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 выхода, управляемых последовательностью электрических импульсов.
Основное применение шаговых переключателей было в ранних автоматических телефонных станциях для маршрутизации телефонных звонков . Позже они часто использовались в промышленных системах управления. Во время Второй мировой войны японские шифровальные машины, известные в Соединенных Штатах как CORAL , JADE и PURPLE , содержали их. Взломщики кодов в Блетчли-Парке использовали униселекторы, приводимые в движение непрерывно вращающимся двигателем, а не серию импульсов в Колоссе для криптоанализа немецких шифров Лоренца. [1]
В униселекторе шаговый переключатель шагает только вдоль или вокруг одной оси, хотя несколько наборов контактов часто работают одновременно. В других типах, таких как переключатель Строуджера , изобретенный Элмоном Брауном Строуджером в 1888 году, механическое переключение происходит в двух направлениях, через сетку контактов.
Шаговые переключатели широко применялись в телефонии и промышленных системах управления, когда электромеханическая технология имела первостепенное значение.
Базовый шаговый переключатель — это электрически управляемый поворотный переключатель с одним (обычно входным) терминалом и несколькими (обычно выходными) терминалами. Как и другие типичные поворотные переключатели, один терминал подключается к одному из нескольких терминалов путем поворота контактного рычага, иногда называемого скользящим, в желаемое положение. Переход из одного положения в другое называется шагом, отсюда и название механизма. Используя традиционную терминологию, это однополюсный многопозиционный переключатель.
В то время как некоторые шаговые переключатели имеют только один полюс (слой контактов), типичный переключатель имеет больше; в последнем случае все щетки выровнены и движутся вместе. Таким образом, один вход с несколькими проводами может быть подключен к одному из нескольких выходов, на основе получения одного набора импульсов. В этой конфигурации вращающиеся контакты напоминали опорные рычаги головки в современном жестком диске. Многополюсные переключатели были распространены; некоторые имели, возможно, до дюжины полюсов, но они были менее распространены.
Большинство переключателей имеют группу неподвижных контактов, простирающихся на половину цилиндра, в то время как некоторые имеют только треть цилиндра. Типичный переключатель «полуцилиндра» имеет два набора контактов щеток напротив друг друга, в то время как тип «треть цилиндра» имеет три набора, равномерно распределенных. Для любого заданного уровня оба или все три щетки подключены, поэтому не имеет значения, какой из двух (или трех) подключается. Когда требовался доступ к большему количеству розеток, ротор имел два набора щеток напротив друг друга, но смещенных по вертикали: на первой половине оборота был доступ к одному набору розеток; ко второму набору розеток был доступ на второй половине оборота.
Электромагнит продвигает (перемещает) дворники в следующее положение при подаче импульса постоянного тока. Якорь магнита (подпружиненный) управляет собачкой, которая продвигает храповик. Когда собачка достигает своего полного хода, она блокирует храповик, чтобы он и дворники не перескакивали. Когда питание катушки отключается, пружина втягивает собачку. Другая собачка, иногда называемая пружиной фиксатора, шарнирно закрепленная на раме, гарантирует, что дворники не двигаются назад; контактное трение удерживает их на месте. Некоторые конструкции униселекторов срабатывают при подаче рабочего импульса; другие срабатывают при его снятии.
В большинстве приложений, таких как телефония, 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 дворника. Этот кулачок управляет набором контактов, когда дворник находится в исходном положении, которое находится в начале диапазона вращения. Другие схемы использовали один уровень (полюс) контактов для возврата дворников в исходное положение, поэтому отдельные контакты возврата в исходное положение не были нужны.
Типичные шаговые переключатели имеют контакты, которые напрямую управляются якорем шагового магнита; эти контакты могут служить для создания магнитного цикла («самостоятельного шага») и продвижения дворников, пока подается питание. Внешние схемы управления отключают питание, когда дворники достигают желаемого положения; это может быть исходное положение.
Большинство шаговых переключателей вращают дворники только в одном направлении, но некоторые из них двунаправленные; последние имеют второй магнит, чтобы вращать дворники в другую сторону. Третья разновидность «заводит» пружину, когда дворник шагает постепенно, а храповик удерживает дворники от возвращения в исходное положение. Когда цепь больше не нужна, другой электромагнит отпускает удерживающую защелку; затем пружина возвращает дворники в исходное положение.
Шаговые переключатели были довольно шумными в работе (особенно при самошаге), поскольку их механизмы ускорялись и останавливались быстро, чтобы минимизировать время работы. Можно было бы сравнить их звук со звуком некоторых механизмов мгновенного действия. Тем не менее, они были спроектированы для длительного срока службы при условии периодического обслуживания; они были довольно надежными.
Одноосевые шаговые переключатели иногда называют униселекторами.
Немного сложнее был двухосевой шаговый переключатель (также называемый переключателем Строуджера или селектором двух движений в Британии). Обычно одна компактная группа дворников могла подключаться к одному из 100 (или 200) различных фиксированных контактов на десяти уровнях. Когда переключатель не использовался, дворники отсоединялись от фиксированных контактов. Дворники двигались вверх и вниз по вертикальному валу и вращались в контактном блоке, чтобы установить соединение. Пружина, внутренняя по отношению к вертикальному валу, возвращала дворники в исходное положение внизу.
Этот тип имел две шаговые катушки с собачками и храповиками, одна для подъема щеток к нужным банкам контактов, а другая для поворота щеток в банки. Они обычно использовались в телефонной коммутации с десятью банками по десять контактов. Катушки обычно приводились в действие электрическими импульсами, полученными от вращающегося телефонного диска . На двухпозиционном селекторе при наборе цифры щетки поднимались по банкам, затем автоматически поворачивались (самостоятельно) в выбранный банк, пока не находили «неиспользуемый» выход для следующего этапа переключения. Последние две набранные цифры управляли переключателем разъема ( конечным селектором в Британии). Вторая с конца цифра заставляла щетки подниматься, а последняя цифра заставляла их вращаться в банк к выходу линии вызываемого клиента. Если линия была свободна, то на вызываемую линию подавалось напряжение вызова , а на вызывающую линию отправлялся тон вызова.
Другим вариантом двухкоординатного переключателя был переключатель Stromberg-Carlson XY, который был довольно распространен на телефонных станциях на западе США. Это был плоский механизм, а подвижные контакты двигались как вбок, так и вперед и назад. Он был достаточно надежен и мог обслуживаться людьми с минимальной подготовкой.
Шаговые переключатели используются в различных приложениях, отличных от телефонных систем. Соединив несколько последовательно, чтобы самый высокий выход одного шел к шаговому контакту следующего, можно построить счетчик . Или, питая шаговый контакт бесконечной последовательностью импульсов через реле и управляя реле с собственного выхода переключателя, можно заставить его автоматически искать первую непитанную линию (или питаемую, в зависимости от того, нормально ли реле разомкнуто или нормально замкнуто ). Их также можно использовать в качестве демультиплексора , так что две входные линии могут управлять несколькими выходными устройствами. Одна входная линия шагает переключателем, пока не будет выбрано правильное устройство, а другая затем питает это устройство. Возможны многие другие применения.
Такие переключатели использовались в серии японских шифровальных машин во время Второй мировой войны : CORAL , JADE , PURPLE (названия были американскими). Британская машина для взлома кодов под названием Colossus использовала поворотные шаговые переключатели, которые использовались для взлома немецкого шифра Лоренца.
