Как работают герконы (магнитоуправляемые переключатели)

Если у вас есть ноутбук
или мобильный телефон, который открывается
как раскладушка, вы, вероятно, заметили, что он чувствует, когда вы
его открываете и закрываете, и включается или выключается соответственно. Но как он это
знает? Какой-то переключатель, подключенный к шарниру, чтобы
он мог определять движение открытия и закрытия? Если вы так
думаете, вы, по крайней мере, наполовину правы! Подумайте об этом более внимательно, и
вы увидите, что стандартный переключатель было бы довольно сложно подключить таким образом
— и, вероятно, он также был бы довольно ненадежен: все эти открытия и закрытия
быстро изнашивают его. Поэтому вместо этого во многих ноутбуках и телефонах используется недорогое
и очень надежное устройство, называемое герконом, который включается или выключается, когда рядом находится магнит. Охранные сигнализации и модели железных дорог также часто используют их. Давайте подробнее рассмотрим,
как они работают!

Фото: Типичный герконовый переключатель (Comus RI-23). ​​Вы можете видеть только два перекрывающихся металлических контакта (язычка) внутри стеклянной оболочки. Контакты пружинят вместе и соприкасаются, когда переключатель «включен»; они пружинят друг от друга и прерывают цепь, когда переключатель «выключен».

Какую проблему решают герконы?

Переключатель подобен подъемному мосту в электрической
цепи. Когда переключатель замкнут, «мост» опущен, и электрический ток может
течь по цепи; когда переключатель разомкнут, «мост» поднят,
и ток не течет. Таким образом, цель переключателя — активировать или
дезактивировать цепь в момент по нашему выбору.

Фото: Переключатель «push-to-make» устанавливает соединение и замыкает цепь, когда вы нажимаете на него; пружина
заставляет его выскочить обратно, когда вы убираете палец. Герконовый переключатель
включает ток таким же образом, но вместо вашего пальца «давящее давление» обеспечивает магнит.

Большинство электрических выключателей, с которыми мы сталкиваемся, мы контролируем сами. Если
вам нужен свет в комнате, вы щелкаете выключателем
на стене. Хотите посмотреть телевизор? Включите выключатель. Хотите послушать
свой iPod? Нажмите на
колесо спереди, и это активирует выключатель, который включает питание
. Но иногда мы хотим, чтобы электрические и электронные
цепи активировались другими способами.

Предположим, вы хотите подключить банковский сейф так, чтобы он
активировал сигнализацию при каждом открытии двери. Как это будет работать на практике? Вам понадобятся электрические
контакты на обеих частях дверной рамы, чтобы при открытии двери цепь
разрывалась, активируя сигнализацию. Но подумайте, насколько сложно
будет сделать надежное электрическое соединение на дверной раме.
А что, если вы покрасите ее? А что, если она испачкается? И разве не будет это настолько очевидно
для вора, что он сможет довольно легко отключить ее? Существует множество
способов, с помощью которых электрический контакт может быть сделан неактивным и
бесполезным. Вот где могут помочь герконовые переключатели.

Что такое геркон?

Обычный выключатель имеет два электрических контакта, которые соединяются,
когда вы нажимаете кнопку, и разъединяются, когда вы ее отпускаете.
Кулисные переключатели на настенных светильниках (соедините два контакта, когда
выключатель находится в одном положении, и разъедините их, когда выключатель
щелкает в другую сторону).

В типичном герконовом переключателе два контакта (которые выглядят как металлические язычки) сделаны из ферромагнитного
материала (то есть материала, который так же легко намагничивается, как железо), покрыты износостойким металлом, таким как родий или рутений (чтобы обеспечить им долгий срок службы при включении и выключении), и запечатаны в тонкую стеклянную оболочку, заполненную инертным газом (обычно азотом), чтобы защитить их от пыли и грязи. Иногда стекло имеет внешнюю оболочку из пластика для еще большей защиты. Обычно контакты сделаны из сплава никеля и железа, который легко намагничивается (технически мы говорим, что он имеет высокую магнитную проницаемость), но не остается таким долго (мы говорим, что он имеет низкую магнитную удерживающую способность). Им требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения магнитного поля (мы говорим, что у них довольно большой гистерезис) — другими словами, они движутся довольно медленно и плавно. Обычно движутся оба контакта (а не только один) и они образуют плоскую параллельную область контакта друг с другом (а не просто соприкасаются в одной точке), поскольку это помогает продлить срок службы и надежность переключателя.

Хотя большинство герконовых переключателей имеют два ферромагнитных контакта, некоторые из них имеют один ферромагнитный контакт и один немагнитный, а некоторые (например, оригинальный герконовый переключатель Elwood, показанный в конце этой статьи) имеют три контакта.

