Rodzaje przełączników

Przełącznik to urządzenie, które jest przeznaczone do przerwania przepływu prądu w obwodzie, innymi słowy, może zrobić lub przerwać obwód elektryczny. Każda aplikacja elektryczna i elektroniczna wykorzystuje co najmniej jeden przełącznik do wykonywania operacji włączania i wyłączania urządzenia.

Przełączniki są więc częścią systemu sterowania i bez nich nie można osiągnąć operacji sterowania. Przełącznik może pełnić dwie funkcje, a mianowicie w pełni ON (przez zamknięcie styków) lub w pełni OFF (przez rozwarcie styków).

Gdy styki przełącznika są zamknięte, przełącznik tworzy zamkniętą ścieżkę dla przepływu prądu, a tym samym obciążenie pobiera moc ze źródła. Gdy styki przełącznika są otwarte, obciążenie nie pobiera prądu, jak pokazano na poniższym rysunku.

Istnieją liczne zastosowania przełączników w różnych dziedzinach, takich jak dom, motoryzacja, przemysł, wojsko, lotnictwo i tak dalej. W niektórych zastosowaniach stosuje się przełączanie wielokierunkowe (np. okablowanie budynków), w takich przypadkach dwa lub więcej przełączników jest połączonych ze sobą w celu sterowania obciążeniem elektrycznym z więcej niż jednego miejsca.

Przełączniki mogą być typu mechanicznego lub elektronicznego,

Przełączniki mechaniczne muszą być aktywowane fizycznie, poprzez przesuwanie, naciskanie, zwalnianie lub dotykanie ich styków.

Przełączniki elektroniczne nie wymagają żadnego kontaktu fizycznego w celu sterowania obwodem. Są one aktywowane przez działanie półprzewodników.

Przełączniki mechaniczne

Przełączniki mechaniczne można podzielić na różne typy w oparciu o kilka czynników, takich jak metoda uruchamiania (ręczna, wyłączniki krańcowe i procesowe), liczba zestyków (wyłączniki jedno- i wielostykowe), liczba biegunów i rzutów (SPST, DPDT, SPDT, itd.), sposób działania i konstrukcja (przycisk, przełącznik, pokrętło, joystick, itp.), sposób działania w zależności od stanu (przełączniki chwilowe i blokowane), itp.

Na podstawie liczby biegunów i rzutów przełączniki dzieli się na następujące typy. Biegun reprezentuje liczbę pojedynczych obwodów elektrycznych, które mogą być przełączane. Większość wyłączników jest zaprojektowana z jednym, dwoma lub trzema biegunami i są one oznaczane jako jednobiegunowe, dwubiegunowe i trójbiegunowe.

Liczba rzutów reprezentuje liczbę stanów, do których prąd może przejść przez wyłącznik. Większość przełączników jest zaprojektowana tak, aby mieć jeden lub dwa rzuty, które są oznaczane jako przełączniki jednobiegunowe i dwubiegunowe.

Przełącznik jednobiegunowy (SPST)

• Jest to podstawowy przełącznik ON i OFF składający się z jednego styku wejściowego i jednego styku wyjściowego.
• Przełącza pojedynczy obwód i może albo zrobić (ON) lub przerwać (OFF) obciążenie.
• Styki SPST mogą być w konfiguracji normalnie otwartej lub normalnie zamkniętej.

Single Pole Double Throw Switch (SPDT)

• Ten przełącznik ma trzy zaciski, jeden jest stykiem wejściowym, a pozostałe dwa są stykami wyjściowymi.
• To oznacza, że posiada dwie pozycje ON i jedną pozycję OFF.
• W większości obwodów, przełączniki te są używane jako przełączniki do łączenia wejścia pomiędzy dwoma wyjściami.
• Styk, który jest domyślnie podłączony do wejścia jest określany jako normalnie zamknięty, a styk, który będzie podłączony podczas operacji ON jest stykiem normalnie otwartym.

