В электротехнике шаговый переключатель или шаговое реле , также известное как униселектор , представляет собой электромеханическое устройство, которое переключает путь входного сигнала на один из нескольких возможных путей вывода, направляемых последовательностью электрических импульсов.
Шаговые переключатели в основном использовались на первых автоматических телефонных станциях для маршрутизации телефонных звонков . Позже их часто использовали в промышленных системах управления. Во время Второй мировой войны их содержали японские шифровальные машины, известные в США как CORAL , JADE и PURPLE . Взломщики кодов в Блетчли-парке использовали униселекторы, приводимые в движение постоянно вращающимся двигателем, а не серию импульсов в «Колоссе» для криптоанализа немецких шифров Лоренца. [1]
В униселекторе шаговый переключатель ходит только вдоль или вокруг одной оси, хотя часто одновременно срабатывают несколько наборов контактов. В других типах, таких как переключатель Строуджера , изобретенный Алмоном Брауном Строуджером в 1888 году, механическое переключение происходит в двух направлениях через сетку контактов.
Шаговые переключатели широко использовались в телефонии и промышленных системах управления, когда электромеханические технологии имели первостепенное значение.
Базовый шаговый переключатель представляет собой поворотный переключатель с электрическим управлением с одной (обычно входной) клеммой и несколькими (обычно выходными) клеммами. Как и другие типичные поворотные переключатели, одна клемма подключается к одной из нескольких клемм путем поворота контактного рычага, иногда называемого стеклоочистителем, в желаемое положение. Переход из одного положения в другое называется шагом, отсюда и название механизма. Если использовать традиционную терминологию, то это однополюсный многопозиционный переключатель.
Хотя некоторые шаговые переключатели имеют только один полюс (слой контактов), у типичного переключателя их больше; в последнем случае все дворники выровнены и движутся вместе. Следовательно, один вход с несколькими проводами может быть подключен к одному из нескольких выходов на основе приема одного набора импульсов. В этой конфигурации вращающиеся контакты напоминали рычаги поддержки головы современного жесткого диска. Многополюсные переключатели были обычным явлением; у некоторых было около дюжины шестов, но они были реже.
Большинство переключателей имеют блок неподвижных контактов, занимающий половину цилиндра, а некоторые - только треть цилиндра. Типичный переключатель «полуцилиндра» имеет два набора контактов стеклоочистителя напротив друг друга, а тип «третьего цилиндра» имеет три набора контактов, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Для любого заданного уровня подключаются оба или все три дворника, поэтому нет разницы, какой из двух (или трех) подсоединяется. Когда требовался доступ к большему количеству выпускных отверстий, ротор имел два набора дворников, расположенных напротив друг друга, но смещенных вертикально: на первой половине оборота был доступен один набор выпускных отверстий; доступ ко второму набору торговых точек был получен во второй половине оборота.
Электромагнит перемещает дворники в следующее положение при подаче импульса постоянного тока. Якорь магнита (подпружиненный) приводит в действие собачку, которая продвигает храповик. Когда собачка достигает своего полного хода, она блокирует храповой механизм, чтобы он и дворники не проскочили мимо. Когда питание катушки отключается, пружина втягивает собачку. Другая собачка, иногда называемая стопорной пружиной, шарнирно закрепленная на раме, гарантирует, что дворники не двинутся назад; Контактное трение удерживает их на месте. Некоторые конструкции униселекторов основаны на применении управляющего импульса; другие настаивают на его устранении.
В большинстве приложений, например в телефонии, желательно иметь возможность возвращать дворники в «исходное» положение; это в начале вращения, на одном конце массива фиксированных контактов. Некоторые переключатели имеют кулачок, прикрепленный к валу стеклоочистителя. Этот кулачок управляет набором контактов, когда стеклоочиститель находится в исходном положении, то есть в начале диапазона вращения. В других схемах для закрепления дворников использовался один уровень (полюс) контактов, поэтому отдельные опорные контакты не требовались.
