Эта статья посвящена переключателям, тумблерам и кнопкам в электрических схемах. Вы узнаете, как правильно подключить кнопку на схеме, а также о том, какие переключатели и тумблеры стоит выбрать для различных целей.

Самый простой метод управления электричеством – это включение и отключение электрических цепей их замыканием-размыканием. Вот почему все радиоэлементы которые это делают, так важны в электронных схемах. Широкая категория переключателей включает в себя все электромеханические компоненты для подключения и отключения электрических цепей, в частности тумблеры, переключатели, кнопки и клавиатуры. У каждого производителя электронных компонентов можно найти множество моделей этого типа. Но какой именно выбрать для конкретных целей?

Давайте рассмотрим на типах механических переключателей управляемых вручную, а также на их параметрах и применении в электронных схемах.

Что такое переключатель

Переключатели – элементы, которые контролируют поток электрического тока в цепи, они играют ключевую роль там, где требуется взаимодействие с пользователем. Эти элементы могут находиться только в одном из двух состояний: открытом или закрытом. В разомкнутом (выключенном) состоянии переключатель представляет собой просто разомкнутую цепь. В результате цепь разорвана, препятствуя протеканию тока. Когда он замкнут (включен), переключатель действует как нормальный проводник (имеет сопротивление, индуктивность), по которому может течь электрический ток и который замыкает цепь.

Есть много типов переключателей: тумблеры, кнопки, клавиши, клавиатуры, мембраны. Каждый тип переключателя имеет набор уникальных функций, которые отличают его от других. К характерным особенностям относятся их механические параметры (способ переключения, количество управляемых цепей) и электрические (сопротивление, максимально допустимый ток, индуктивность, паразитная емкость и другие).

Метод переключения

Чтобы перейти из одного состояния переключателя в другое, необходимо выполнить какое-то физическое действие, которое заставит физическое состояние компонента измениться. Способ активации переключателя – одна из его самых отличительных особенностей. Простейшее разделение может быть выполнено на границе переключателей, активируемых человеком, и переключателей, которые используют другие силы или явления для изменения своего положения. Активация переключателя может осуществляться путем скольжения, нажатия, вытягивания, вращения или любого другого действия, чаще всего с помощью руки / пальцев. Но на рынке также есть кнопки, активируемые ногой, или специальные элементы, активируемые, например, локтем – даже для нажатия языком, предназначенный для людей с ограниченными возможностями.

Переключающие элементы, использующие физические явления отличающиеся от движения человека, могут активироваться, допустим, температурой (термостаты), давлением (реле давления), магнитным полем (герконы) и так далее. Они чаще всего используются в качестве элементов безопасности или управления в системах регулирования. Хотя механические характеристики этих типов компонентов полностью отличаются от переключателей, активируемых человеком, они описываются теми же электрическими параметрами, что и другие переключатели.

Стабильная и нестабильная кнопка

Все переключатели попадают в одну из двух категорий: мгновенные (моностабильные) или фиксированные (бистабильные). Кнопка мгновенного действия (моностабильная) – это переключатель, который не имеет стабильного положения замыкания (хотя есть также переключатели, которые замкнуты по умолчанию). Это означает, что цепь замыкается только на мгновение, пока оператор каким-то образом воздействует на переключатель, затем тот переключатель возвращается в состояние по умолчанию. Большинство переключателей называемых кнопками, относятся к категории переключателей мгновенного действия.

Есть переключатели защелкивающиеся (стабильные) кнопки, но они, по сути, представляют собой узкую группу этих элементов, поэтому, когда мы обычно говорим о кнопках, то имеем в виду именно кнопку мгновенного действия.

С другой стороны, тумблеры ведут себя так же, как выключатели света на стене – они остаются в одном состоянии, пока не переключатся в другое, в котором они затем остаются, пока действие не будет выполнено снова.