Przełącznik dwubiegunowy jednoprzerwowy (DPST)

• Przełącznik ten składa się z czterech zacisków, dwóch styków wejściowych i dwóch styków wyjściowych.
• Zachowuje się jak dwie oddzielne konfiguracje SPST, działające w tym samym czasie.
• Ma tylko jedną pozycję ON, ale może aktywować dwa styki jednocześnie, tak że każdy styk wejściowy będzie połączony z odpowiadającym mu stykiem wyjściowym.
• W pozycji OFF oba przełączniki są w stanie otwartym.
• Ten typ przełączników jest używany do sterowania dwoma różnymi obwodami w tym samym czasie.
• Ponadto, styki tego przełącznika mogą mieć konfigurację normalnie otwartą lub normalnie zamkniętą.

Przełącznik dwubiegunowy dwutaryfowy (DPDT)

• Jest to podwójny przełącznik ON/OFF składający się z dwóch pozycji ON.
• Posiada sześć zacisków, dwa są stykami wejściowymi, a pozostałe cztery są stykami wyjściowymi.
• Zachowuje się jak dwie oddzielne konfiguracje SPDT, działające w tym samym czasie.
• Dwa styki wejściowe są połączone z jednym zestawem styków wyjściowych w jednej pozycji, a w innej pozycji, styki wejściowe są połączone z drugim zestawem styków wyjściowych.

Push Button Switch

• Jest to chwilowy przełącznik stykowy, który wykonuje lub przerywa połączenie tak długo, jak wywierany jest nacisk (lub gdy przycisk jest wciśnięty).
• Generalnie, ten nacisk jest dostarczany przez przycisk wciśnięty przez czyjś palec.
• Przycisk ten powraca do swojej normalnej pozycji, po usunięciu nacisku.
• Wewnętrzny mechanizm sprężynowy obsługuje te dwa stany (wciśnięty i zwolniony) przycisku.
• Składa się on ze styków nieruchomych i ruchomych, z których styki nieruchome są połączone szeregowo z obwodem, który ma być przełączony, podczas gdy styki ruchome są połączone z przyciskiem.
• Przyciski są głównie klasyfikowane jako normalnie otwarte, normalnie zamknięte i podwójnie działające przyciski, jak pokazano na powyższym rysunku.
• Podwójnie działające przyciski są generalnie używane do kontrolowania dwóch obwodów elektrycznych.

Przełącznik przełączający

• Przełącznik przełączający jest uruchamiany ręcznie (lub popychany w górę lub w dół) za pomocą mechanicznego uchwytu, dźwigni lub mechanizmu kołyskowego. Są one powszechnie stosowane jako przełączniki sterowania oświetleniem.
• Większość tych przełączników jest wyposażona w dwie lub więcej pozycji dźwigni, które są w wersjach przełączników SPDT, SPST, DPST i DPDT. Są one wykorzystywane do przełączania dużych prądów (tak wysokie, jak 10 A) i mogą być również wykorzystywane do przełączania małych currents.
• Te są dostępne w różnych ocen, rozmiarów i stylów i są wykorzystywane do różnych typów aplikacji. Stanem ON może być dowolna z ich pozycji poziomych, jednak umownie w dół jest pozycja zamknięta lub ON.

Wyłącznik krańcowy

• Schematy sterowania wyłącznika krańcowego pokazano na powyższym rysunku, na którym przedstawiono cztery odmiany wyłączników krańcowych.
• Niektóre wyłączniki są obsługiwane przez obecność obiektu, brak obiektu lub przez ruch maszyny, a nie przez pracę ludzkiej ręki. Wyłączniki te nazywane są wyłącznikami krańcowymi.
• Wyłączniki te składają się z ramienia typu zderzakowego uruchamianego przez obiekt. Kiedy to ramię zderzaka jest uruchamiane, powoduje to zmianę położenia styków przełącznika.

