Ключ (переключатель, выключатель)

Лекция 1.1

ключи

Ключ (переключатель, выключатель) – электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.

Выключателем может называться коммутационный аппарат, не имеющий собственного названия, имеющий как минимум два фиксированных положения своих контактов (включено/отключено) и способный изменить одно положение на другое под действием внешних сил на сколь угодно малое или большое значение времени.

Классификация ключей

1. По варианту исполнения (основная классификация):

1) механические;

2) электромеханические;

3) электронные.

2. По числу фиксированных положений контактов:

1) двухпозиционные (включен/отключен):

- с нормально-замкнутыми контактами (в не рабочем состоянии имеет замкнутые контакты, в рабочем – разомкнутые);

- с нормально-разомкнутыми контактами (в пассивном состоянии имеет разомкнутые контакты, а в активном – замкнутые; замыкание электрической цепи произойдёт только после нажатия на кнопку (перевод в рабочее состояние)).

2) многопозиционные (имеющие более двух фиксированных положений своих контактов).

3. По рабочему напряжению:

1) низковольтные (до 1000 вольт);

2) высоковольтные (выше 1000 вольт).

4. По способу управления приводом:

1) местного управления (как правило, выключатели, имеющие ручной привод);

2) дистанционного управления (выключатели, имеющие, помимо ручного, ещё и механический привод. Стоит отметить, что не все виды выключателей можно включить или отключить вручную).

5. По типу привода:

1) выключатели с ручным приводом;

2) выключатели с пневматическим приводом;

3) выключатели с электромагнитным приводом;

4) выключатели с электромеханическим приводом;

5) выключатели с механическим приводом;

6) выключатели с магнитным приводом (геркон);

7) автоматические выключатели (которые, помимо ручного привода, имеют один или несколько приводов, приводимых в действие расцепителями автоматической защиты).

6. По способу установки:

1) открытого исполнения (выключатели, допускающие установку на открытом воздухе без защиты от атмосферных осадков);

2) закрытого исполнения (выключатели, которые не допускается устанавливать на открытом воздухе).

7. По степени влаго-/пыле-/взрывозащищённости (IP = Ingress Protection – степень защиты).

8. По климатическому исполнению.

9. По наличию/отсутствию дугогасящих устройств:

1) без специальных устройств дугогашения (как правило, слаботочные выключатели и переключатели или выключатели, в которых наличие дугогасящих устройств конструктивно не предусмотрено, например рубильники, разъединители);

2) со специальными устройствами дугогашения (выключатели, в задачу которых входит отключение цепей под большой токовой нагрузкой, в том числе и при возникновении короткого замыкания, вследствие отключения которых велик риск образования электрической дуги).

10. По способу гашения дуги/виду дугогасящих устройств:

1) воздушные выключатели:

- с дугогасительными камерами магнитного дутья;

- с дугогасительными камерами газового дутья;

2) масляные выключатели:

- с дугогасительными камерами магнитного дутья;

- с дугогасительными камерами масляного дутья;

3) маломасляные выключатели;

4) вакуумные выключатели.

11. По характеру дугогасящей среды:

1) воздух;

2) элегаз (фторид серы (VI), гексафторид серы, шестифтористая сера, SF6) – неорганическое вещество, при нормальных условиях тяжёлый газ, в 5 раз тяжелее воздуха);

3) вакуум;

4) трансформаторное масло.

12. По материалу и исполнению коммутирующих контактов:

1) цельнометаллические контакты:

- медные;

- латунные;

- серебряные;

2) цельнометаллические контакты с напылением драгоценных металлов:

- с серебряным напылением;

- с золотым напылением;

3) металло-керамические контакты:

- контакты, выполненные из сплава технического серебра с гранулированным керамическим наполнителем методом порошковой металлургии;

4) жидкие контакты:

- ртутный контакт (например, в выключателях, реагирующих на изменение положения в пространстве, жидким контактом является капля ртути, которая, попадая между электродами, замыкает электрическую цепь (газовое реле);

- контакт, роль которого выполняет любая токопроводящая жидкость (например, в датчиках уровня вода или другая токопроводящая жидкость, попадая между электродами, замыкает электрическую цепь).

Основные параметры ключей:

1) рабочий (номинальный) и максимально допустимый ток;

2) сопротивление во включенном состоянии (в идеале – 0);

3) ток в выключенном состоянии (в идеале – 0, сопротивление ключа в выключенном состоянии в идеале – ).

Механические ключи

Механические ключи служат для непосредственного управления цепью, так как диэлектрический рычаг механического ключа обычно напрямую связан с токоведущими частями ключа. Они применяются обычно в случае, когда не требуется отделять управляемую цепь.

Примеры механических ключей:

1) выключатели освещения;

2) пакетные выключатели;

3) тумблеры;

4) переключатели различных конструкций: галетные, клавишные, движковые и др.

Выключатель освещения

Переключатель режимов напольного вентилятора

Бытовой выключатель

Бытовой выключатель – это двухпозиционный коммутационный аппарат с нормально-разомкнутыми контактами, предназначенный для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт, не предназначенный для отключения токов короткого замыкания, без специальных устройств дугогашения, местного управления, с ручным приводом.

