В электротехнике переключатель — это электрический компонент , который может отключать или подключать 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, ток может проходить между ними, в то время как когда контакты разъединены, 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, выключатель света или кнопка клавиатуры, или может функционировать как чувствительный элемент для определения положения детали машины, уровня жидкости, давления или температуры, например, термостат . Существует множество специализированных форм, таких как тумблер , поворотный переключатель , ртутный переключатель , кнопочный переключатель, реверсивный переключатель , реле и автоматический выключатель . Распространенным применением является управление освещением, когда несколько переключателей могут быть подключены к одной цепи, чтобы обеспечить удобное управление осветительными приборами. Переключатели в мощных цепях должны иметь специальную конструкцию, чтобы предотвратить разрушительное искрение при их размыкании.
Наиболее знакомая форма переключателя — это электромеханическое устройство с ручным управлением, имеющее один или несколько наборов электрических контактов , которые подключены к внешним цепям. Каждый набор контактов может находиться в одном из двух состояний: либо «закрыто», что означает, что контакты соприкасаются и между ними может протекать электричество, либо «открыто», что означает, что контакты разделены и переключатель не проводит ток. Механизм, активирующий переход между этими двумя состояниями (открытым или закрытым), обычно (существуют и другие типы действий) является либо « попеременным действием » (переключение переключателя для постоянного «включения» или «выключения»), либо « мгновенным » (нажатие для «включения» и отпускание для «выключения»).
Переключатель может напрямую управляться человеком в качестве управляющего сигнала для системы, например, кнопки клавиатуры компьютера, или для управления потоком мощности в цепи, например, выключателя света . Автоматически управляемые переключатели могут использоваться для управления движениями машин, например, для указания того, что гаражные ворота достигли своего полностью открытого положения или что станок готов принять другую заготовку. Переключатели могут управляться переменными процесса, такими как давление, температура, поток, ток, напряжение и сила, выступая в качестве датчиков в процессе и используемых для автоматического управления системой. Например, термостат — это температурный переключатель, используемый для управления процессом нагрева. Переключатель, который управляется другой электрической цепью, называется реле . Большие переключатели могут дистанционно управляться механизмом привода двигателя. Некоторые переключатели используются для изоляции электропитания от системы, обеспечивая видимую точку изоляции, которую можно запереть на висячий замок, если необходимо, чтобы предотвратить случайное включение машины во время обслуживания или предотвратить поражение электрическим током.
Идеальный переключатель не имел бы падения напряжения при закрытии и не имел бы ограничений по напряжению или току. Он имел бы нулевое время нарастания и время спада при изменении состояния и менял бы состояние без «прыганий» между положениями «вкл.» и «выкл.».
Практические переключатели не дотягивают до этого идеала; из-за шероховатости и оксидных пленок они демонстрируют контактное сопротивление , ограничения по току и напряжению, которые они могут выдерживать, конечное время переключения и т. д. Идеальный переключатель часто используется в анализе цепей, поскольку он значительно упрощает систему уравнений, которую нужно решить, но это может привести к менее точному решению. Теоретическая обработка эффектов неидеальных свойств требуется при проектировании больших сетей переключателей, например, используемых в телефонных станциях.
В простейшем случае переключатель имеет две проводящие части, часто металлические , называемые контактами , подключенные к внешней цепи, которые соприкасаются, чтобы замкнуть (создать) цепь, и разъединяются, чтобы разомкнуть (разорвать) цепь. Контактный материал выбирается по его стойкости к коррозии, потому что большинство металлов образуют изолирующие оксиды, которые не позволят переключателю работать. Контактные материалы также выбираются на основе электропроводности , твердости (стойкости к абразивному износу), механической прочности, низкой стоимости и низкой токсичности. Образование оксидных слоев на поверхности контакта, а также шероховатость поверхности и контактное давление определяют контактное сопротивление и ток смачивания механического переключателя. Иногда контакты покрываются благородными металлами , за их превосходную проводимость и стойкость к коррозии. Они могут быть спроектированы так, чтобы тереться друг о друга, чтобы очистить от 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 в соответствии с расположением их контактов. Пара контактов называется « замкнутой », когда ток может течь от одного к другому. Когда контакты разделены изолирующим воздушным зазором , они называются « разомкнутыми », и при нормальном напряжении между ними не может течь ток. Термины « замкнуть » для замыкания контактов и « разомкнуть » для размыкания контактов также широко используются.
