Tipuri de comutatoare - definitia si scopul comutatorului electric

1. Tipuri de comutatoare
2. Pozitia „normala” a contactelor

Un comutator este un dispozitiv electric, de obicei electromecanic, folosit pentru a controla continuitatea electrica dintre doua puncte distincte

Comutatoarele manuale sunt actionate de operatori umani

Comutatoarele de limitare sunt actionate de pozitia elementelor mecanice

Comutatoarele de proces sunt actionate de variatia unei anumite variabile fizice de proces, precum temperatura, presiune, nivel, etc.

Un comutator electric este orice dispozitiv folosit pentru intreruperea deplasarii electronilor prin circuit. Comutatoarele sunt practic dispozitive binare: fie sunt complet inchise, fie complet deschise. Exista o multitudine de tipuri de comutatoare. Vom prezenta cateva din ele mai jos.

Desi pare ciudat sa prezentam acest subiect elementar asa de tarziu, in capitolele urmatoare vom explora un domeniu mai vechi al tehnologiei digitale. Aceasta din urma se bazeaza pe contacte realizate cu ajutorul comutatoarelor mecanice si nu pe circuite digitale cu porti. Prezentarea ambelor metode conduce la o mai buna intelegere a subiectului de fata. Acest lucru ne va fi de folos atunci cand vom invata despre algebra booleana, matematica din spatele circuitelor logice digitale.

Cel mai simplu tip de comutator este acela in care contactul dintre doi conductori electrici se realizeaza prin actionarea unui mecanism de deplasare. Exista si comutatoare mult mai complexe, comutatoare continand circuite electronice capabile sa inchida sau sa deschida circuitul in functie de un stimul fizic (precum lumina sau camp magnetic). Indiferent de caz, rezultatul final al unui comutator este o pereche de terminali ce vor fi conectati prin intermediul mecanismului intern al aparatului (comutator inchis), fie vor fi separati (comutator deschis).

Orice comutator proiectat sa fie folosit de catre un operator uman, poarta numele de comutator manual. Exista mai multe tipuri de astfel de comutatoare.

Comutator basculant

Aceste tipuri de comutatoare sunt actionate cu ajutorul unei manete. Aceasta maneta se poate regasi intr-una dintre cele doua sau mai multe pozitii disponibile (in functie de tip). Comutatorul obisnuit folosit pentru aprinderea si stingerea luminii in casa, este un bun exemplu de comutator basculant. Majoritatea comutatoarelor basculante se pot regasi in oricare dintre pozitii. Unele comutatoare sunt insa echipate cu un mecanism intern prin intermediul caruia maneta revine tot timpul intr-o pozitie normala, bine stabilita. In acest ultim caz, functionarea (inchiderea sau deschiderea circuitului, in functie de caz) comutatorului se face doar pentru o perioada scurta de timp, dupa care acesta revine la pozitie initiala.

Comutator buton

Comutatoarele buton sunt dispozitive bi-pozitionale actionate prin intermediul unui buton care este apasat iar apoi eliberat. Majoritatea butoanelor poseda un mecanism intern prin care butonul se reintoarce la pozitia sa initiala (ne-apasat sau eliberat). Prin urmare, acest dispozitiv functioneaza doar pe perioada in care butonul este apasat, revenind apoi la pozitia sa initiala. Un bun exemplu de astfel de comutator este butonul de pornire al calculatorului, sau de chemare al liftului. Dupa apasare, acestea revin la pozitia initiala.

Unele comutatoare pot ramane in pozitia apasat pana cand acesta este tras inapoi. Aceste tipuri de comutatoare sunt prevazute cu un buton de tip ciuperca pentru usurarea actiunii.

Comutator selector

Comutatoarele selectoare sunt actionate prin intermediul unui buton rotativ pentru selectarea uneia sau a mai multor pozitii. La fel ca si comutatoarele basculante, acestea se pot regasi in oricare dintre pozitii, sau pot contine mecanisme pentru functionarea de scurta durata (revenirea la pozitia normala).

Comutator joystick

Un comutator joystick este actionat prin intermediul unei manete cu un grad de libertate sporit. In functie de directia de deplasare a manetei, exista unul sau mai multe mecanisme de contact ce intra in actiune. Cateodata, acest lucru depinde si de distanta de deplasare a manetei. Cercul si punctul din simbolul comutatorului indica directia de deplasare a manetei pentru actionarea contactului. Aceste tipuri de comutatoare sunt folosite de obicei pentru macarale si pentru control industrial.

Comutatoare de limitare

Unele comutatoare sunt special concepute pentru actionarea lor nu de catre un operator uman, ci de catre miscarea unui dispozitiv mecanic. Aceste comutatoare de miscare poarta numele de comutatoare de limitare, datorita faptului ca sunt folosite pentru limitarea deplasarii unei masini. Acest lucru se realizeaza prin intreruperea alimentarii unui anumit component, daca acesta se deplaseaza prea departe. La fel ca in cazul comutatoarelor manuale, exista mai multe tipuri de comutatoare de limitare.

Comutator de limitare cu maneta

Aceste limitatoare sunt asemanatoare comutatoarelor basculante sau selectoare. In cazul acestora insa, maneta este actionata de un dispozitiv mecanic, si nu de catre un operator uman.