Остальные характеристики этого выключателя, такие как рабочий ток, степень влаго-/пыле-/взрывозащищённости (IP), климатическое исполнение, способ установки, материал контактов – определяются производителем и зависят от конкретной модели.

Для бытового выключателя актуально конструктивное исполнение – для внутренней установки (встраиваемый в стену, для скрытой проводки) или для внешней установки (устанавливаемый на стену, для открытой проводки).

В основном бытовые выключатели применяются для включения и выключения освещения (люстр, плафонов).

Для этой же цели в продаже появились выключатели с плавным управлением освещённости: светорегуляторы, диммеры, триммеры.

Электромеханические ключи

В электромеханических ключах нет непосредственной электрической связи между управляющей и управляемой цепями, т.е. имеет место гальваническая развязка этих цепей.

Электромеханические ключи служат для дистанционного управления, управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

Примеры электромеханических ключей:

1) реле;

2) шаговые искатели;

3) контакторы;

4) магнитные пускатели и др.

Виды электромеханических реле:

1) электромагнитные реле (обмотка электромагнита неподвижна относительно сердечника):

- герконовые реле;

2) магнитоэлектрические реле (обмотка электромагнита с контактами подвижна относительно сердечника);

3) термореле (биметаллическое);

4) электродинамические реле;

5) ферродинамические реле;

6) индукционные реле.

Принцип работы электромагнитного реле

Электронные ключи

Электронные ключи основаны на работе полупроводниковых приборов.

По варианту исполнения электронные ключи бывают:

• неуправляемые:

1) диод;

• управляемые:

1) электронная (вакуумная) лампа;

2) транзистор;

3) тиристор;

4) симистор и др.

Чаще всего в схемотехнике используются транзисторные ключи.

Транзисторный ключ – токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его управляющий электрод (база у БПТ или затвор у ПТ) управляющего напряжения (сигнала) определённой полярности и уровня.

В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

Принцип работы транзисторного ключа, включающего ток на нагрузку R2

В роли ключа S1 может выступать механический ключ, но обычно роль управляющего ключа играют более сложные электрические схемы на логических элементах или микроконтроллерах.

Акустический выключатель

Акустический выключатель – это электрический выключатель, управляемый звуком.

Бывает следующих типов:

1) реагирующие на шум (реагирует на шум в помещении, при его появлении включает свет; используется в подъездах и коридорах для экономии электроэнергии);

2) реагирующие на хлопок (применяется в квартирах, удобен для применения в спальнях);

3) реагирующие на слова (такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса).

Диммеры

Диммер (от англ. dim – затемнять, в русском языке – светорегулятор, во французском – вариатор) – регулятор электрической мощности нагрузки, как правило, включаемый последовательно с ней. Обычно используется для регулировки яркости свечения ламп накаливания, галогенных ламп или светодиодов.

В простейшем случае может представлять собой переменный резистор (реостат), однако на таком регуляторе выделяется чересчур большая мощность, сравнимая на малых уровнях яркости с мощностью нагрузки, что обуславливает низкий КПД и сильный нагрев устройства. Роль диммера может выполнять автотрансформатор. Автотрансформаторы по сравнению с симисторными и тиристорными диммерами имеют большие габариты и вес, требуют приложения больших механических усилий для управления и дороги, но выдают неискаженный 50/60 Гц синусоидальный (или весьма близкий к нему) выходной сигнал во всем диапазоне регулируемого напряжения без привнесения помех переключения.

Наиболее компактными и экономичными считаются электронные диммеры. Во всех современных электронных диммерах в качестве силового элемента используется полупроводниковый симисторный или транзисторный ключ. Важно помнить, что большинство электронных диммеров выдают на выходе не синусоидальный сигнал, а отсеченные электронным ключом участки синусоиды. Подключать к таким диммерам устройства, требующие питания от тока с низким коэффициентом гармоник (в том числе электродвигатели, индукционные трансформаторы для галогенных ламп, и т.д.), нельзя: это может привести к выходу из строя устройства в следствие перегрева обмотки. Также дешёвые электронные диммеры, не снабженные специальным фильтром, могут генерировать сильные электромагнитные помехи.

Самые первые диммеры имели механический способ управления и могли выполнять только одну функцию – изменяли яркость светильника. Современные микроконтроллерные многофункциональные светорегуляторы имеют расширенный набор функций:

управление яркостью
автоматическое отключение
имитация присутствия
плавное включение и отключение
различные режимы затемнения и мигания ("flash", "strobe", "fade", "smooth")
дистанционное управление (по инфракрасному каналу, радиоканалу, акустическое (хлопок, шум с уровнем выше установленного) или голосовыми командами).

Диммеры бывают сигнальными, например с выходным интерфейсом 0-10V. Такие диммеры подают команды на внешние контроллеры, ЭПРА и другие дополнительные устройства, которые в свою очередь производят регулирование светового потока, оборотов двигателя, уровня звука и др.


Диммер для управления яркостью светодиодов и 12V ламп накаливания с регулированием скважности импульсов потенциометром		Миниатюрный диммер для светодиодов и 12V ламп накаливания с кнопочным управлением.

Ключ (переключатель, выключатель)