Термины полюс и бросок также используются для описания вариаций контактов переключателя. Количество « 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 в унисон с помощью одного и того же механизма. Количество « бросков » — это количество отдельных вариантов пути проводки, отличных от «открытого», которые переключатель может использовать для каждого полюса. Однопозиционный переключатель имеет одну пару контактов, которые могут быть либо замкнуты, либо разомкнуты. Двухпозиционный переключатель имеет контакт, который может быть подключен к любому из двух других контактов, трехпозиционный имеет контакт, который может быть подключен к одному из трех других контактов и т. д. [3]
В переключателе, где контакты остаются в одном состоянии, пока не будут задействованы, например, в кнопочном переключателе, контакты могут быть либо нормально разомкнутыми (сокращенно « no » или « no »), пока не будут замкнуты с помощью переключателя, либо нормально замкнутыми (« nc » или « nc ») [примечание 1] и разомкнутыми действием переключателя. Переключатель с обоими типами контактов называется переключателем на два направления или двухпозиционным переключателем . Они могут быть « замыкающими перед размыканием » (« MBB » или замыкающими), которые на мгновение соединяют обе цепи, или « размыкающими перед замыканием » (« BBM » или не замыкающими), которые прерывают одну цепь перед замыканием другой.
Эти термины привели к появлению сокращений для типов переключателей, используемых в электронной промышленности, таких как « однополюсный, одноходовой » (SPST) (простейший тип, «вкл. или выкл.») или « однополюсный, двухходовой » (SPDT), соединяющий любой из двух выводов с общим выводом. В электропроводке (т. е. в электропроводке домов и зданий электриками ) названия обычно включают суффикс «-way» ; однако эти термины различаются в британском и американском английском (т. е. термины two way и three way используются с разными значениями).
Переключатели с большим числом полюсов или бросков можно описать, заменив «S» или «D» числом (например, 3PST, SP4T и т. д.) или в некоторых случаях буквой «T» (для «тройной») или «Q» (для «четверной»). В оставшейся части этой статьи будут использоваться термины SPST , SPDT и промежуточный , чтобы избежать двусмысленности.
Дребезг контактов (также называемый дребезгом ) является распространенной проблемой механических переключателей, реле и контактов батарей , которая возникает в результате явлений электрического контактного сопротивления (ЭКР) на интерфейсах. Контакты переключателей и реле обычно изготавливаются из упругих металлов. Когда контакты ударяются друг о друга, их импульс и упругость действуют вместе, заставляя их отскакивать друг от друга один или несколько раз, прежде чем установить устойчивый контакт. Результатом является быстро пульсирующий электрический ток вместо чистого перехода от нуля к полному току. Эффект обычно не важен в силовых цепях, но вызывает проблемы в некоторых аналоговых и логических схемах , которые реагируют достаточно быстро, чтобы неправильно интерпретировать импульсы включения-выключения как поток данных. [5] При проектировании микроконтактов контроль структуры поверхности ( шероховатость поверхности ) и минимизация образования пассивированных слоев на металлических поверхностях играют важную роль в подавлении дребезга.
В органе Хаммонда несколько проводов сжимаются вместе под клавишами фортепиано руководств. Их подпрыгивание и несинхронное закрытие переключателей известно как щелчок Хаммонда , и существуют композиции, которые используют и подчеркивают эту особенность. Некоторые электронные органы имеют переключаемую копию этого звукового эффекта. [6]
Эффект 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 мощности, даже при постоянно увеличивающемся расстоянии между контактами переключателя. Плазма также очень горячая и способна разрушать металлические поверхности контактов переключателя (то же самое относится и к вакуумным переключателям). Возникновение электрической дуги вызывает значительную деградацию контактов , а также значительные электромагнитные помехи (ЭМП), требующие использования методов подавления дуги . [7]
Если напряжение достаточно высоко, дуга может также образоваться при замыкании переключателя и сближении контактов. 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 войдут в контакт.
