В электротехнике переключатель — это электрический компонент , который может отключать или соединять проводящий путь в электрической цепи , прерывая электрический ток или перенаправляя его с одного проводника на другой. [1] [2] Наиболее распространенным типом переключателя является электромеханическое устройство, состоящее из одного или нескольких наборов подвижных электрических контактов , подключенных к внешним цепям. Когда пара контактов соприкасается, между ними может проходить ток, а когда контакты разделены, ток не может течь.
Переключатели изготавливаются во многих различных конфигурациях; они могут иметь несколько наборов контактов, управляемых одной и той же ручкой или приводом, и контакты могут работать одновременно, последовательно или попеременно. Переключатель может управляться вручную, например, выключателем освещения или кнопкой на клавиатуре, или может функционировать в качестве чувствительного элемента для определения положения части машины, уровня жидкости, давления или температуры, например, термостата . Существует множество специализированных форм, таких как тумблер , поворотный переключатель , ртутный переключатель , кнопочный переключатель, реверсивный переключатель , реле и автоматический выключатель . Обычно используется управление освещением, когда несколько выключателей могут быть подключены к одной цепи, чтобы обеспечить удобное управление осветительными приборами. Выключатели в цепях большой мощности должны иметь специальную конструкцию, исключающую возникновение разрушительной дуги при их размыкании.
Самая известная форма переключателя — это электромеханическое устройство с ручным управлением и одним или несколькими наборами электрических контактов , которые подключаются к внешним цепям. Каждый набор контактов может находиться в одном из двух состояний: либо «закрыто», что означает, что контакты соприкасаются, и между ними может течь электричество, либо «разомкнуто», что означает, что контакты разделены и переключатель не проводит ток. Механизм, приводящий в действие переход между этими двумя состояниями (открыто или закрыто), обычно (существуют и другие типы действий) либо « попеременное действие » (переключение переключателя для непрерывного «включения» или «выключения»), либо « мгновенное » (нажатие для «включения» и отпускания для «выключения»).
Человек может напрямую манипулировать переключателем в качестве управляющего сигнала для системы, например, кнопки на клавиатуре компьютера, или для управления потоком энергии в цепи, например, выключателем света . Автоматические переключатели можно использовать для управления движениями машин, например, для указания того, что ворота гаража достигли полностью открытого положения или что станок готов принять другую заготовку. Переключатели могут управляться переменными процесса, такими как давление, температура, расход, ток, напряжение и сила, действовать как датчики в процессе и использоваться для автоматического управления системой. Например, термостат — это термовыключатель, используемый для управления процессом нагрева. Переключатель, управляемый другой электрической цепью, называется реле . Большие переключатели могут управляться дистанционно с помощью механизма моторного привода. Некоторые переключатели используются для отключения электроэнергии от системы, обеспечивая видимую точку изоляции, которую при необходимости можно заблокировать, чтобы предотвратить случайное включение машины во время технического обслуживания или предотвратить поражение электрическим током.
Идеальный переключатель не должен иметь падения напряжения в закрытом состоянии и не иметь ограничений по номинальному напряжению или току. Он будет иметь нулевое время нарастания и время спада во время изменения состояния и будет менять состояние без «подпрыгивания» между положениями «включено» и «выключено».
Практические переключатели не соответствуют этому идеалу; из-за шероховатости и оксидных пленок они имеют контактное сопротивление , ограничения по току и напряжению, которые они могут выдерживать, конечное время переключения и т. д. Идеальный переключатель часто используется при анализе цепей, поскольку он значительно упрощает систему решаемых уравнений. , но это может привести к менее точному решению. Теоретическая обработка эффектов неидеальных свойств необходима при проектировании крупных сетей коммутаторов, например используемых на телефонных станциях.
В простейшем случае переключатель состоит из двух проводящих частей, часто металлических , называемых контактами , подключенных к внешней цепи, которые соприкасаются, чтобы замкнуть (замкнуть) цепь, и разъединяются, чтобы разомкнуть (разомкнуть) цепь. Материал контактов выбран из-за его устойчивости к коррозии, поскольку большинство металлов образуют изолирующие оксиды, которые препятствуют работе переключателя. Контактные материалы также выбираются с учетом электропроводности , твердости (устойчивости к абразивному износу), механической прочности, дешевизны и малой токсичности. Образование оксидных слоев на контактной поверхности, а также шероховатость поверхности и контактное давление определяют контактное сопротивление и ток смачивания механического переключателя. Иногда контакты покрываются благородными металлами из -за их превосходной проводимости и устойчивости к коррозии. Они могут быть предназначены для протирания друг о друга для удаления любых загрязнений. Иногда используются неметаллические проводники, такие как проводящий пластик. Чтобы предотвратить образование изолирующих оксидов, для данной конструкции переключателя может быть указан минимальный ток смачивания.