Типичные шаговые переключатели имеют контакты, которыми непосредственно управляет якорь шагового магнита; эти контакты могут служить для запуска магнитного цикла («самошага») и продвижения стеклоочистителей до тех пор, пока подается питание. Внешние цепи управления отключают питание, когда дворники достигают нужного положения; это может быть исходная позиция.
Большинство шаговых переключателей вращают дворники только в одном направлении, но некоторые из них являются двунаправленными; у последних есть второй магнит, позволяющий вращать дворники в другую сторону. Третий вариант «заводит» пружину при постепенном движении дворника, а храповой механизм удерживает дворники от возврата в исходное положение. Когда цепь больше не нужна, другой электромагнит освобождает удерживающую защелку; Затем пружина возвращает дворники в исходное положение.
Шаговые переключатели были довольно шумными в работе (особенно при самостоятельном перемещении), поскольку их механизмы быстро ускорялись и останавливались, чтобы минимизировать время работы. Их звук можно сравнить со звуком некоторых механизмов мгновенного действия. Тем не менее, они были рассчитаны на долгий срок службы при условии периодического обслуживания; они были вполне надежными.
Одноосные пошаговые переключатели иногда называют униселекторами.
Немного сложнее был двухосный шаговый переключатель (в Великобритании его также называли переключателем Строугера или двухпозиционным переключателем ). Обычно одна компактная группа дворников может подключаться к одному из 100 (или 200) различных фиксированных контактов на десяти уровнях. При нахождении переключателя в режиме ожидания дворники отключались от неподвижных контактов. Дворники перемещались вверх и вниз по вертикальному валу и вращались в контактной группе для установления соединения. Пружина, находящаяся внутри вертикального вала, возвращала дворники в исходное нижнее положение.
Этот тип имел две шаговые катушки с собачками и храповыми механизмами: одну для поднятия дворников до нужного ряда контактов, а другую для вращения дворников в ряды. Они обычно использовались в телефонной коммутации с десятью банками по десять контактов. Катушки обычно приводились в действие электрическими импульсами, исходящими от дискового набора номера телефона . В двухходовом селекторе при наборе цифры дворники повышали ряды, затем автоматически поворачивались (самоповоротом) в выбранный ряд до тех пор, пока не находили «неиспользуемый» выход для перехода к следующему этапу переключения. Последние две набранные цифры будут управлять переключателем разъема ( последний переключатель в Великобритании). Предпоследняя цифра заставит дворники двигаться вверх, а последняя цифра заставит их повернуть в сторону к розетке линии вызываемого клиента. Если линия была свободна, то на вызываемую линию подавалось напряжение вызова , и на вызывающую линию отправлялся сигнал вызова.
Другим вариантом двухосного переключателя был XY-переключатель Стромберга-Карлсона , который был довольно распространен на телефонных станциях на западе США. Это был плоский механизм, а подвижные контакты перемещались как в стороны, так и вперед и назад. Он был достаточно надежен, и его могли обслуживать люди с минимальной подготовкой.
Шаговые переключатели используются в различных приложениях, помимо телефонных систем. Соединив несколько последовательно, при этом максимальный выход одного из них поступает на шаговый контакт следующего, можно создать счетчик . Или, подавая на шаговый контакт бесконечную последовательность импульсов через реле и управляя реле с собственного выхода переключателя, можно заставить его автоматически искать первую обесточенную линию (или запитанную, в зависимости от того, нормально ли реле разомкнуто или нет) . обычно закрыто ). Их также можно было использовать в качестве демультиплексора , чтобы две входные линии могли управлять несколькими устройствами вывода. Одна входная линия активирует переключатель до тех пор, пока не будет выбрано правильное устройство, а другая затем подает питание на это устройство. Возможны многие другие приложения.
Такие переключатели использовались в серии японских шифровальных машин во время Второй мировой войны : CORAL , JADE , PURPLE (названия были американские). Британская машина для взлома кодов под названием «Колосс» использовала поворотные пошаговые переключатели, которые использовались для взлома немецкого шифра Лоренца.