Фото: Другой вид моего геркона, вид сверху на подвижные контакты в их герметичной стеклянной оболочке. Обратите внимание, что контакт справа находится чуть выше контакта слева. Здесь вы также можете увидеть, что контакты намного шире, чем они кажутся на виде сбоку, показанном на верхнем фото.

Как работает геркон?

Герконовые переключатели бывают двух основных видов: нормально разомкнутые (нормально выключенные) и нормально замкнутые (нормально включенные). Ключ к пониманию того, как они работают, заключается в осознании того, что они работают не только как электрический мост, но и как магнитный : через них течет магнетизм, а также электричество.

Нормально открытый

Когда вы подносите магнит к геркону, весь переключатель фактически становится частью «магнитной цепи», которая включает магнит (пунктирная линия на рисунке показывает часть магнитного поля). Два контакта геркона становятся противоположными магнитными полюсами, поэтому они притягиваются и защелкиваются. Неважно, какой конец магнита приближается первым: контакты все равно поляризуются противоположными способами и притягиваются друг к другу. Такой геркон нормально открыт (НО) (обычно выключен), если только магнит не расположен прямо рядом с ним, когда он включается, позволяя току течь через него.

Уберите магнит, и контакты, сделанные из довольно жесткого и упругого металла, снова разойдутся и вернутся в исходное положение.

Нормально закрытый

Вы также можете получить герконы, которые работают наоборот: два контакта обычно защелкиваются вместе, и когда вы подносите магнит к переключателю, они расходятся. Такие герконы называются нормально замкнутыми (НЗ) (нормально включенными), поэтому большую часть времени через них протекает электричество. Самый простой способ сделать такой — взять нормально разомкнутый переключатель и закрепить магнит на его стеклянном корпусе, переворачивая его из открытого в закрытое состояние (как во втором кадре в нормально разомкнутой анимации выше). Весь этот блок (нормально разомкнутый геркон с прикрепленным магнитом) становится нашим нормально замкнутым герконом. Если вы поднесете к нему второй магнит с магнитным полем противоположной полярности по отношению к первому магниту, это новое поле нейтрализует поле первого магнита, так что мы имеем, по сути, то же самое, что было в первом кадре нормально разомкнутой анимации: геркон с двумя разомкнутыми контактами.

В этих двух работах я сильно преувеличил движение контактов. Настоящие герконы имеют контакты, которые находятся всего в нескольких микронах (миллионных долях метра) друг от друга — примерно в десять раз тоньше человеческого волоса — поэтому движение не видно невооруженным глазом. Не ожидайте увидеть движение лезвий, когда вы подносите магнит близко!

Художественное произведение: Ключ к пониманию герконов — осознать, что они являются частью магнитной цепи, а также электрической: магнитное поле от стержневого магнита передается через геркон. Это то, что
заставляет его закрываться, и это то, что позволяет электричеству течь через него. Художественное произведение магнитного поля взято с Wikimedia Commons.

Дополнительные осложнения

Еще одна важная вещь, на которую я должен обратить внимание, заключается в том, что герконы не просто включаются, когда магнит приближается, и выключаются, когда он удаляется (в случае нормально разомкнутого/выключенного переключателя): они обычно включаются и выключаются несколько раз, когда магнит проходит мимо, создавая несколько зон включения и выключения. Они также будут реагировать по-разному в зависимости от ориентации магнита (параллелен ли он переключателю или перпендикулярен), его формы (потому что, как мы все узнали в школе, магниты разной формы создают вокруг себя разные узоры магнитного поля) и того, как он проходит мимо.

Все это действительно важно, когда дело доходит до практических применений: вам нужно убедиться, что вы используете правильный магнит и что он движется именно так, как нужно, чтобы привести в действие ваш геркон. Если вы используете геркон в качестве счетчика, например, он должен срабатывать только один раз каждый раз, когда магнит проходит мимо (а не три или четыре раза, что дало бы ложные показания). Если вы используете геркон в сигнализации, вы не хотите, чтобы ваш злоумышленник включил сигнализацию на одну секунду, а затем снова выключил ее через секунду, потому что вы поместили магнит не в то место!

Для чего используются герконы?

Фото: Некоторые раскладные телефоны, как этот, включаются и выключаются с помощью магнитных герконов. В одной части корпуса находится магнит, а в другой — геркон. Телефон выключается, когда геркон находится рядом с магнитом (когда корпус закрыт), и включается, когда геркон и магнит разъединяются (когда корпус снова открыт).