В электронике переключатели классифицируются по расположению их контактов. Пара контактов называется «замкнутой » , когда ток может течь от одного к другому. Когда контакты разделены изолирующим воздушным зазором , их называют «разомкнутыми » , и при нормальном напряжении между ними не может течь ток. Термины « сделать » для замыкания контактов и « разрыв » для размыкания контактов также широко используются.
Термины «полюс» и «ход» также используются для описания вариантов контактов переключателя. Число « полюсов » — это количество электрически отдельных переключателей, которые управляются одним физическим приводом. Например, « 2-полюсный » переключатель имеет два отдельных параллельных набора контактов, которые открываются и закрываются синхронно с помощью одного и того же механизма. Число « переходов » — это количество отдельных вариантов проводки, отличных от «разомкнутых», которые переключатель может использовать для каждого полюса. Однопозиционный переключатель имеет одну пару контактов, которые могут быть как замкнуты, так и разомкнуты. Двухпозиционный переключатель имеет контакт, который можно подключить к любому из двух других контактов, трехпозиционный переключатель имеет контакт, который можно подключить к одному из трех других контактов и т. д. [3]
В переключателе, в котором контакты остаются в одном состоянии, пока они не будут активированы, например, в кнопочном переключателе, контакты могут быть либо нормально разомкнутыми (сокращенно « нет » или « нет ») до тех пор, пока не будут замкнуты при срабатывании переключателя, либо нормально замкнутыми ( « nc » или « nc ») [nb 1] и открывается действием переключателя. Переключатель с обоими типами контактов называется переключателем или двухпозиционным переключателем . Это может быть схема « замыкание перед разрывом » (« MBB » или короткозамыкание), которая на мгновение соединяет обе цепи, или может быть схема « размыкание перед замыканием » (« BBM » или отсутствие короткого замыкания), которая размыкает одну цепь перед замыканием другой. .
Эти термины привели к появлению сокращений для типов переключателей, которые используются в электронной промышленности, таких как « однополюсный, одноходовой » (SPST) (самый простой тип, «вкл. или выкл.») или « однополюсный». двухходовой » (SPDT), подключающий любую из двух клемм к общей клемме. В электропроводке (т. е. проводке дома и здания, выполненной электриками ) имена обычно включают суффикс «-way» ; однако эти термины различаются в британском английском и американском английском (т. е. термины «двусторонний» и «трехсторонний» используются в разных значениях).
Выключатели с большим количеством полюсов или ходов можно описать, заменив букву «S» или «D» номером (например, 3PST, SP4T и т. д.) или, в некоторых случаях, буквой «Т» (для «тройного») или « Q» (от «четверного»). В оставшейся части статьи во избежание двусмысленности будут использоваться термины SPST , SPDT и промежуточный .
Отскок контактов (также называемый дребезгом ) — это распространенная проблема механических переключателей, реле и контактов батареи , которая возникает в результате явления электрического контактного сопротивления (ECR) на интерфейсах. Контакты переключателей и реле обычно изготавливаются из пружинистых металлов. Когда контакты соприкасаются, их импульс и эластичность действуют вместе, заставляя их отскакивать один или несколько раз, прежде чем установить устойчивый контакт. В результате получается быстро пульсирующий электрический ток вместо чистого перехода от нуля к полному току. Этот эффект обычно неважен в силовых цепях, но вызывает проблемы в некоторых аналоговых и логических схемах , которые реагируют достаточно быстро, чтобы ошибочно интерпретировать импульсы включения-выключения как поток данных. [5] При проектировании микроконтактов контроль структуры поверхности ( шероховатости поверхности ) и минимизация образования пассивированных слоев на металлических поверхностях играют важную роль в подавлении вибраций.
В органе Хаммонда несколько проводов сжимаются вместе под клавишами фортепиано в руководствах. Их дребезжащее и несинхронное закрытие переключателей известно как Hammond Click, и существуют композиции, которые используют и подчеркивают эту особенность. Некоторые электронные органы имеют переключаемую копию этого звукового эффекта. [6]
Последствия дребезга контактов можно устранить следующими способами:
Все эти методы называются «устранением дребезга».
