Переключатель можно по-разному конструировать, приводя два проводника в управляемый контакт друг с другом.
Например, можно пойти наиболее простым путём: движением рычага просто сближать и соединять два медных проводка или две металлических полоски.
Однако грамотная конструкция переключателя должна быть прочной и надёжной и никого не подвергать опасности поражения электрическим током. Поэтому конструкции промышленных переключателей редко бывают настолько примитивными.
Проводящие части переключателя, используемые для замыкания/размыкания электрического соединения, называются контактами.
Контакты обычно изготавливаются из серебра или серебряно-кадмиевого сплава, проводящие свойства которого медленно деградируют из-за поверхностной коррозии или окисления.
Золотые контакты обладают лучшей коррозионной стойкостью, но имеют ограниченную пропускную способность по току и могут «свариваться», оставаясь затем соединёнными, если при соединении вместе применялось слишком большое механическое усилие.
Как бы то ни было, контакты переключателя управляются механизмом, обеспечивающим равномерный прямоугольный контактный сигнал, что даёт максимальную надёжность и минимальное сопротивление.
Факторы, ограничивающие допустимую нагрузку на контакт переключателя
Контакты могут быть сконструированы так, чтобы выдерживать очень большие количества электрического тока, в некоторых случаях до тысяч ампер.
Факторы, ограничивающие допустимую нагрузку на контакт переключателя, следующие:
Тепло, выделяемое током через металлические контакты (в замкнутом состоянии).
Искра, возникающая при размыкании/замыкании контактов.
Напряжение на разомкнутых контактах переключателя (потенциал скачка тока через возникающий зазор между разъединёнными контактами).
Одним из основных недостатков стандартных переключающих контактов является атмосферное воздействие на контакты.
В стерильной лабораторной среде это обычно не проблема. Однако большинство промышленных сред чистотой не отличаются.
Присутствие в воздухе агрессивных химикатов может привести к разрушению контактов и преждевременному выходу из строя.
Ещё более неприятным является перманентная вероятность контактного искрения, вызывающего возгорание легковоспламеняющихся или взрывоопасных химикатов.
Переключатели с герметичным контактом
Ввиду вышеупомянутых экологических проблем, для компактных переключателей можно рассмотреть другие типы контактов.
Эти другие типы контактов изолированы от наружной воздушной среды и поэтому не подвержены тем же проблемам, что и стандартные контакты.
Ртутный переключатель
Распространённым типом переключателя с герметичным контактом является ртутный переключатель. Ртуть – металл, находящийся в жидком агрегатном состоянии при комнатной температуре.
Будучи металлом, она обладает прекрасными проводящими свойствами. Будучи жидкостью, её можно привести в контакт с металлическими выводами (замкнув таким образом цепь) внутри герметичной камеры, наклонив её так, чтобы выводы оказались покрыты металлической жидкостью.
Во многих промышленных переключателях используются небольшие стеклянные трубки, содержащие ртуть, которые нужно наклонить в одну сторону, чтобы замкнуть контакт, и в другую сторону, чтобы размокнуть.
Если учесть возможные опасности (трубка может разбиться и тогда произойдёт разлив крайне токсичной отравы), а также восприимчивость к наклонам и вибрации, эти устройства всё же являются отличной альтернативой переключателям с открытыми контактами, где есть проблемы с воздействием окружающей среды.
Здесь ртутный переключатель (часто называемый наклонным переключателем) показан в открытом (разомкнутом) положении, когда ртуть не контактирует с обоими металлическими контактами на другом конце стеклянной колбы:
Рис. 1. Ртутный переключатель в открытом (разомкнутом) положении.
А вот здесь тот же переключатель показан в закрытом (замкнутом) положении. Теперь гравитация удерживает жидкую ртуть в соединении с двумя металлическими контактами, обеспечивая электрическую непрерывность от одного вывода к другому:
Рис. 2. Ртутный переключатель в закрытом (замкнутом) положении.
Контакты ртутного переключателя непрактично делать больших размеров, поэтому вам, в основном, будут попадаться такие, что рассчитаны не более чем на несколько ампер и не более чем на 120 вольт.
Конечно, есть исключения, но, в целом, в большинстве случаев ограничения будут примерно такими.
Герконовый переключатель
Герконовый переключатель – это ещё одна разновидность переключателя, у которого герметичные контакты (герконы). Как и в ртутном переключателе, герконы расположены внутри непроницаемо заваренной трубки.
В отличие от ртутного переключателя, в котором в качестве контактной среды используется жидкий металл, герконовый переключатель представляет собой просто пару очень тонких магнитных металлических полос, которые контактируют друг с другом из-за приложенного сильного магнитного поля. При этом обе тонкие полоски колеблются как камыш на ветру – отсюда и англоязычное название magnetic reed switch, т.е., если дословно, магнитный тростниковый переключатель.
Источником магнитного поля в переключателях этого типа обычно является постоянный магнит, перемещаемый ближе или дальше от трубки с помощью исполнительного механизма. Из-за ма́лого размера «тростинок» этот тип контакта обычно рассчитан на более низкие токи и напряжения, чем средний ртутный переключатель.
Однако герконы лучше справляются с вибрацией, чем ртутные контакты, потому что внутри трубки нет жидкости, которая склонна разбрызгиваться.
Электрическая схема «снаббер»
Обычно номинальное напряжение и ток контактов переключателя общего назначения требуется выше, если переключаемые электрические мощности являются переменным, а не постоянным током. Причина сего – тенденция самозатухания дуги переменного тока при преодолении воздушного зазора между контактами.