Вы, вероятно, видите, как раскладной телефон включается и выключается,
когда вы его открываете или закрываете. У него есть нормально замкнутый геркон в
нижней части корпуса (там, где находится клавиатура) и магнит в
верхней части (там, где находится экран). Когда телефон открыт, геркон
и магнит находятся относительно далеко друг от друга. Контакты на
герконе сжимаются, и энергия течет через
телефон. Однако, если вы закрываете корпус, вы подносите магнит близко к
геркону, и это раздвигает контакты внутри переключателя. Схема внутри
телефона это распознает и отключает питание упорядоченным образом.

Электронные книги, такие как Kindle и Sony Readers,
используют похожий трюк. Когда вы помещаете их в защитный кожаный чехол, вы обнаружите,
что они автоматически выключаются, когда вы закрываете крышку, и включаются снова
, когда вы ее открываете. Конечно, здесь нет никакой магии: просто есть геркон в углу
устройства электронной книги и магнит в соответствующей части крышки (проверьте это сами, поднеся к нему скрепку).

На фото: Вы можете включить Amazon Kindle с помощью магнита на холодильнике благодаря геркону, спрятанному внутри его корпуса.

Вы можете увидеть, как та же идея будет работать в нашей банковской двери сейфа: у вас
просто будет геркон на дверной раме и магнит на
двери. Открытие двери разделит магнит и геркон
, заставив контакты переключателя сомкнуться и включить
сигнализацию. Вы можете встроить герконы в маленькие кусочки
пластика, так что вы даже не увидите их там — идеально для всех видов охранных
приложений.

Фото: Упрощенная концепция охранной сигнализации: вы просто монтируете геркон (подключенный к цепи сигнализации) к одной части двери, а магнит — к другой. Разделение двух вещей переключает переключатель и активирует сигнализацию.

Герконы можно использовать и многими другими способами.
Энтузиаст LEGO® Билл Уорд, который ведет великолепный
блог Brickpile
(и страницу с фотографиями на Flickr), построил
этих гениальных роботизированных коров для своей модели
железной дороги. Всякий раз, когда мимо проезжает поезд, они поворачивают головы, чтобы посмотреть, как он проезжает. Все
это работает с помощью геркона. Голова каждой коровы приводится в действие
небольшим электродвигателем, который подключен к цепи, в которой есть
нормально открытый геркон. Геркон расположен рядом с
железнодорожным полотном, а небольшой магнит прикреплен сбоку поезда.
Когда поезд проезжает мимо геркона, магнит заставляет
контакты замыкаться и активирует цепь, которая поворачивает головы коров
. Как это здорово? Некоторые люди просто такие изобретательные!

Фото: коровы LEGO®, управляемые герконом. Фото предоставлено Биллом Уордом и
опубликовано на Flickr
по лицензии Creative Commons.

Существуют сотни других, менее очевидных применений герконовых переключателей. Некоторые датчики уровня жидкости в
стиральных машинах
и посудомоечных машинах используют плавающие магниты, которые подпрыгивают мимо герконовых переключателей, чтобы отключить
клапаны, когда внутри достаточно воды. Герконовые переключатели иногда также устанавливаются на вращающихся рычагах
посудомоечных машин, чтобы определять, когда они застревают, и в тепловых выключателях в электрических душах (чтобы остановить нагрев воды до опасного уровня). Анемометры с вращающимися чашками имеют внутри герконовые переключатели, которые измеряют скорость ветра. Когда чашки вращаются, они заставляют геркон вращаться мимо магнита, генерируя импульсы тока. Чем сильнее ветер, тем быстрее вращаются чашки, и тем чаще герконовый переключатель включается и выключается. Электронная схема подсчитывает количество импульсов в секунду и использует это для определения скорости ветра.

Художественное произведение: Типичный расходомер с герконовым переключателем работает примерно так. Есть труба, по которой течет жидкость (1) с установленным внутри нее лопастным колесом (2). По мере течения жидкости лопасть вращается и заставляет вращаться магнит (3). Вращающийся магнит заставляет геркон открыться (4). Затем, когда он вращается и представляет свой противоположный полюс (5), магнит заставляет переключатель снова закрыться (6). Попеременно открывающийся и закрывающийся геркон посылает импульсы электрического тока в цепь. Подсчитывая, как быстро поступают импульсы, цепь может измерить скорость потока. Если ток прекращается совсем или течет все время, вы знаете, что жидкость перестала двигаться, что может указывать на затор или закупорку.

Кто изобрел герконы?