В любом случае стандартным методом минимизации образования дуги и предотвращения повреждения контактов является использование быстродействующего механизма переключения, обычно использующего пружинный механизм точки опрокидывания для обеспечения быстрого движения контактов переключения, независимо от скорости, с которой пользователь управляет переключателем. Перемещение рычага управления переключателем натягивает пружину до тех пор, пока не будет достигнута точка опрокидывания, и контакты внезапно размыкаются или замыкаются, когда натяжение пружины ослабевает.
По мере увеличения мощности переключения используются другие методы для минимизации или предотвращения образования дуги. Плазма горячая и будет подниматься из-за конвекционных воздушных потоков. Дугу можно погасить серией непроводящих лезвий, охватывающих расстояние между контактами переключателя, и по мере того, как дуга поднимается, ее длина увеличивается, поскольку она образует гребни, поднимающиеся в пространства между лезвиями, пока дуга не станет слишком длинной, чтобы оставаться устойчивой, и не погаснет. Можно использовать фугас , чтобы внезапно выдуть высокоскоростной выброс газа через контакты переключателя, что быстро увеличивает длину дуги, чтобы быстро погасить ее.
Очень большие переключатели часто имеют переключающие контакты, окруженные чем-то иным, чем воздух, чтобы быстрее погасить дугу. Например, переключающие контакты могут работать в вакууме, погруженными в минеральное масло или в гексафторид серы .
В сети переменного тока ток периодически проходит через ноль; этот эффект затрудняет поддержание дуги при открытии. Производители могут устанавливать переключатели с более низким напряжением или током при использовании в цепях постоянного тока.
Когда переключатель предназначен для переключения значительной мощности, необходимо учитывать переходное состояние переключателя, а также способность выдерживать непрерывные рабочие токи. Когда переключатель находится во включенном состоянии, его сопротивление близко к нулю, и на контактах падает очень мало мощности; когда переключатель находится в выключенном состоянии, его сопротивление чрезвычайно велико, и на контактах падает еще меньше мощности. Однако, когда переключатель щелкают, сопротивление должно пройти через состояние, когда четверть номинальной мощности нагрузки [ требуется цитата ] (или хуже, если нагрузка не является чисто резистивной) кратковременно падает на переключателе.
По этой причине силовые выключатели, предназначенные для прерывания тока нагрузки, оснащены пружинными механизмами, обеспечивающими максимально короткий переход между включением и выключением независимо от скорости, с которой пользователь перемещает рычаг.
Выключатели питания обычно бывают двух типов. Кратковременный выключатель (например, на лазерной указке ) обычно имеет форму кнопки и замыкает цепь только при нажатии кнопки. Обычный выключатель (например, на фонарике ) имеет функцию постоянного включения-выключения. Выключатели двойного действия включают обе эти функции.
Когда сильно индуктивная нагрузка, такая как электродвигатель, выключается, ток не может мгновенно упасть до нуля; искра проскакивает через размыкающиеся контакты. Переключатели для индуктивных нагрузок должны быть рассчитаны на обработку таких случаев. Искра вызовет электромагнитные помехи , если ее не подавить; демпферная сеть из резистора и конденсатора последовательно погасит искру. [8]
При включении лампа накаливания потребляет большой пусковой ток , примерно в десять раз превышающий установившийся ток; по мере нагрева нити накаливания ее сопротивление увеличивается, а ток уменьшается до установившегося значения. Переключатель, рассчитанный на нагрузку в виде лампы накаливания, может выдерживать этот пусковой ток. [9]
Ток смачивания — это минимальный ток, который должен протекать через механический переключатель во время его работы, чтобы пробить любую пленку окисления , которая могла осесть на контактах переключателя. [10] Пленка окисления часто возникает в областях с высокой влажностью . Обеспечение достаточного количества тока смачивания является важным шагом в проектировании систем , которые используют чувствительные переключатели с малым контактным давлением в качестве входов датчика. Невыполнение этого требования может привести к тому, что переключатели останутся электрически «открытыми» из-за окисления контактов.