Полюса и позиции переключателей

Коммутатор должен иметь как минимум два контакта – один работает как обычный вход, другой как обычный выход, но это относится только к простейшей версии переключателя. Чаще всего у переключателя больше двух контактов. Есть вообще много различных конфигураций переключателей, которые описываются количеством цепей и положением.

1. Количество полюсов в переключателе определяет количество отдельных цепей которыми он может управлять. Однополюсный переключатель может управлять только одной цепью, а четырехполюсный может управлять четырьмя разными цепями одновременно.
2. Количество положений переключателя определяет, к скольким контактам может быть подключен каждый полюс переключателя. Например, если переключатель имеет два положения, каждая цепь (полюс) в переключателе может быть подключена к одному из двух контактов.

Зная сколько полюсов и положений у переключателя, можно более точно классифицировать его и представить его принципиальную схему (и наоборот). Обычно переключатели относятся к одной из категорий:

• однополюсные одноконтурные – SPST,
• однополюсные двухконтурные – SPDT,
• двухполюсные двухконтурные – DPDT.

Конечно есть переключатели и с большим количеством полюсов и коммутируемых цепей.

Переключатели SPST

Однополюсный, одноконтурный SPST переключатель имеет один вход и один выход, по умолчанию он может быть замкнут или разомкнут. Он используется в качестве переключателей или кнопок мгновенного действия на клавиатуре. Кулисный переключатель SPST и его принципиальная схема показаны на рисунке далее.

Переключатели SPDT

Другой распространенный тип переключателя – SPDT, который представляет собой элемент с одним полюсом, но с двумя цепями. Он имеет три контакта: один общий и два, между которыми переключается сигнал с общего контакта. SPDT идеально подходит для выбора, например, между двумя источниками питания или двумя источниками сигналов. Он позволяет легко подключить одну из двух цепей к общему элементу.

Самые простые SPDT выполнены в виде ползунковых переключателей. На рисунке показан пример ползункового переключателя со схематической диаграммой этого элемента.

Переключатели DPDT

Двухполюсный переключатель с двумя цепями – DPDT, похож на два переключателя SPDT, которые могут управлять двумя отдельными цепями, но механически связаны друг с другом и переключаются вместе. Переключатель DPDT имеет шесть контактов. На рисунке показан кулисный переключатель с такой конструкцией и его принципиальная схема.

Переключатели DPDT идеально подходят для переключения, например, симметричных сигналов или любых других, где необходимо коммутировать сразу две линии. Кроме того, такие выключатели часто используются для отключения электропитания от устройств 220 В – отключаются обе линии одновременно (фазный и нейтральный провод), поскольку обычно неизвестно на какой линии находится фаза.

Многополюсные переключатели

Переключатели с большим количеством полюсов не очень распространены, но доступны во многих удивительных конфигурациях. Они описываются аналогично однополюсным или двухполюсным выключателям / переключателям цепи, с заменой первой буквы (S или D) числовым обозначением. Так можно представить, например, переключатель 4PDT, который может управлять четырьмя отдельными цепями с двумя положениями на цепь. Пример такого переключателя вместе со схемой показан на рисунке далее.

Аналогичная ситуация и с переключателями с большим количеством позиций. Если четырехконтурный переключатель можно установить, например, в одно из четырех положений, он будет обозначен как 4P4T. Как будет выглядеть переключатель SP12T? Это может быть поворотный переключатель (типа галетный), у которого 1 полюс 12 положений.

Монтаж и механические параметры

Коммутатор можно встроить в схему разными способами. Основным делением в этом отношении является разделение на элементы для панельного монтажа и на печатной плате. Это не строгая классификация, так как есть много переключателей припаянных к печатным платам, но предназначенных для применения в панелях.

Как и большинство электронных компонентов, их можно разделить на компоненты для поверхностного монтажа (SMD) или компоненты для сквозного монтажа (THT). Элементы для сквозной сборки обычно больше, THT позволяет передавать более высокие механические нагрузки. Переключатели SMD меньше чем их аналоги THT, обычно намного ниже по высоте, занимают меньше места на печатной плате и требуют небольшого усилия для переключения.