Wyłączniki pływakowe

• Wyłączniki pływakowe są głównie używane do sterowania pompami silnikowymi prądu stałego i zmiennego w zależności od cieczy lub wody w zbiorniku lub studzience.
• Przełącznik ten jest obsługiwany, gdy pływak (lub obiekt pływający) porusza się w dół lub w górę w oparciu o poziom wody w zbiorniku.
• Ten ruch pływaka w zespole pręta lub łańcucha i przeciwwagi powoduje otwarcie lub zamknięcie styków elektrycznych. Inną formą wyłącznika pływakowego jest wyłącznik typu żarówka rtęciowa, który nie składa się z żadnego pręta pływakowego lub układu łańcuchowego.
• Ta żarówka składa się ze styków rtęciowych takich, że gdy poziom cieczy wzrasta lub spada, stan styków również się zmienia.
• Symbol wyłącznika pływakowego kulowego jest pokazany na powyższym rysunku. Te wyłączniki pływakowe mogą być typu normalnie otwartego lub normalnie zamkniętego.

Wyłączniki przepływu

• Są one głównie używane do wykrywania ruchu cieczy lub przepływu powietrza przez rurę lub kanał. Przełącznik przepływu powietrza (lub mikroprzełącznik) jest skonstruowany przez działanie zatrzaskowe.
• Ten mikroprzełącznik jest przymocowany do metalowego ramienia .Do tego metalowego ramienia podłączony jest cienki plastikowy lub metalowy element.
• Gdy duża ilość powietrza przechodzi przez metalowy lub plastikowy element, powoduje to ruch metalowego ramienia i w ten sposób działa styki przełącznika.
• Przełączniki przepływu cieczy są zaprojektowane z łopatką, która jest umieszczona w poprzek przepływu cieczy w rurze. Gdy ciecz przepływa przez rurę, siła wywierana na łopatkę zmienia położenie styków.
• Powyższy rysunek przedstawia symbol wyłącznika stosowany zarówno dla przepływu powietrza jak i cieczy. Symbol flagi na przełączniku wskazuje łopatkę, która wyczuwa przepływ lub ruch cieczy.
• Przełączniki te ponownie mają konfiguracje typu normalnie otwartego lub normalnie zamkniętego.

Przełączniki ciśnienia

• Przełączniki te są powszechnie stosowane w aplikacjach przemysłowych w celu wyczucia ciśnienia w systemach hydraulicznych i urządzeniach pneumatycznych.
• W zależności od zakresu ciśnienia, które ma być mierzone, te wyłączniki ciśnieniowe są klasyfikowane jako wyłącznik ciśnieniowy z membraną, wyłącznik ciśnieniowy typu metalowego miecha i wyłącznik ciśnieniowy typu tłokowego.
• W tych wszystkich typach, element wykrywający ciśnienie obsługuje zestaw styków (które mogą być zarówno stykami dwubiegunowymi, jak i jednobiegunowymi).
• Symbol tego wyłącznika składa się z półkola połączonego z linią, w której płaska część oznacza membranę. Przełączniki te mogą być konfiguracjami typu normalnie otwartego lub normalnie zamkniętego.

Przełączniki temperatury

• Najczęściej spotykanym elementem wykrywającym ciepło jest pasek bimetaliczny, który działa na zasadzie rozszerzalności cieplnej. Paski bimetaliczne są wykonane z dwóch różnych metali (o różnej rozszerzalności cieplnej) i są ze sobą połączone.
• Styki przełącznika są uruchamiane, gdy temperatura powoduje zginanie lub zawijanie się paska. Inną metodą działania przełącznika temperatury jest użycie szklanej rurki rtęciowej.
• Gdy żarówka jest podgrzewana, rtęć w rurce rozszerza się, a następnie wytwarza ciśnienie do obsługi styków.

Przełącznik Joystick

• Przełączniki Joystick są ręcznie uruchamianymi urządzeniami sterującymi używanymi głównie w przenośnych urządzeniach sterujących.
• Składają się z dźwigni, która porusza się swobodnie w więcej niż jednej osi ruchu.
• W zależności od ruchu pchanej dźwigni, uruchamiany jest jeden lub więcej styków przełącznika.
• Nadają się one idealnie do opuszczania, podnoszenia i wyzwalania ruchów w lewo i w prawo.
• Zastosowane są w maszynach budowlanych, przy sterowaniu linami i dźwigami. Symbol joysticka jest przedstawiony poniżej.