Как и многие другие великие изобретения, герконы родились в
Bell Laboratories, изобретенные там в середине 1930-х годов Уолтером Б. Элвудом . Его первоначальная заявка на патент на электромагнитный переключатель была подана 27 июня 1940 года и официально выдана 2 декабря 1941 года. Читая патент Элвуда, очень легко узнать геркон, который до сих пор широко используется: «Когда к этому устройству прикладывается внешняя магнитная сила, два магнитных элемента, которые образуют часть магнитной цепи… движутся вместе… поскольку внешняя магнитная сила действует, уменьшая воздушный зазор между двумя указанными магнитными элементами».

Художественное произведение: Оригинальная конструкция герконового переключателя Уолтера Элвуда, взятая из патента США: 2264746: Электромагнитный переключатель. Это немного другая конструкция, чем та, что выше, переключающаяся вперед и назад между двумя различными цепями, одна из которых всегда включена. У нас есть два немагнитных контакта слева (1,2) и магнитный контакт (3,4) справа, который переключается вперед и назад между ними при приближении магнита. Контакты удерживаются друг от друга изолирующей прокладкой (5). Оригинальное художественное произведение любезно предоставлено Патентным и товарным знаком США. (Обратите внимание, что я немного раскрасил и упростил оригинал, чтобы было легче следить за ним.)

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электричество
• Электроника
• Датчики Холла
• Магнетизм
• Реле

Практические проекты

Вы найдете немало примеров использования герконов на неизменно превосходном сайте Instructables и в популярных книгах Evil Genius; вот несколько для начала:

• Instructables: Как сделать волшебную палочку Джейсона Поэля Смита. Но это не магия; это магнит — и в нем используется геркон.
• Instructables: Быстрый и грязный самодельный геркон от Райана. Как сделать простой геркон (хороший способ понять, как именно они работают).
• Instructables: Заставьте магнитный геркон работать в обратном направлении от Pronteon. Простой способ изменить функцию геркона с помощью второго магнита.
• Instructables: Универсальный и недорогой цифровой счетчик от Trebuchet03. Сделайте простой счетчик расстояния (одометр) с помощью геркона и старого калькулятора.
• 50 проектов моделей ракет для злого гения, автор Гэвин Харпер. McGraw-Hill, 2006. Проект № 37 (модель видеокамеры ракеты) использует пару нормально замкнутых герконовых переключателей для автоматического срабатывания камеры.

Книги

• Проекты датчиков Arduino и Raspberry Pi
  для злого гения Роберта Чина. McGraw Hill, 2017. Несколько проектов в этой книге включают подключение герконов к Arduino и Pis (есть полные инструкции для дверной сигнализации с герконом).
• MAKE: Электроника Чарльза Платта.
  Maker Media, 2015. Отличная практическая книга, которая даст толчок вашему увлечению электроникой. В главе 3 есть простое введение в герконовые переключатели.
• Проекты Raspberry Pi Эндрю Робинсона и Майка Кука.
  John Wiley & Sons, 2014. «Глава 13: Домашняя автоматизация» описывает герконовый датчик двери, подключенный к Raspberry Pi.
• «Практическая электроника для изобретателей» Пола Монка.
  McGraw-Hill, 2016. Как только вы освоите MAKE: Electronics , вам захочется перейти к чему-то более глубокому; это хорошее место, чтобы продолжить.
• Электроника: первый курс Оуэна Бишопа. Newnes, 2011. Простой для понимания (хотя и довольно сухой) учебник, объясняющий все основные компоненты, включая герконовые переключатели.

Патенты

Для более глубоких технических подробностей попробуйте следующее:

• Патент США 2,264,746: Электромагнитный переключатель Уолтера Элвуда, 2 декабря 1941 г. Оригинальный патент Элвуда на герконовый переключатель (как на фото выше).
• Патент США 3,283,274: Кнопочный переключатель Анджело де Фалько, 1 ноября 1966 г. Более сложная конструкция.
• Патент США 4,038,620: Магнитный геркон, Б. Эдвард Шлезингер-младший и Чарли Дуэйн Маринер, 26 июля 1977 г. Переключатель с одним магнитным герконом и одним немагнитным.
• Патент США 3,348,175: Нормально замкнутый герконовый переключатель, автор Энтони Дж. Уилкис, 17 октября 1967 г. Описывает различные способы создания нормально замкнутого переключателя.

Видео

• Введение в герконы, магниты и магнитные поля Стивена Дэя. Довольно четкий обзор того, как герконы используются на практике, и необходимости выбора правильного магнита, чтобы избежать слишком частого включения или выключения переключателя.

Благодарности

Я очень благодарен Морису Баенену из Comus Technology BV за предложение некоторых улучшений этой статьи.