Может показаться странным и запоздалым решение именно сейчас осветить такую тривиальную тему как электрические переключатели. И я делаю это только потому, что в последующих главах исследуется «древняя» область цифровых технологий, основанная именно на контактах механических переключателей, а не на твердотельных вентильных схемах. А раз так, то потребуется доскональное понимание типов переключателей.
Изучение схем, функционирующих на основе переключателей одновременно с изучением полупроводниковых логических вентилей упрощает понимание сразу обеих тем и закладывает основы для дальнейшего изучения булевой алгебры (раздела математики, лежащей в основе цифровых логических схем).
Что такое электрический переключатель?
Электрический переключатель – это любое устройство, используемое для прерывания/возобновления потока электронов в цепи. Переключатели по своей сути являются бинарными устройствами: они либо полностью включены («замкнуты»), либо полностью выключены («разомкнуты»). Существует множество разнообразных типов переключателей, и в этой главе мы рассмотрим некоторые из них.
Изучаем различные типы переключателей
Простейшие переключатели – это те, в которых два электрических проводника контактируют друг с другом за счёт движения исполнительного механизма.
Есть и более сложные переключатели, содержащие электронные схемы, которые включаются/выключаются в зависимости от какого-либо физического стимула (например, из-за воздействия света или магнитного поля).
В любом случае выходами любого переключателя будет (как минимум) пара клемм для подключения проводов, которые либо соединены с внутренним контактным механизмом переключателя («замыкание»), либо не соединены с ним («размыкание»).
Если предполагается что человек управляет состоянием переключателя, то его обычно называют ручным переключателем, и тут возможны такие варианты:
Ручные переключатели
Тумблерные переключатели
Рис. 1. Тумблерный переключатель.
Тумблерные переключатели (тумблеры) приводятся в действие рычагом, который может находиться под углом в одном из двух (или более) положений. Обычный выключатель, используемый в бытовой электропроводке – это, как раз, пример тумблерного переключателя.
В большинстве тумблеров рычаг фиксируются в одном из положений, хотя некоторые переключатели этого типа имеют внутренний пружинный механизм, возвращающий рычаг в определённое положение, что позволяет выполнять так называемое «мгновенное» действие.
Кнопочные переключатели
Рис. 2. Кнопочный переключатель
Кнопочные переключатели – это двухпозиционные устройства, приводимые в действие нажатием/отпусканием кнопки. Большинство кнопочных переключателей имеют внутренний пружинный механизм, возвращающий кнопку в ее в положение «Выкл.» («отжато») при «мгновенном» срабатывании.
Некоторые кнопочные переключатели поочередно то включаются, то выключаются при каждом нажатии кнопки. Иные будут оставаться в положении «Вкл.» («нажато») до тех пор, пока кнопка следующим нажатием не будет возвращена в первоначальную позицию.
Причём этот тип кнопочных переключателей обычно имеет грибовидную кнопку для лёгкого нажатия.
Селекторные переключатели
Рис. 3. Селекторный переключатель.
Селекторные переключатели приводятся в действие поворотной ручкой или каким-либо рычажком для выбора одного из двух или более положений.
Как и тумблер, селекторные переключатели либо фиксируются в любом из своих положений, либо содержат механизм с пружинным возвратом после «мгновенного» срабатывания.
Джойстиковые переключатели
Рис. 4. Джойстиковый переключатель.
Переключатель типа «джойстик» (джойстиковый переключатель) приводится в действие рычагом, который свободно перемещается по более чем одной оси движения. Один (или более одного) из нескольких переключающих контактных механизмов приводятся в действие в зависимости от того, как именно нажимается рычаг, а иногда и от того, насколько сильно он нажат.
Схемное обозначение, состоящее из круга и точки, указывает направление движения рычага джойстика, необходимое для приведения в действие контакта. Ручные переключатели-джойстики обычно используются для управления краном и роботом.
Автоматические переключатели
Некоторые переключатели специально разработаны для автоматического управления движением, а не вручную.
Эти автоматически управляемые переключатели обычно называют концевыми переключателями, потому что они часто используются для ограничения движения механизмов, в которых отключается мощность, если отслеживаемый компонент перемещается слишком далеко. Как и ручные переключатели, концевые выключатели бывают нескольких разновидностей:
Концевые переключатели
Рис. 5. Концевой переключатель с рычажным приводом.
Эти концевые переключатели очень похожи на прочные тумблеры или ручные переключатели, оснащённые дополнительным рычагом, управляемым автоматикой.
Часто рычаги имеют небольшой роликовый подшипник, предотвращающий износ рычага при многократном контакте с деталями механизма.
Бесконтактные переключатели
Рис. 6. Бесконтактный переключатель.
Бесконтактные переключатели детектируют близость металлических деталей либо с помощью магнитного, либо высокочастотного электромагнитного поля.
Простенькие бесконтактные переключатели используют постоянный магнит для приведения в действие герметичного механизма переключения всякий раз, когда деталь приближается к магниту (обычно на 1 дюйм или меньше).
Более сложные бесконтактные переключатели работают по принципу металлоискателя, запитывая катушку с проволокой высокочастотным током и электронным образом отслеживая величину этого тока.
Если металлическая деталь (не обязательно намагниченная) окажется достаточно близко к катушке, ток увеличится и отключит управляемую цепь.
Показанный на рисунке 6 выше символ для бесконтактного переключателя относится к электронной разновидности, на что указывает ромбовидная рамка.
Для неэлектронного бесконтактного переключателя будет использоваться тот же символ, что и для обычного концевого переключателя (рисунок 5 выше), приводимого в действие рычагом.