Выключатели панельного монтажа снабжены элементами, позволяющими монтировать их в корпусе. Обычно они имеют резьбовые корпуса, которые позволяют затягивать их гайкой, но производители также используют и другие решения. Выводы адаптированы для THT, SMD или кабельной сборки.

Устойчивость к условиям окружающей среды

Панельные переключатели часто подвергаются воздействию окружающей среды. Основные угрозы для этих элементов: пыль и влага. Класс IP, присвоенный переключателю, указывает на устойчивость его к этим факторам. Степень защиты и классы IP определены в стандарте IEC 60529.

Класс IP описывается двумя числами, записанными в формате IPxy, где x – первая характеристическая цифра, обозначающая защиту от доступа внутрь корпуса, а также защиту от проникновения пыли внутрь. А y – вторая характеристическая цифра, указывающая на водонепроницаемость переключателя.

Самый низкий класс защиты IP00 означает устройство без защиты от доступа внутрь, в данном случае кнопки. Класс защиты указывает например размер тел, которые могут попасть внутрь кнопки, или защиту от пыли. В случае защиты от проникновения воды уровни защиты меняются начиная от капель воды (степень 1) до защиты от затопления мощной струей воды под давлением (100 бар при температуре 80 ° C). в соответствии с DIN 40050 (класс 9). Самый высокий класс защиты – IP69.

Так же как класс IP определяет устойчивость к пыли и влаге, класс IK определяет устойчивость элементов к механическим повреждениям, так называемую антивандальную стойкость. Стандарт IEC 62262 определяют механическое сопротивление элементов как количество энергии механического удара, которое данный элемент может выдержать без повреждений. Стандарт также определяет высоту, с которой элемент может упасть без повреждений и других механических испытаний. Деление идёт на классы от IK00 – элемент совершенно не устойчивый к механическим повреждениям, до IK10, где элемент может выдерживать удар с энергией до 20 Дж (стальной шарик весом 5 кг и радиусом 50 мм, падающий с высоты 40 см).

Электрические параметры переключателей

Основные электрические параметры переключателей это номинальное напряжение и ток, сопротивление контактов и максимально допустимое количество перемещений переключателя (операций переключения).

• Номинальное напряжение – максимальное напряжение которое может выдержать выключатель. Это определяется многими факторами, включая изоляционные материалы, расстояние открытых контактов, скорость разъединения и соображения безопасности.
• Номинальный прямой ток – максимальный постоянный ток (или переменный), который переключатель может пропускать через замкнутые контакты. Этот ток ограничивается в основном нагревом переключателя из-за потери контактного сопротивления.
• Контактное сопротивление – электрическое сопротивление через которое протекает ток в замкнутом переключателе. Поскольку контакты переключателя не являются непрерывным проводником, контактное сопротивление больше, чем у сопоставимого непрерывного проводника. Из-за этого могут возникать падения напряжения, особенно при более высоких токах.
• Количество срабатываний – расчетное максимальное количество замыканий переключателя, после которого электрические и другие параметры могут ухудшиться. Поскольку переключатель является механическим элементом, каждое его движение вызывает определенную степень износа механизмов внутри этого элемента, что приводит к ухудшению параметров переключателя.

Клавиатуры

Клавиатура – это матрица кнопок, которая чаще всего используется для ввода данных в устройство. Типичным примером является буквенно-цифровая клавиатура компьютера, которая вместе с мышью используется для управления ПК. Есть много типов клавиатур и множество технологий, по которым производят для них кнопки. Одним из наиболее распространенных типов клавиатур является мембранная клавиатура.