Поскольку ток в линии электропередачи 60 Гц фактически останавливается и меняет направление 120 раз в секунду, в ионизированном воздухе дуга быстро теряет температуру, достигая точки, когда прекращается проведение тока, пока дуга не возобновится при следующем пике напряжения.
Постоянный ток, с другой стороны, представляет собой непрерывный, непрерывающийся поток электронов, который более способствует поддержанию электрической дуги в воздушном зазоре.
Это приводит к тому, что контакты переключателя любого типа быстрее изнашиваются при переключении заданного значения постоянного тока, чем при переключении такого же значения переменного тока.
Проблема переключения постоянного тока усугубляется тем, что нагрузка имеет значительную индуктивность, поскольку при размыкании цепи на контактах переключателя возникают очень высокие напряжения (индуктивный элемент делает всё возможное, чтобы поддерживать ток в цепи на том же уровне, что и при размыкании цепи), в результате чего переключатель некоторое время всё равно остаётся в замкнутом состоянии.
Как при переменном, так и при постоянном токе искрение контактов можно свести к минимуму, добавив «снаббер» – «демпферную» цепь (соединённые последовательно конденсатор и резистор) – параллельно контакту, примерно вот так:
Рис. 3. Последовательные конденсатор и резистор параллельны переключателю уменьшают искрение.
Внезапное повышение напряжения на контактах переключателя, вызванное размыканием контактов, сдерживается зарядным действием конденсатора (конденсатор противодействует увеличению напряжения, потребляя ток).
Резистор ограничивает количество тока, который конденсатор разряжает через контакт, когда он снова замыкается. Если бы резистора не было, конденсатор фактически сам был бы причиной искрения во время замыкания контактов, ещё худшего, чем искрение во время размыкания контактов без конденсатора!
Хотя это добавление к схеме помогает уменьшить контактную дугу, оно не лишено недостатков: в основном потому, что в случае неисправности (закороченной) комбинации конденсатор/резистор, будет обеспечиваться постоянный путь для электронов в цепи, даже когда контакт разомкнут и ток нежелателен.
Риск этого отказа и серьёзность возникающих последствий необходимо учитывать в отношении повышенного износа контактов (и неизбежного выхода их из строя) без демпфирующей цепи.
Использование демпферов в цепях переключателей постоянного тока не является чем-то новым: производители автомобилей годами внедряли это в системах зажигания двигателей, сводя к минимуму искрение через «точки» контакта переключателя в распределителе с помощью небольшого конденсатора, называемого конденсером.
Как вам охотно подтвердит любой автомеханик, срок службы «точек» распределителя напрямую зависит от того, насколько хорошо работает конденсатор.
Ток обтекания
Из всех этих обсуждаемых ужасов можно сделать вывод, что для механического переключателя якобы чем меньше ток, тем лучше.
Однако это не обязательно так. Было обнаружено, что небольшое периодическое искрение даже полезно для контактов переключателя, поскольку защищает контактные поверхности от грязи и коррозии.
Если контакт механического переключателя работает со слишком малым током, то это приведёт со временем к чрезмерному увеличению сопротивления и контакты могут преждевременно выйти из строя!
Это минимальное количество электрического тока, необходимое для поддержания хорошего состояния контакта механического переключателя, называется током обтекания или током восстановления контактов.
В правильно спроектированном переключателе номинальный ток обтекания намного ниже максимального номинального тока и намного ниже нормальной нагрузки рабочего тока.
Однако есть приложения, в которых может потребоваться механический переключающий контакт для регулярной обработки токов ниже нормальных пределов тока обтекания (например, если механический селекторный переключатель должен размыкать/замыкать цифровую логическую или аналоговую электронную схему, где значение тока чрезвычайно мало).
В таких случаях настоятельно рекомендуется использовать позолоченные контакты. Золото – «благородный» металл и не подвержен коррозии, в отличие от.
Контакты из данного драгметалла имеют чрезвычайно низкие требования к току обтекания. Обычные контакты из серебра или медного сплава не будут обеспечивать надёжную работу при использовании в слаботочной среде!
Итог
Части переключателя, отвечающие за включение и отключение непрерывного электрического соединения, называются контактами. Обычно они изготавливаются из коррозийно-стойкого металлического сплава, контакты соприкасаются друг с другом с помощью механизма, который помогает поддерживать правильное выравнивание и расстояние.
В ртутных переключателях в качестве подвижного контакта используется такой жидкий металл как ртуть. В герметичной стеклянной трубке искра от ртутного контакта изолирована от внешней среды, что делает этот тип переключателя идеально подходящим для воздушных сред, потенциально содержащих взрывоопасные пары́.
Герконовые переключатели – это ещё один тип устройств с герметичными контактами (герконами). Герконы – это две тончайшие металлические «тростинки» внутри стеклянной трубки, соединяющиеся друг с другом под воздействием внешнего магнитного поля.
Контакты переключателя подвержены большему износу при переключении постоянного тока, чем переменного. В первую очередь это связано с самозатуханием дуги переменного тока.
Сеть резистор/конденсатор (так называемый «демпфер» или «снаббер»), может быть подключена параллельно переключающему контакту, что помогает уменьшить искрение.
Ток обтекания (ток восстановления контактов) – это необходимая для самоочистки минимальная величина электрического тока при прохождении через контакты переключателя. Обычно это значение гораздо ниже максимального номинального тока переключателя.