Подвижная часть, которая прикладывает рабочую силу к контактам, называется приводом и может представлять собой тумблер или тележку , качающуюся ручку , кнопку или любой тип механического соединения (см. фото).
Обычно переключатель сохраняет свое установленное положение после срабатывания. Смещенный переключатель содержит механизм, который возвращает его в другое положение при отпускании оператором. Кнопочный переключатель мгновенного действия является типом смещенного переключателя. Наиболее распространенным типом является переключатель «push-to-make» (или нормально открытый или NO), который замыкает контакт при нажатии кнопки и размыкает его при ее отпускании. Например, каждая клавиша компьютерной клавиатуры является нормально открытым переключателем «push-to-make». С другой стороны, переключатель «push-to-break» (или нормально закрытый или NC) размыкает контакт при нажатии кнопки и замыкает его при ее отпускании. Примером переключателя «push-to-break» является кнопка, используемая для открывания двери, удерживаемой закрытой электромагнитом . Внутренняя лампа бытового холодильника управляется переключателем, который удерживается открытым при закрытой двери.
Поворотный переключатель работает с помощью вращательного движения рабочей рукоятки с как минимум двумя положениями. Одно или несколько положений переключателя могут быть кратковременными (смещенными пружиной), требующими от оператора удерживать переключатель в этом положении. Другие положения могут иметь фиксатор для удержания положения при отпускании. Поворотный переключатель может иметь несколько уровней или «палуб», чтобы позволить ему управлять несколькими цепями.
Одна из форм поворотного переключателя состоит из шпинделя или «ротора», который имеет контактный рычаг или «спицу», которая выступает из его поверхности как кулачок. Он имеет ряд клемм, расположенных по кругу вокруг ротора, каждая из которых служит контактом для «спицы», через которую любая из нескольких различных электрических цепей может быть подключена к ротору. Переключатель имеет слоистую структуру, позволяющую использовать несколько полюсов, каждый слой эквивалентен одному полюсу. Обычно такой переключатель имеет фиксирующий механизм, поэтому он «щелкает» из одного активного положения в другое, а не останавливается в промежуточном положении. Таким образом, поворотный переключатель обеспечивает большие возможности полюсов и бросков, чем более простые переключатели.
В других типах используется кулачковый механизм для управления несколькими независимыми наборами контактов.
Поворотные переключатели использовались в качестве селекторов каналов на телевизионных приемниках до начала 1970-х годов, в качестве селекторов диапазонов на электроизмерительном оборудовании, в качестве селекторов диапазонов на многодиапазонных радиоприемниках и для других подобных целей. В промышленности поворотные переключатели используются для управления измерительными приборами, коммутационными устройствами или в цепях управления. Например, радиоуправляемый мостовой кран может иметь большой многоконтурный поворотный переключатель для передачи жестко запрограммированных сигналов управления от местных органов ручного управления в кабине на выходы приемника дистанционного управления.
Тумблерный переключатель или тумблерный переключатель — 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 в многочисленных приложениях. Многие из них предназначены для обеспечения одновременного приведения в действие нескольких наборов электрических контактов или управления большими объемами электрического тока или напряжения сети .
Слово «тумблер» относится к типу механизма или сочленения, состоящего из двух рычагов, которые находятся почти на одной линии друг с другом и соединены локтевым шарниром. Однако фраза «тумблер» применяется к переключателю с короткой ручкой и положительным щелчковым действием, независимо от того, содержит ли он на самом деле механизм тумблера или нет. Аналогично, переключатель, в котором слышен определенный щелчок, называется «положительным выключателем включения-выключения». [11] Очень распространенное использование этого типа переключателя — включение или выключение света или другого электрооборудования. Несколько тумблерных переключателей могут быть механически заблокированы для предотвращения запрещенных комбинаций.
В некоторых контекстах, особенно в вычислительной технике , переключатель или действие переключения понимается в другом смысле механического или программного переключателя, который переключается между двумя состояниями каждый раз, когда он активируется, независимо от механической конструкции. Например, клавиша Caps Lock на компьютере заставляет все буквы быть заглавными после ее однократного нажатия; повторное нажатие возвращает к строчным буквам.