Когда переключаемая мощность достаточно велика, поток электронов через размыкающиеся контакты переключателя достаточен для ионизации молекул воздуха через крошечный зазор между контактами при размыкании переключателя, образуя газовую плазму , также известную как электрическая дуга . Плазма имеет низкое сопротивление и способна поддерживать поток энергии даже при постоянно увеличивающемся расстоянии между контактами переключателя. Плазма также очень горячая и способна разрушить металлические поверхности контактов переключателя (то же самое относится и к вакуумным переключателям). Дугообразование электрическим током вызывает значительную деградацию контактов , а также значительные электромагнитные помехи (ЭМП), что требует использования методов гашения дуги . [7]
Если напряжение достаточно высокое, при замыкании выключателя и сближении контактов также может образовываться дуга. Если потенциал напряжения достаточен, чтобы превысить напряжение пробоя воздуха, разделяющего контакты, образуется дуга, которая поддерживается до тех пор, пока переключатель полностью не замкнется и поверхности переключателя не соприкоснутся.
В любом случае стандартным методом минимизации образования дуги и предотвращения повреждения контактов является использование быстродействующего механизма переключения, обычно с использованием подпружиненного механизма точки опрокидывания , обеспечивающего быстрое движение контактов переключателя, независимо от скорости, с которой происходит переключение. Управление переключателем осуществляется пользователем. Перемещение рычага управления переключателем натягивает пружину до тех пор, пока не будет достигнута точка опрокидывания, и контакты внезапно размыкаются или закрываются, когда натяжение пружины ослабевает.
По мере увеличения коммутируемой мощности используются другие методы для минимизации или предотвращения образования дуги. Плазма горячая и будет подниматься за счет конвекции воздушных потоков. Дугу можно погасить с помощью серии непроводящих лезвий, охватывающих расстояние между контактами переключателя, и по мере того, как дуга поднимается, ее длина увеличивается, поскольку она образует гребни, поднимающиеся в промежутки между лезвиями, пока дуга не станет слишком длинной, чтобы оставаться устойчивой. и гаснет. Можно использовать нагнетатель для внезапного высокоскоростного выброса газа через контакты переключателя, который быстро увеличивает длину дуги и быстро ее гасит .
Контакты чрезвычайно больших переключателей часто окружены чем-то другим, кроме воздуха, для более быстрого гашения дуги. Например, контакты переключателя могут работать в вакууме, погруженные в минеральное масло или гексафторид серы .
В сети переменного тока ток периодически проходит через ноль; из-за этого эффекта становится сложнее поддерживать дугу при открытии. Производители могут оценивать переключатели с более низким номинальным напряжением или током при использовании в цепях постоянного тока.
Если переключатель предназначен для переключения значительной мощности, необходимо учитывать переходное состояние переключателя, а также его способность выдерживать продолжительные рабочие токи. Когда переключатель находится во включенном состоянии, его сопротивление близко к нулю, и на контактах теряется очень небольшая мощность; когда переключатель находится в выключенном состоянии, его сопротивление чрезвычайно велико и на контактах теряется еще меньше мощности. Однако при щелчке переключателя сопротивление должно пройти состояние, в котором четверть номинальной мощности нагрузки (или хуже , если нагрузка не является чисто резистивной) на короткое время падает в переключателе .
По этой причине силовые выключатели, предназначенные для прерывания тока нагрузки, имеют пружинные механизмы, обеспечивающие максимально короткий переход между включением и выключением независимо от скорости, с которой пользователь перемещает рычаг.
Выключатели питания обычно бывают двух типов. Переключатель мгновенного включения-выключения (например, на лазерной указке ) обычно имеет форму кнопки и замыкает цепь только при нажатии кнопки. Обычный выключатель (например, на фонарике ) имеет функцию постоянного включения. Переключатели двойного действия сочетают в себе обе эти функции.
Когда сильно индуктивная нагрузка, такая как электродвигатель, отключается, ток не может мгновенно упасть до нуля; через размыкающиеся контакты проскочит искра . Переключатели для индуктивных нагрузок должны быть рассчитаны на такие случаи. Если искра не будет подавлена, она вызовет электромагнитные помехи ; снабберная цепь из резистора и конденсатора, включенных последовательно, погасит искру. [8]
При включении лампа накаливания потребляет большой пусковой ток , примерно в десять раз превышающий установившийся ток; по мере нагревания нити ее сопротивление возрастает, а ток уменьшается до установившегося значения. Переключатель, рассчитанный на нагрузку ламп накаливания, может выдержать этот пусковой ток. [9]
Ток смачивания — это минимальный ток, который должен протекать через механический переключатель во время его работы, чтобы пробить любую оксидную пленку , которая могла отложиться на контактах переключателя. [10] Окислительная пленка часто возникает в помещениях с высокой влажностью . Обеспечение достаточного тока смачивания является решающим шагом в разработке систем , которые используют чувствительные переключатели с небольшим контактным давлением в качестве входных сигналов датчиков. Невыполнение этого требования может привести к тому, что переключатели останутся электрически «разомкнутыми» из-за окисления контактов.