Другой вид бесконтактного переключателя – это оптический переключатель, состоящий из источника света и фотоэлемента. Положение механизма определяется либо по прерыванию, либо по отражению светового луча.
Оптические переключатели также полезны при обеспечении безопасности персонала, когда лучи света могут использоваться для обнаружения людей, оказавшихся в опасной зоне.
Различные типы переключателей контроля промышленных процессов
Во многих промышленных процессах необходимо контролировать различные физические величины с помощью переключателей (часто называемых датчиками или реле).
Такие переключатели могут использоваться для подачи сигналов тревоги, указывающих, что параметр процесса превысил норму, или же они могут вообще использоваться для полной остановки процессов или выключения оборудования, если отслеживаемые переменные достигли опасного уровня, чреватого разрушительными последствиями.
Существует много различных типов переключателей контроля промышленных процессов.
Датчики скорости
Рис. 7. Датчик скорости.
Эти переключатели определяют скорость вращения вала либо с помощью центробежного механизма с вращающимся грузом, либо с помощью какого-либо бесконтактного (оптического или магнитного) обнаружения движения вала.
Датчик давления
Рис. 8. Датчик давления.
Давление газа или жидкости может использоваться для приведения в действие механизма переключения, если это давление прикладывается к поршню, диафрагме или сильфону, преобразующих давление в механическую силу.
Температурные датчики
Рис. 9. Температурный датчик.
Недорогим механизмом для измерения температуры является тонкая «биметаллическая полоска», состоящая из двух металлов, соединённых «спиной к спине», причём каждый металл имеет разную скорость теплового расширения.
Когда полоска нагревается/охлаждается, разная скорость теплового расширения двух металлов вызывает её деформацию. Изгибание полоски можно использовать для приведения в действие механизма, переключающего контакты.
В других температурных реле используется латунная колба, заполненная газом/жидкостью, с крошечной трубкой, соединяющей колбу с датчиком давления. Нагрев колбы приводит к расширению газа/жидкости, вызывающему повышение давления, которое приводит в действие механизм переключения.
Датчик уровня жидкости
Рис. 10. Датчик уровня жидкости.
Плавающий объект может использоваться для приведения в действие механизма переключения, когда уровень жидкости в резервуаре поднимается выше определённой точки. Если жидкость электропроводна, то она может использоваться в качестве проводника между двумя металлическими выводами, вставленными в резервуар на требуемой глубине.
Проводимость обычно обеспечивается за счёт специальной конструкции реле, срабатывающем при небольшом токе, протекающем через проводящую жидкость. В большинстве случаев переключать полный ток нагрузки цепи через жидкость нецелесообразно и опасно.
Датчики уровня также могут быть разработаны для определения уровня твёрдых (сыпучих) материалов, таких как древесная щепа, зерно, уголь насыпанные в резервуары. Или это вообще может быть корм для животных в силосе для хранения.
Стандартной конструкцией для этого является небольшое лопастное колесо, вставленное в резервуар на определённой высоте, которое медленно вращается при помощи небольшого электродвигателя.
Когда твёрдый материал заполняет резервуар до этой высоты, вращение лопаточного колеса останавливается. Отклик крутящего момента маленького двигателя приводит к срабатыванию механизма переключения.
В другой конструкции используется металлический стержень в форме «камертона», который на нужной высоте прикрепляется к наружной стенке резервуара. Вилка вибрирует на своей резонансной частоте за счёт электронной схемы, содержащей магнит или катушку индуктивности.
Когда заполнение бункера достигает высоты, на которой находится камертон, твёрдый материал гасит вибрацию вилки, и данное изменение амплитуды и/или частоты вибрации обнаруживается электронной схемой.
Датчик расхода жидкости
Рис. 11. Датчик расхода жидкости
Реле расхода жидкости, вставленное в трубу, срабатывает, если расход жидкости (или газа) превышает определённый порог. Обычно это достигается с помощью небольшой лопасти, которую толкает поток.
Другие виды датчиков расхода сконструированы как реле давления, измеряющие падение давления на дросселе, встроенном в трубу.
Ядерный датчик уровней
Рис. 12. Ядерный датчик уровней (в твёрдой или жидкой среде).
Другой тип реле уровней, подходящий для обнаружения жидких или твердых материалов – это ядерный датчик уровней. Состоящие из радиоактивного источника и детектора излучения, они устанавливаются поперек диаметра ёмкости для хранения твёрдого или жидкого материала.
Любая высота материала, превышающая уровень расположения источника/детектора, будет ослаблять силу излучения для детектора, находящегося на соответствующей высоте. Это уменьшение излучения на детекторе может быть использовано для запуска релейного механизма для обеспечения переключающего контакта для измерения, точки срабатывания сигнализации или даже контроля уровня в резервуаре.
Источник и детектор находятся вне сосуда. Исключаются проникновение чего-либо, кроме самого потока частиц.
Для данных целей используются довольно слабые радиоактивные источники, не представляющие непосредственной угрозы здоровью людей.
Все переключатели имеют различные реализации
Обычно существует различные способы реализации того или иного переключателя для отслеживания физического процесса или для ручного управления.
Обычно не существует единого «идеального» переключателя для того или иного приложения. Хотя некоторые переключатели, очевидно, обладают определёнными преимуществами перед другими. Для обеспечения эффективной и надёжной работы переключатели должны быть разумно адаптированы к конкретной задаче.
Итог
Переключатель – это электрическое устройство, как правило, электромеханическое, используемое для контроля непрерывности пути между двумя точками.
Ручные переключатели приводятся в действие человеком.
Концевые переключатели приводятся в действие автоматикой.
Переключатели промышленных процессов срабатывают, когда какой-либо процесс приводит к физическим изменениям (температуры, уровня, расхода и т.д.).
