Применение коммутационных устройств

Коммутационное устройство — прибор, предназначенный для включения или отключения тока в одной или нескольких электрических цепях. Коммутационное устройство может выполнять одну или обе операции. Виды и классификация коммутационных устройств. Механическое коммутационное устройство — коммутационное устройство, предназначенное для замыкания и размыкания одной или нескольких цепей с помощью размыкаемых контактов.

Любое механическое коммутационное устройство можно характеризовать в зависимости от среды, в которой размыкаются и замыкаются его контакты, например воздушной, SFG, масляной. полупроводниковое коммутационное устройство — коммутационное устройство, созданное для включения и/или отключения тока в электрической цепи в результате воздействия на регулируемую проводимость полупроводника. Полупроводниковый коммутационный прибор рассчитан также на отключение тока. Плавкий предохранитель — коммутационный аппарат, размыкающий цепь (посредством плавления одного или нескольких своих специально спроектированных и калиброванных элементов), в которую он включен, и отключает ток, когда он превышает заданное значение в течение достаточного времени.

Автоматический выключатель — контактный коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение установленного нормированного времени и отключать токи при указанных ненормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание. Контактор (контактный) — контактный коммутационный аппарат с единственным положением покоя, с управлением не вручную, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях цепи, включая перегрузку. Термин «с управлением не вручную» означает, что для управления прибором и его работы требуется одно или несколько внешних усилий. Контактор обычно предназначен для частой работы.

Электромагнитный контактор — контактор, в котором сила для замыкания контактов обеспечивается электромагнитом. Запираемый контактор — контактор, в котором запирающее приспособление не позволяет подвижным элементам вернуться в положение покоя, когда прекращается воздействие на механизм. Запор защелки и его расцепитель могут быть механическим, электромагнитным, пневматическим и т.д. Благодаря запору, запираемый контактор фактически приобретает второе положение покоя и в соответствии с определением контактора, в строгом смысле слова, он не является контактором. Однако поскольку по области применения и конструкции запираемый контактор ближе к контакторам вообще, чем к любым другим коммутационным аппаратам, считают необходимым его соответствие, когда уместно, требованиям к контакторам. Полупроводниковый контактор — аппарат, который выполняет функции контактора за счет использования полупроводникового коммутационного аппарата.

Полупроводниковый контактор может также включать в себя контактные коммутационные аппараты. Контрольное коммутационное устройство — автоматически управляемое коммутационное устройство, начинающее работать при определенных условиях, выраженных в количественном значении (давление, температура, скорость, уровень жидкости и т.д.). Нажимная кнопка — аппарат управления, имеющий орган управления, предназначенный для оперирования усилием, создаваемым частью человеческого тела, обычно ладонью или пальцем руки, и имеющий устройство возврата накопленной энергии (пружину). Аппарат защиты от короткого замыкания (АЗКЗ) — аппарат, предназначенный для защиты цепи или участка цепи от токов короткого замыкания посредством их отключения.

Разрядник для защиты от перенапряжений — устройство, предназначенное для защиты электрооборудования от высоких переходных перенапряжений и ограничения длительности, а часто и амплитуды последующего тока. Управляющее воздействие может осуществляться непосредственно оператором (нажатие кнопки, переключение тумблера и т. д.) — ручное управление. Устройства коммутации с таким управлением находятся на панелях аппаратуры. Управляющее воздействие может производиться электрическим управляющим сигналом. Устройства коммутации с таким управлением используются тогда, когда пульт управления отделен от аппаратуры, в которой должна осуществляться коммутация, и связан с нею электрически с помощью соединительных линий.

При этом первичное управляющее воздействие — это непосредственные действия оператора, которые преобразуются управляющий электрический сигнал, поступающий затем по проводам к исполнительным элементам. Не меньшее значение имеют такие коммутационные устройства, в которых управляющим воздействием является электрический сигнал при автоматическом управлении аппаратурой. При этом управляющие сигналы вырабатываются в аппаратуре без участия оператора. В коммутационных устройствах большое значение имеют исполнительные элементы, которые бывают контактные и бесконтактные.

Соответственно различают контактные и бесконтактные коммутационные устройства. В контактных используется электрический контакт – соприкосновение тел (контакт деталей) обеспечивающее непрерывность цепи. В таких коммутационных устройствах (реле, кнопки и т. д.) обычно применяют стыковой контакт, при котором контакт детали прижимаются друг к другу.

Существуют также врубные и вставные контакты, когда контакт детали перед рабочим состоянием осуществляют боковое или продольное движение в прижатом состоянии с преодолением сил трения (переключатели ручного управления, соединители). Разнообразие требований, которые предъявляются к коммутационным устройствам, привело к созданию большого числа их разновидностей, различающихся по функциональному назначению, принципу действия, конструкции, параметрам, техническим возможностям и областям применения.

Основные требования сводятся к снижению затрат энергии (мощности) на управление, улучшению качества коммутации и, соединений, улучшению конструктивно-технологической совместимости с ИС, повышению надежности, быстродействия (для коммутационных устройств) и уменьшению усилий сочленения и расчленения (для соединителей).