Переключатели могут быть спроектированы так, чтобы реагировать на любой тип механического стимула: например, вибрацию (вибрационный переключатель), наклон, давление воздуха, уровень жидкости ( поплавковый переключатель ), поворот ключа ( ключевой переключатель ), линейное или вращательное движение ( концевой переключатель или микропереключатель ) или наличие магнитного поля ( герконовый переключатель ). Многие переключатели автоматически срабатывают при изменении некоторых условий окружающей среды или при движении оборудования. Концевой переключатель используется, например, в станках для блокировки работы с правильным положением 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 колба наклоняется, чтобы ртуть скатывалась на них.
Этот тип переключателя работает намного лучше, чем шариковый переключатель наклона, так как жидкометаллическое соединение не подвержено воздействию грязи, мусора и окисления, оно смачивает контакты, обеспечивая соединение с очень низким сопротивлением без дребезга, а движение и вибрация не приводят к плохому контакту. 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 лезвия, шарнирно закрепленного на одном конце, с изолирующей ручкой для работы и неподвижным контактом. Когда переключатель замкнут, ток протекает через шарнирный шарнир и лезвие и через неподвижный контакт. Такие переключатели обычно не закрыты. Нож и контакты обычно изготавливаются из меди , стали или латуни , в зависимости от применения. Неподвижные контакты могут быть подкреплены пружиной. Несколько параллельных лезвий могут одновременно управляться одной ручкой. Детали могут быть установлены на изолирующем основании с клеммами для проводки или могут быть напрямую прикреплены болтами к изолированному распределительному щиту в большой сборке. Поскольку электрические контакты открыты, переключатель используется только там, где люди не могут случайно соприкоснуться с переключателем или где напряжение настолько низкое, что не представляет опасности.
Рубильники изготавливаются во многих размерах: от миниатюрных до больших устройств, рассчитанных на тысячи ампер. В электропередаче и распределении рубильники с групповым управлением используются в цепях вплоть до самых высоких напряжений.
Недостатками рубильника являются медленная скорость открытия и близость оператора к открытым токоведущим частям. Металлические разъединители безопасности используются для изоляции цепей в промышленном распределении электроэнергии. Иногда устанавливаются подпружиненные вспомогательные ножи, которые на мгновение несут 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 применением переключателей DPDT, некоторые вариации переключателя DPDT имеют внутреннюю проводку специально для изменения полярности. Эти кроссоверные переключатели имеют только четыре клеммы, а не шесть. Две из клемм являются входами, а две — выходами. При подключении к батарее или другому источнику постоянного тока 4-позиционный переключатель выбирает либо нормальную, либо обратную полярность. Такие переключатели также могут использоваться в качестве промежуточных переключателей в многопозиционной системе коммутации для управления лампами с помощью более чем двух переключателей.
В электропроводке зданий выключатели света устанавливаются в удобных местах для управления освещением и иногда другими цепями. Используя многополюсные выключатели, можно получить многопозиционное управление переключением лампы из двух или более мест, например, из концов коридора или лестничной клетки. Беспроводной выключатель света позволяет дистанционно управлять лампами для удобства; некоторые лампы включают сенсорный выключатель , который электронным способом управляет лампой при прикосновении в любом месте. В общественных зданиях используются несколько типов вандалозащищенных выключателей для предотвращения несанкционированного использования.
Ползунковые переключатели — это механические переключатели, в которых используется ползунок, который перемещается (скользит) из открытого (выключенного) положения в закрытое (включенное) положение.
Термин «переключатель» с тех пор распространился на различные твердотельные электронные устройства , которые выполняют функцию переключения, но которые управляются электронным способом активными устройствами, а не чисто механически. Они классифицированы в статье электронный переключатель . Электромеханические переключатели (такие как традиционное реле , электромеханическая перемычка и переключатель Строуджера ) объединяют категоризацию.
Медиа, связанные с Электрические переключатели на Wikimedia Commons