Подвижная часть, которая передает рабочую силу на контакты, называется приводом и может представлять собой тумблер или тележку , кулису , кнопку или любой тип механической связи (см. фото).
Переключатель обычно сохраняет заданное положение после срабатывания. Переключатель со смещением содержит механизм, который переводит его в другое положение при отпускании оператором. Кнопочный переключатель мгновенного действия представляет собой тип переключателя со смещением. Наиболее распространенным типом является переключатель «нажми и задействуй» (или нормально разомкнутый, или НЕТ), который замыкается при нажатии кнопки и размыкается при отпускании кнопки. Например, каждая клавиша компьютерной клавиатуры представляет собой нормально разомкнутый переключатель «нажми и сделай». С другой стороны, переключатель «нажми и размыкай» (или нормально закрытый, или НЗ) разрывает контакт при нажатии кнопки и замыкает контакт при ее отпускании. Примером выключателя «нажми и сломай» является кнопка, используемая для открытия двери, удерживаемой в закрытом положении электромагнитом . Внутренняя лампа бытового холодильника управляется выключателем, который удерживается в открытом положении при закрытии дверцы.
Поворотный переключатель работает поворотным движением рукоятки управления как минимум в двух положениях. Одно или несколько положений переключателя могут быть мгновенными (смещаемыми пружиной), что требует от оператора удерживать переключатель в этом положении. Другие положения могут иметь фиксатор, удерживающий положение при отпускании. Поворотный переключатель может иметь несколько уровней или «палуб», что позволяет ему управлять несколькими цепями.
Одна из форм поворотного переключателя состоит из шпинделя или «ротора», имеющего контактный рычаг или «спицу», выступающую из его поверхности, как кулачок. Он имеет набор клемм, расположенных по кругу вокруг ротора, каждая из которых служит контактом для «спицы», через которую к ротору может быть подключена любая из множества различных электрических цепей. Переключатель является многоуровневым, что позволяет использовать несколько полюсов, каждый уровень эквивалентен одному полюсу. Обычно такой переключатель имеет фиксирующий механизм, поэтому он «щелкает» из одного активного положения в другое, а не зависает в промежуточном положении. Таким образом, поворотный переключатель обеспечивает более широкие возможности полюса и хода, чем более простые переключатели.
Другие типы используют кулачковый механизм для управления несколькими независимыми наборами контактов.
Поворотные переключатели использовались в качестве переключателей каналов на телевизионных приемниках до начала 1970-х годов, в качестве переключателей диапазонов в электроизмерительном оборудовании, в качестве переключателей диапазонов в многодиапазонных радиоприемниках и в других подобных целях. В промышленности поворотные переключатели применяются для управления измерительными приборами, распределительными устройствами или в цепях управления. Например, мостовой кран с радиоуправлением может иметь большой многоконтурный поворотный переключатель для передачи проводных сигналов управления от местного ручного управления в кабине на выходы приемника дистанционного управления.
Тумблер или тумблер — это класс электрических переключателей, которые приводятся в действие вручную с помощью механического рычага , ручки или качающегося механизма.
Тумблеры доступны во многих различных стилях и размерах и используются во многих приложениях. Многие из них предназначены для обеспечения одновременного срабатывания нескольких комплектов электрических контактов или управления большими количествами электрического тока или напряжения сети .
Слово «тумблер» относится к своего рода механизму или шарниру, состоящему из двух рычагов, расположенных почти на одной линии друг с другом и соединенных локтеобразным шарниром. Однако словосочетание «тумблер» применяется к переключателю с короткой ручкой и положительным моментальным действием, независимо от того, содержит ли он тумблер на самом деле или нет. Аналогичным образом, переключатель, в котором слышен характерный щелчок, называется «положительным двухпозиционным переключателем». [11] Очень часто этот тип выключателя используется для включения или выключения освещения или другого электрического оборудования. Несколько тумблеров могут быть механически заблокированы для предотвращения запрещенных комбинаций.
В некоторых контекстах, особенно в вычислительной технике , тумблер или действие переключения понимаются в другом смысле механического или программного переключателя, который переключается между двумя состояниями каждый раз, когда его активируют, независимо от механической конструкции. Например, клавиша Caps Lock на компьютере приводит к тому, что все буквы отображаются заглавными после ее однократного нажатия; повторное нажатие приведет к использованию строчных букв.