Przełączniki obrotowe

• Służą do łączenia jednej linii z jedną z wielu linii.
• Przykładami takich przełączników są przełączniki zakresów w elektrycznych urządzeniach pomiarowych, przełączniki kanałów w urządzeniach komunikacyjnych i przełączniki pasm w wielopasmowych radiach.
• Składają się z jednego lub więcej styków ruchomych (pokrętło) i więcej niż jednego styku nieruchomego.
• Przełączniki te są dostarczane z różnymi układami styków, takimi jak jednobiegunowy 12-kierunkowy, 3-biegunowy 4-kierunkowy, 2-biegunowy 6-kierunkowy i 4-biegunowy 3-kierunkowy.

Przełączniki elektroniczne

Przełączniki elektroniczne są ogólnie nazywane przełącznikami półprzewodnikowymi, ponieważ nie ma fizycznych części ruchomych i stąd brak fizycznych styków. Większość urządzeń jest kontrolowana przez przełączniki półprzewodnikowe, takie jak napędy silnikowe i urządzenia HVAC.

Istnieją różne rodzaje przełączników półprzewodnikowych dostępnych na dzisiejszym rynku o różnych rozmiarach i ocenach. Niektóre z tych przełączników półprzewodnikowych obejmują tranzystory, SCR, MOSFETy, TRIAC i IGBT.

Tranzystory bipolarne

Tranzystor albo pozwala na przejście prądu, albo blokuje prąd, podobnie jak normalny przełącznik.

W obwodach przełączających, tranzystor pracuje w trybie odcięcia dla stanu wyłączenia lub blokowania prądu i w trybie nasycenia dla stanu włączenia. Aktywny obszar tranzystora nie jest wykorzystywany w aplikacjach przełączających.

Oba tranzystory NPN i PNP działają lub są włączane, gdy dostarczany jest do nich wystarczający prąd bazy. Gdy mały prąd płynie przez bazę dostarczany przez obwód sterujący (połączony między bazą a emiterem), powoduje to włączenie ścieżki kolektor-emiter.

A wyłącza się, gdy prąd bazy jest usuwany i napięcie bazy jest zmniejszane do nieznacznie ujemnej wartości. Pomimo, że wykorzystuje mały prąd bazy, jest w stanie przenosić znacznie większe prądy przez ścieżkę kolektor-emiter.

Dioda mocy

Dioda może wykonywać operacje przełączania pomiędzy stanami wysokiej i niskiej impedancji. Materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem i german są używane do konstruowania diod.

Zwykle diody mocy są konstruowane przy użyciu krzemu w celu pracy urządzenia przy wyższych prądach i wyższych temperaturach złącza. Są one skonstruowane przez połączenie materiałów półprzewodnikowych typu p i n razem, tworząc złącze PN. Posiada on dwa zaciski, mianowicie anodę i katodę.

Gdy anoda jest dodatnia w stosunku do katody i przez przyłożenie napięcia większego niż poziom progowy, złącze PN jest spolaryzowane do przodu i zaczyna przewodzić (jak przełącznik ON). Kiedy katoda jest dodatnia w stosunku do anody, złącze PN jest odwrotnie spolaryzowane i blokuje przepływ prądu (jak wyłącznik OFF).

MOSFET

Półprzewodnikowy tranzystor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) jest unipolarnym urządzeniem przełączającym o wysokiej częstotliwości. Jest to najczęściej używane urządzenie przełączające w aplikacjach energoelektronicznych. Posiada trzy końcówki, mianowicie dren (wyjście), źródło (wspólne) i bramkę (wejście).

Jest to urządzenie sterowane napięciem, tzn. poprzez kontrolowanie napięcia wejściowego (od bramki do źródła) kontrolowana jest rezystancja pomiędzy drenem i źródłem, co dalej określa stan włączenia i wyłączenia urządzenia.