Основным параметром контактных и бесконтактных коммутационных устройств как ручного, так и дистанционного и автоматического управления является сопротивление в состоянии контакта, или в замкнутом состоянии (при электрическом контакте) или в открытом состоянии (при использовании бесконтактных коммутационных устройств), а также сопротивление в разомкнутом состоянии. Характерной особенностью коммутационных устройств является многократное переключение (105 … 108 раз) в процессе функционирования аппаратуры, т. е. при наличии токов и напряжений, что предъявляет высокие требования к износоустойчивости.

При многократном замыкании и размыкании в электрических контактах происходит изменение состояния контактирующих поверхностей контакт деталей и их разрушение. Срок службы коммутационных устройств равен примерно 15–25 лет. Основные требования предъявляются к контактному сопротивлению и его стабильности, контактному нажатию и усилию сочленения (расчленения), максимальным и минимальным токам и напряжениям, паразитным емкостям и сопротивлению изоляции между контактами разных пар. Важными являются также требования по надежности, технологичности, массе и габаритам.

Требования к электрическим и конструкторским параметрам коммутационных устройств разнообразны и часто противоречивы, в связи с чем выпускается много их разновидностей. Обычно коммутационные устройства являются нормализованными и стандартизованными. Это требует от конструктора умения ориентироваться в их многообразии, которое, с одной стороны, дает много возможностей, но с другой стороны, усложняют выбор оптимального варианта устройства для конкретной ЭА.

Иногда приходится разрабатывать специальные коммутационные устройства и соединители частного применения. При выборе вида коммутационных устройств конструктору следует иметь в виду их основные особенности, преимущества и недостатки. Широко распространенные коммутационные устройства имеют ряд принципиальных ограничений и недостатков.

Основные недостатки связаны с тем, что контакт в них достигается путем механического соединения контакт деталей, на которые оказывает влияние много факторов, а также с тем, что в конструкцию таких устройств входит большое число мелких деталей, выполняющих чисто механические функции. При этом возникают трудности при миниатюризации: при соблюдении тех же относительных отклонений в размерах требуются более высокие классы точности механической обработки. Непосредственное изготовление деталей, входящих в эти устройства, может быть автоматизировано, но сборка, формирование устройств в целом сложно поддаются автоматизации и обычно выполняются вручную.

Для обеспечения надежного электрического контакта между металлическими деталями необходимо выдерживать жесткие требования к интервалу значений контактных нажатий. Не менее важно качество обработки соединяемых поверхностей и выбор материала, из которого изготовлены контакт детали.

В связи с этим длительное время велись поиски новых устройств, которые должны выполнять функции коммутации и соединителей в ЭА. Эти поиски привели к созданию нового вида бесконтактных устройств, основанных на принципах оптоэлектроники, когда вместо механических элементов, осуществляющих коммутацию и соединение, используется световой поток и элементы, чувствительные к его наличию и интенсивности. Коммутационные устройства на основе оптопар не содержат механически изготавливаемых деталей сложной формы и не требуют механической многоэтапной сборки, но им также свойственны определенные ограничения: сопротивление в открытом состоянии у них существенно больше, чем у контактных устройств.

В настоящее время получили также распространение новые бесконтактные коммутационные устройства на МДП и биполярных транзисторах. В МДП-транзисторах коммутируемая цепь подсоединяется к стоку и истоку, а напряжение, управляющее коммутацией, — к затвору. Такие коммутационные устройства обладают следующими преимуществами: могут быть использованы для коммутации постоянного и переменного тока, чрезвычайно компактны (до 1000 коммутационных элементов на 1 мм2 в БИС-памяти), изготовление их основано на использовании технологических процессов микроэлектроники и групповой технологии.

В качестве недостатка можно отметить значительно большее, чем у контактных устройств, сопротивление в открытом состоянии. Такая коммутация цепей нашла широкое применение в телефонных коммутаторах и при коммутации элементов памяти в БИС. Основные достоинства: практически полная электрическая (гальваническая) развязка между входом и выходом; малая проходная емкость; однонаправленность распространения сигналов; широкая полоса пропускания по частоте, возможность коммутировать импульсные сигналы, постоянную составляющую, аналоговые сигналы, цифровые сигналы; конструкторско-технологическая совместимость с полупроводниковыми приборами и микросхемами; высокая помехозащищенность канала, возможность построения сложных разветвленных устройств управления; управление работой оптопары как входным сигналом, так и оптическим каналом.

К недостаткам можно отнести: значительную потребляемую мощность и низкий КПД, так как необходимо двойное преобразование энергии; чувствительность параметров к воздействию повышенной температуры и ядерной радиации; «старение» параметров; высокий уровень собственных шумов; большое контактное сопротивление в открытом состоянии (единицы и сотни Ом), в то время как контактные устройства имеют контактное сопротивление, равное десятым и сотым долям Ом; существенное ограничение коммутируемой мощности, в то время как контактные устройства при соответствующих конструкциях и габаритах могут коммутировать очень большие мощности (1 кВт и больше); существенное ограничение коммутируемого напряжения (известны конструкции контактных переключателей с напряжениями, не достижимыми для оптоэлектронных коммутаторов).