Переключатели могут быть спроектированы так, чтобы реагировать на любой тип механического воздействия: например, на вибрацию (трещотный переключатель), наклон, давление воздуха, уровень жидкости ( поплавковый переключатель ), поворот ключа ( ключевой переключатель ), линейное или вращательное движение. ( концевой выключатель или микровыключатель ), либо наличие магнитного поля ( геркон ). Многие переключатели срабатывают автоматически при изменении некоторых условий окружающей среды или при движении оборудования. Концевой выключатель используется, например, в станках для блокировки работы при правильном положении инструментов. В системах отопления или охлаждения парусный переключатель обеспечивает достаточный поток воздуха в воздуховоде. Реле давления реагируют на давление жидкости.
Ртутный переключатель состоит из капли ртути внутри стеклянной колбы с двумя или более контактами. Два контакта проходят через стекло и соединяются ртутью, когда лампочка наклоняется, и ртуть попадает на них.
Этот тип переключателя работает намного лучше, чем шариковый переключатель наклона, поскольку жидкометаллическое соединение не подвержено влиянию грязи, мусора и окисления, оно смачивает контакты, обеспечивая соединение без отскока с очень низким сопротивлением, а движение и вибрация не приводят к ухудшению качества работы. контакт. Эти типы можно использовать для точных работ.
Его также можно использовать там, где опасно возникновение дуги (например, при наличии взрывоопасных паров), поскольку весь блок герметичен.
Рубильники состоят из плоского металлического полотна, шарнирно закрепленного на одном конце, с изолирующей ручкой для работы и неподвижного контакта. Когда переключатель замкнут, ток течет через шарнирный шарнир и нож, а также через неподвижный контакт. Такие выключатели обычно не заключаются в корпус. Нож и контакты обычно изготавливаются из меди , стали или латуни , в зависимости от применения. Неподвижные контакты могут быть подкреплены пружиной. Одной ручкой можно одновременно управлять несколькими параллельными лезвиями. Детали могут быть установлены на изолирующем основании с клеммами для проводки или могут быть непосредственно прикреплены болтами к изолированному распределительному щиту в большой сборке. Поскольку электрические контакты открыты, переключатель используется только там, где люди не могут случайно коснуться переключателя или где напряжение настолько низкое, что не представляет опасности.
Рубильники изготавливаются разных размеров: от миниатюрных до больших устройств, рассчитанных на ток в тысячи ампер. При передаче и распределении электроэнергии групповые выключатели используются в цепях вплоть до самых высоких напряжений.
Недостатками рубильника являются медленная скорость открытия и близость оператора к открытым частям, находящимся под напряжением. Выключатели безопасности в металлическом корпусе используются для изоляции цепей в промышленном энергораспределении. Иногда устанавливаются подпружиненные вспомогательные лезвия, которые на мгновение пропускают полный ток во время открытия, а затем быстро раздвигаются, чтобы быстро погасить дугу.
Переключатель DPDT имеет шесть соединений, но поскольку изменение полярности является очень распространенным использованием переключателей DPDT, некоторые варианты переключателя DPDT имеют внутреннюю проводку специально для изменения полярности. Эти кроссоверные переключатели имеют только четыре клеммы, а не шесть. Два терминала являются входами и два выходами. При подключении к аккумулятору или другому источнику постоянного тока четырехпозиционный переключатель позволяет выбрать нормальную или обратную полярность. Такие выключатели также можно использовать в качестве промежуточных выключателей в многопозиционной системе переключения при управлении светильниками более чем двумя выключателями.
В электропроводке здания выключатели света устанавливаются в удобных местах для управления освещением, а иногда и другими цепями. Благодаря использованию многополюсных выключателей можно обеспечить многопозиционное управление переключением лампы из двух или более мест, например, в концах коридора или лестничной клетки. Беспроводной выключатель света позволяет для удобства дистанционно управлять лампами; Некоторые лампы оснащены сенсорным выключателем , который осуществляет электронное управление лампой при прикосновении к чему-либо. В общественных зданиях для предотвращения несанкционированного использования используются вандалозащищенные выключатели нескольких типов .
Ползунковые переключатели — это механические переключатели, в которых используется ползунок, который перемещается (передвигается) из открытого (выключенного) положения в закрытое (включенное) положение.
С тех пор термин « переключатель» распространился на различную твердотельную электронику , которая выполняет функцию переключения, но управляется активными устройствами электронно , а не чисто механически. Они классифицированы в статье « Электронный переключатель» . Электромеханические переключатели (такие как традиционное реле , электромеханическая перекладина и переключатель Строуджера ) объединяют категории.
СМИ, связанные с электрическими выключателями, на Викискладе?