MOSFET-y mogą być urządzeniami P-kanałowymi lub N-kanałowymi. N-kanałowy MOSFET jest włączany przez przyłożenie dodatniego VGS w stosunku do źródła (pod warunkiem, że VGS powinno być większe niż napięcie progowe).

P-kanałowy MOSFET działa w podobny sposób jak N-kanałowy MOSFET, ale wykorzystuje odwrotną polaryzację napięć. Zarówno VGS jak i VDD są ujemne w stosunku do źródła, aby włączyć P-kanał MOSFET.

IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) łączy w sobie kilka zalet tranzystora mocy o złączu bipolarnym i MOSFETu mocy. Podobnie jak MOSFET, jest to urządzenie sterowane napięciem i ma niższy spadek napięcia w stanie włączenia (mniejszy niż MOSFET i bliższy tranzystorowi mocy).

Jest to trójzaciskowe półprzewodnikowe urządzenie przełączające o wysokiej prędkości. Te zaciski to emiter, kolektor i bramka.

Podobnie jak MOSFET, IGBT może być włączony przez przyłożenie dodatniego napięcia (większego niż napięcie progowe) pomiędzy bramkę i emiter. IGBT można włączyć poprzez zmniejszenie napięcia między bramką a emiterem do zera. W większości przypadków potrzebne jest napięcie ujemne, aby zredukować straty przy wyłączaniu i bezpiecznie wyłączyć IGBT.

SCR

Krzemowy prostownik sterowany (SCR) jest najczęściej używanym szybkim urządzeniem przełączającym w aplikacjach sterowania mocą. Jest to urządzenie jednokierunkowe, tak jak dioda, składające się z trzech końcówek, mianowicie anody, katody i bramki.

SCR jest włączany i wyłączany poprzez kontrolowanie wejścia bramki i warunków biasowania końcówek anody i katody. SCR składa się z czterech warstw naprzemiennie P i N w taki sposób, że granice każdej z warstw tworzą złącza J1, J2 i J3.

Przełącznik TRIAC

Triac (lub TRIode AC) jest dwukierunkowym urządzeniem przełączającym, które jest obwodem równoważnym dla dwóch SCR połączonych ze sobą za pomocą jednej bramki.

Jego zdolność do kontrolowania mocy AC w obu dodatnich i ujemnych szczytach fali napięcia często sprawia, że urządzenia te są stosowane w regulatorach prędkości silnika, ściemniaczach światła, systemach kontroli ciśnienia, napędach silnikowych i innych urządzeniach kontrolnych AC.

DIAC

DiAC (lub przełącznik DIode AC) jest dwukierunkowym urządzeniem przełączającym i składa się z dwóch zacisków, które nie są nazywane anodą i katodą. Oznacza to, że DIAC może być obsługiwany w obu kierunkach, niezależnie od identyfikacji zacisków. Oznacza to, że DIAC może być używany w obu kierunkach.

Gdy napięcie jest przyłożone przez DIAC, działa on w trybie blokowania do przodu lub blokowania do tyłu, chyba że przyłożone napięcie jest mniejsze niż napięcie przebicia. Gdy napięcie jest zwiększone powyżej napięcia przebicia, następuje przebicie lawinowe i urządzenie zaczyna przewodzić.

Tyrystor wyłączający bramkę

Tyrystor GTO (Gate Turn-Off Thyristor) jest bipolarnym półprzewodnikowym urządzeniem przełączającym. Posiada on trzy zaciski jako anodę, katodę i bramkę. Jak sama nazwa wskazuje, to urządzenie przełączające jest w stanie wyłączyć się poprzez zacisk bramki.

Tyrystor GTO jest włączany przez zastosowanie małego dodatniego prądu bramki wyzwala tryb przewodzenia i wyłączany przez ujemny impuls do bramki. Symbol GTO składa się z podwójnych strzałek na zacisku bramki, które reprezentują dwukierunkowy przepływ prądu przez zacisk bramki.

iv