси баллона 1 отделены друг от друга по стеклянным спаям 8, к свободным сторонам которого прикреплены также электрод 9, отделенный от токоввода газоразрядным промежутком 10, а от токоввода 7 - промежутком 17, и электрод 11, отделенный от токоввода 7 промежутком 12, а от токовода 6 - промежутком 1, причем электроды 9 и 11 расположены по обе стороны спая 8 симметрично относительно друг друга и токовводов 6 и 7. Периферийные боковые участки электродов 10 и 12 и токовводов 6 и 7 впаяны в тело баллона 1, чем достигается изоляция друг, от друга промежутков 10 и 12, наполненных неоном, и промежутков 17 и 18, заполненных аргоном. Схема включения и работа геркона- аналогичны схеме включения и работе геркона, представленного на фиг. 8 и 9, за исключением того, что в зависимости от направления коммутируемого тока изменяется цветность излучения света геркона, так как ионизация промежутков 10 и 12 сопровождается оранжево-красным излучением неона, а ионизация промежутков 17 и 18 - фиолетовым излучением аргона, равенство пробивных напряжений которых достигается соответствующим давлением газа, Следует отметить, что полость, в которой размещены контактные элементы ферромагнитных контактных сердечников 4 и 5, может быть не только вакуумирована, но и заполнена защитным газом или диэлектрической жидкостью, например трансформаторным маслом, а участки 6 и 7 токоввода, расположенные против дополнительных электродов, могут быть выполнены как из ферромагнитного, так и из неферромагнитных материалов, причем промежутки между ними могут быть заполнены также смесью газов, содержащий, например, водород. Для надежной работы геркона быстродействие компенсирующего источника должно быть по меньшей мере того же порядка, что и процесс ионизации газоразрядных промежутков между дополнительными электродами и соответствующими участками токовводов контактных сердечников, причем время ионизации этих промежутков должно быть меньше, чем время ионизации промежутка между соприкасающимися участками контактных сердечников, в случае заполнения полости, в которой они размещены, газом. Для уменьшения мощности компенсирующего источника и уменьшения рассеиваемой мощности на газоразрядных промежутках один из дополнительных электродов может быть соединен с соответствующим токовводом, однако в этом случае ухудшается развязка между коммутируемой и управляющей цепями. Отсутствие дугообразования между соприкасающимися участками контактных сердечников позволяет уменьщить величину зазора между ними, чему способствует высокая диэлектрическая прочность вакуума. Формула изобретения . Геркон, содержащий баллон, разделенный на две герметизированные полости, два контактных сердечника, установленных в баллоне и имеющих выводы с одного из его торцов, и два электрода, каждый из которых расположен на одинаковом расстояJ2НИИ от контактных сердечников, причем полость баллона, расположенная ближе к выводам контактных сердечников, заполнена инертным газом, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, электроды введены в полость баллона, расположенную ближе к выводам контактных сердечников. 2.Геркон по п. 1, отличающийся тем, что каждый электрод установлен между одним из контактных сердечников и стенкой баллона. 3.Геркон по п. 1, отличающийся тем, что электроды установлены между контактными сердечниками. 4.Геркон по пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что, с целью расщирения функциональных возможностей, между электродами введена герметизирующая перегородка в виде спая стекла с металлом, разделяющая полость, баллона, расположенную ближе к выводам контактных сердечников, на две части, каждая из которых заполнена газом с различным цветом излучения. 5.Геркон по п. 1, отличающийся тем, что части полости, расположенной ближе к выводам контактных сердечников, заполнены газом под разным давлением. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Буль Б. К., Пучков А. С., Шоффа В. Н. Клапанно-генестковые и мембранные герметизированные магнитоуправляемые коммутирующие устройства. М., 1973, с. 18, 19.

10

15

9

4,,

)

147/

7 12

(риг. 5

фиг. 6 S фиг. 8

8

П

фиг.7 5

10

фиг. W

73

12

фиг .11

15