Она состоит из склеенных между собой тонких диэлектрических и проводящих слоев. Нажатие на поле заставляет два слоя укорачиваться соединяясь вместе, тем самым замыкая цепь кнопки. Эти типы клавиатур, помимо компактности, отличаются невысокой ценой. Но это связано с пониженным комфортом пользователя – малый ход и как правило отсутствие тактильной связи ухудшают комфорт использования. С другой стороны, механические клавиатуры, обеспечивающие заметный ход, обеспечивают гораздо больший комфорт, но они дороже и сложнее в изготовлении.

Клавиатуры можно найти на многих устройствах, особенно там где требуется ввод данных. Наиболее распространены цифровые клавиатуры, которые можно найти в электронных замках, домофонах или банкоматах. В последних часто устанавливают клавиатуры с повышенной устойчивостью к повреждениям, так называемая антивандальная защита.

Выключатели безопасности

Системы безопасности – очень важное применение переключателей или кнопок. Тут есть два основных применения – аварийные выключатели и выключатели безопасности. Они различаются способом работы и, следовательно, требованиями к механическим и электрическим параметрам. Кроме того они подчиняются ряду стандартов надежности, например, IEC 61508 или IEC 61511.

Аварийный выключатель – это предохранительный механизм, используемый для выключения устройства в аварийной ситуации, например в случае угрозы жизни или здоровью, когда его нельзя выключить обычным способом. В отличие от простого переключателя, который выключает все схемы в правильном порядке и безопасно для техники, переключатель аварийной остановки спроектирован и настроен таким образом, чтобы остановить работу как можно скорее (даже если он повредит прибор).

Кроме того, такой элемент должен эксплуатироваться просто и быстро, чтобы даже в стрессовой ситуации оператор с нарушенными исполнительными функциями или посторонний человек мог активировать его без проблем. Защитные выключатели обычно проектируются так, чтобы их легко заметил даже неподготовленный оператор или посторонний.

Большинство выключателей аварийной остановки имеют съемный защитный барьер для предотвращения случайного срабатывания (например крышка, которую необходимо поднять, или стеклянная пластина которую необходимо разбить перед выключением оборудования).

Выключатели безопасности используются для контроля положения устройств безопасности (например, дверей и створок машины). Когда дверь, защищенная таким образом, открывается, предохранительный выключатель передает сигнал на блок управления, связанный с безопасностью, который немедленно останавливает опасные функции машины. Такие переключатели используются в различных сферах, где существует опасность для человека – в станках с числовым программным управлением, заводских роботах и так далее.

Итого, переключатели и кнопки отвечают за самую основную деятельность в схеме – управление потоком электричества, они являются ключевыми элементами многих электронных устройств. Выбор подходящих моделей является ключевым аспектом обеспечения их эргономичности и эксплуатационной надежности, а также соответствующего класса безопасности для пользователей.

   Форум по справочной информации

Какие схемы включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть получили наибольшее применение?

В однофазных электрических сетях трехфазный асинхронный двигатель может быть включен с использованием трех различных схем: Дельта-схема, Зета-схема, и конечный катушечный стабилизатор.

• Дельта-схема использует только три фазы и не использует нулевую проводник, поэтому она проста в установке и недорога в эксплуатации.

• Зета-схема использует три фазы, а также нулевой проводник, что позволяет уменьшить время наработки двигателя. Однако, такая схема несколько более сложная в установке и дороже в эксплуатации, чем дельта-схема.

• Конечный катушечный стабилизатор использует три фазы, а также нулевой проводник, и обеспечивает высокую эффективность и стабильную работу двигателя

Одним из самых распространенных вариантов является включение трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть с помощью компенсатора. Это позволяет обеспечить стабильную работу двигателя, предотвратить его перегрев и протечку тока. Однако, необходимо учитывать, что для работы компенсатора необходим дополнительный источник питания. Также существуют и другие схемы, такие как включение через трансформатор или специальный преобразователь частоты, однако их применение зависит от конкретных условий и требований к системе.

Видео. Как читать принципиальные схемы? Выпуск 1. В теории и примерах.