Понимание электрических коммутаторов: типы, функции и применения

Хотя коммутаторы фундаментальны для электрических систем, глубокое понимание их типов необходимо для последующих глав, изучающих механическую коммутаторную цифровую логику более ранних технологий.

Изучение коммутаторно-управляемых схем вместе с твердотельной логикой упрощает оба понятия и закладывает основу для освоения булевой алгебры — математического скелета цифровой логики.

Что такое электрический коммутатор?

Электрический коммутатор — устройство, прерывающее или замыкающее поток электронов в цепи. Он ведёт себя как бинарный элемент — либо полностью «закрыт» (вкл), либо полностью «разомкнут» (выкл). Глава рассматривает существующие категории коммутаторов.

Изучите различные типы коммутаторов

Простейшие коммутаторы состоят из двух проводников, сближаемых актуирующим механизмом. Более сложные включают электронную схему, реагирующую на физические стимулы — свет или магнитное поле.

Независимо от сложности, коммутатор в конечном счёте представляет два соединительных вывода, либо соединённых внутренним контактом, либо разделённых.

Коммутаторы для ручного управления называют ручными коммутаторами (hand switches), они бывают нескольких распространённых вариантов:

Переключатели (Toggle Switches)

Управляются рычагом, фиксируемым в двух или более дискретных положениях. Классический пример — бытовой выключатель света.

Большинство фиксируют рычаг в выбранном положении; другие имеют пружину, возвращающую рычаг в «нормальное» положение, обеспечивая моментное действие.

Кнопочные коммутаторы (Pushbutton Switches)

Двухпозиционные, актуируемые нажатием и отпусканием кнопки. Большинство имеют пружину, возвращающую кнопку «наружу» для моментной работы.

Некоторые защёлкиваются вкл/выкл при каждом нажатии, другие остаются нажатыми до ручного отпускания. Последние часто имеют грибовидную кнопку для эргономичного нажатия-толкания.

Селекторные коммутаторы (Selector Switches)

Используют вращающийся ручник или рычаг для выбора одной из нескольких позиций. Как toggle, могут фиксироваться или иметь пружинный возврат для моментного использования.

Джойстиковые коммутаторы (Joystick Switches)

Актуируются рычагом, движущимся в нескольких осях. Один или несколько внутренних контактов замыкаются/размыкаются в зависимости от направления — и иногда от амплитуды движения.

Обозначение «круг с точкой» в символе показывает требуемое движение рычага. Джойстик-коммутаторы широко используются для управления кранами и роботами.

Некоторые коммутаторы специально спроектированы для актуирования движением машины, а не человеческой рукой. Их называют концевыми выключателями (limit switches), потому что они останавливают машину, когда компонент достигает заданного предела.

Концевые выключатели (Limit Switches)

Похожи на rugged toggle или selector ручные коммутаторы, но их рычаги приводит в движение деталь машины. Маленький роликовый подшипник на конце рычага защищает от износа при повторных контактах.

Датчики приближения (Proximity Switches)

Определяют приближение металлической детали через магнитное или высокочастотное электромагнитное поле.

Базовые модели используют постоянный магнит для актуирования герметичного коммутатора, когда металл приближается на ~2,5 см. Продвинутые типы используют катушку с высокочастотным током; присутствие металла меняет величину тока, срабатывая цепь.

Электронный вариант показан ромбовидным прямоугольником вокруг символа. Неэлектронный датчик приближения использует тот же символ, что рычажный концевой выключатель.

Оптические датчики приближения используют источник света и фотодетектор. Луч прерывается или отражается деталью машины, позволяя коммутатору чувствовать позицию. Также ценны в безопасности для обнаружения персонала в опасных зонах.

Различные типы процессных коммутаторов

В промышленности незаменимы коммутаторы, реагирующие на физические процессные переменные. Они могут запускать аварийные сигналы при дрифте параметров или отключать оборудование для предотвращения повреждений.

Скоростные коммутаторы (Speed Switches)

Измеряют вращение вала центробежными грузиками или бесконтактными оптическими/магнитными датчиками.

Давления коммутаторы (Pressure Switches)

Актуируются поршнем, диафрагмой или corrugated bellows, преобразующими давление газа или жидкости в механическую силу.

Температурные коммутаторы (Temperature Switches)

Частый датчик — биметаллическая полоса: тонкий лист двух металлов с разными коэффициентами термического расширения. При температурном изменении полоса изгибается, актуируя коммутатор.

Другие дизайны используют латунную лампочку с жидкостью или газом, связанную с давлением-чувствительным элементом. Нагрев лампочки расширяет содержимое, повышает давление и срабатывает коммутатор.

Уровневые коммутаторы жидкости (Liquid Level Switch)

Могут использовать плавающий элемент, замыкающий коммутатор при подъёме жидкости до заданной высоты. Если жидкость проводит электричество, пара зондов может замыкать цепь, и реле срабатывает от малого тока.

Определение уровня сыпучих материалов — зерна, корма — часто использует лопастное колесо или вилочковый датчик, обнаруживающий отсутствие движения, когда бункер достигает заданного уровня.

Расходовые коммутаторы жидкости (Liquid Flow Switch)

Установленный в трубе коммутатор следит за расходом лопастью или лопаткой, заводимой потоком. Другие варианты — дифференциально-давления коммутаторы, чувствующие падение давления через встроенное ограничение.

Ядерные уровневые коммутаторы (Nuclear Level Switch)

Слабый радиоактивный источник и детектор напротив по диаметру сосуда. По мере накопления материала над источником ослабление излучения снижает сигнал детектора, срабатывая реле для индикации уровня.

Так как источник и детектор внешние к сосуду, физическое проникновение не требуется, а используемое излучение безопасно для персонала.

У всех коммутаторов множественные применения

Редко существует единственный «идеальный» коммутатор для работы; каждый тип предлагает компромиссы в долговечности, времени отклика и пригодности для среды. Правильный выбор — залог надёжной работы.

ОБЗОР:

• Коммутатор — электрическое устройство, обычно электромеханическое, для управления электрической непрерывностью между двумя точками.
• Ручные коммутаторы актуируются человеческим прикосновением.
• Концевые коммутаторы актуируются движением машины.
• Процессные коммутаторы актуируются изменениями физического процесса (температура, уровень, расход и т.д.).

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

• Рабочий лист по коммутаторам