DIY герконовый поворотный переключатель
- пятница, 31 января 2025 г. в 00:00:15
TL;DR: делюсь идеей и трёхмерной моделью поворотного переключателя с герметизированными контактами, который пригодится для конструирования самодельных звуковых усилителей, электромузыкальных инструментов, синтезаторов, измерительной аппаратуры. Он сочетает в себе простоту применения и отличные электрические характеристики.
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:
Но есть недостатки:
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.
Как концевые выключатели и датчики для охранных систем. Принцип работы простой — физически отдалили магнит от датчика, и цепь разорвалась.
Охранный магнитоконтактный извещатель ИО 102-54 содержит в себе геркон. Фото: Georg Pik
Используются они как часть реле. Геркон помещается внутрь соленоида, конструкция оборачивается электрическим экраном и корпусируется.
Малогабаритное герконовое реле РЭС55А. Электроприбор Алатырь. Фото: 155LA3
Герконы могут применяться как составная часть надёжных клавиатур, способных долговременно работать в том числе в условиях внешней среды, запылённости, влажности.
Геркон и магнит клавиши настольного калькулятора Olympia CD700. Фото: Mister RF
Устройство клавиатуры Olympia CD700. Фото: Mister RF
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.
Фото: Raimond Spekking
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»
▍ 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 💻