Comutator de proximitate

Lucrare: Modificarea tamplariilor - infocad Eseu: Normativ pentru prevenirea si remedierea defectiunilor la imbracamintile rutiere moderne

Comutatoarele de proximitate detecteaza apropierea unei parti metalice, fie prin intermediul unui camp magnetic, fie prin intermediul unui camp electromagnetic de frecventa inalta. Comutatoarele de proximitate simple utilizeaza un magnet permanent pentru actionarea unui mecanism intrerupator atunci cand componenta metalica se apropie prea mult (2-3 cm). Comutatoarele de proximitate mai complexe functioneaza asemenea unui detector de metale, alimentand o bobina cu un curent de frecventa inalta si masurand electronic amplitudinea acelui curent. Daca o componenta metalica (nu neaparat magnetica) se apropie prea mult de bobina, curentul va creste si va actiona mecanismul de monitorizare a circuitului. Simbolul alaturat este al unui comutator de proximitate de tip electronic, indicat prin romb. Simbolul unui dispozitiv non-electric este acelasi cu simbolul comutatorului de limitare cu maneta.

O alta varianta a comutatorului de proximitate o reprezinta comutatorul optic. Acesta este compus dintr-o sursa de lumina si un element fotosensibil. Pozitia elementului mecanic este detectata prin intreruperea sau reflexia undei de lumina. Comutatoarele optice sunt folosite in aplicatii de siguranta, unde o sursa de lumina poate fi folosita pentru detectarea intrarii persoanelor neautorizate intr-o zona periculoasa.

Comutatoare de proces

In multe aplicatii industriale, este necesara o monitorizare a diferitelor marimi fizice cu ajutorul comutatoarelor. Astfel de dispozitive pot fi folosite pentru pornirea unei alarme, indicand faptul ca variabila de proces a depasit parametrii normali de functionare. Sau pot fi folosite pentru oprirea proceselor sau a echipamentelor daca acele variabile au atins un nivel periculos sau distructiv. Desigur, exista mai multe variante de astfel de comutatoare de proces, prezentate mai jos.

Comutator de viteza

Aceste comutatoare pot detecta viteza de rotatie a unui ax prin intermediul unui mecanism montat pe acesta. Desigur, acest lucru este de preferat a se realiza fara un contact fizic intre ax si comutator, caz in care detectia se realizeaza optic sau magnetic.

Comutator de presiune

Presiunea gazului sau a lichidului poate fi utilizata pentru actionarea unui mecanism de comutare. Aceasta presiune trebuie sa fie aplicata unui piston sau unei diafragme, care la randul ei va converti presiunea in forta mecanica.

Comutator de temperatura

Un mecanism relativ ieftin de detectare a temperaturii consta dintr-o banda bimetalica: o banda subtire formata din doua metale diferite pozitionate spate-in-spate. Fiecare metal poseda un coeficient de dilatare termica diferit. Aceasta dilatare termica nu este altceva decat tendinta corpurilor de a-si creste volumul in urma variatiei temperaturii (de obicei in urma cresterii acesteia, dar exista si exceptii). Fenomenul opus poarta numele de contractie termica.

Atunci cand banda se raceste sau se incalzeste, coeficientii de dilatare diferiti ale celor doua metale cauzeaza curbarea acestei benzi. Curbarea benzii poate fi folosita apoi pentru actionarea unui mecanism de comutare.

Alte comutatoare de temperatura utilizeaza un bec de alama umplut fie cu gaz fie cu lichid, si un tub ce conecteaza acest bec de un comutator de presiune. Pe masura de becul este incalzit, volumul gazului sau al lichidului creste, generand o crestere de presiune care mai apoi actioneaza mecanismul de comutare.

Comutator de nivel

Un obiect plutitor poate fi folosit pentru actionarea unui mecanism atunci cand nivelul de lichid dintr-un bazin trece peste o anumita limita. Daca lichidul este conductor din punct de vedere electric, acesta poate fi folosit ca si conductor pentru inchiderea circuitului dintre doua sonde metalice. Acestea sunt plasate in bazin la adancimea corespunzatoare. In majoritatea cazurilor insa, acest lucru nu este practic, ba mai mult, este chiar periculos.

Acest tip de comutatoare poate fi folosit si pentru detectarea nivelului materialelor solide, precum rumegus, grau, carbune sau plante furajere. O metoda des intalnita pentru aceasta aplicatie este utilizarea unei mici roti cu pale metalice sau din lemn, plasata in interiorul recipientului la inaltimea dorita. Aceasta roata este conectata la un motor electric ce o roteste cu o anumita viteza. Atunci cand recipientul este umplut cu material solid pana la acel nivel, materialul blocheaza roata si impiedica rotirea ei. Raspunsul motorului este cel care actioneaza mecanismul de comutare.

O alta metoda utilizeaza un diapazon (instrument format dintr-o bara metalica in forma de U, ce vibreaza la lovire). Acesta este introdus in recipient din exterior, la inaltimea dorita. Diapazonul este supus unei vibratii la frecventa de rezonanta prin intermediul unui circuit electronic si un magnet/electromagnet. Cand materialul solid trece de inaltimea la care este montat diapazonul, vibratiile acestuia vor fi atenuate. Aceasta modificare a amplitudinii vibratiilor si/sau frecventei este detectata de circuitul electronic.

Comutator nuclear

O ultima metoda de realizare a unui comutator de nivel pe care o luam aici in considerare, o reprezinta comutatorul nuclear. Acesta este compus dintr-un material radioactiv ca si sursa si un detector de radiatie. Ambele elemente sunt montate in lungul diametrului recipientului pentru lichid sau pentru material solid. Daca inaltimea materialului trece de nivelul mecanismului sursa/detector, acesta va atenua puterea receptionata de detectorul de radiatie. Aceasta descrestere a radiatiei pe detector poate fi folosita pentru actionarea unui mecanism de comutare, fie pentru masurarea nivelului, fie pentru declansarea unei alarme sau chiar si pentru controlul nivelului din recipient.

Atat sursa cat si detectorul sunt montate in exteriorul recipientului, singurele elemente ce patrund in interior sunt radiatiile. Sursele de radiatie sunt extrem de slabe si nu prezinta niciun risc imediat operatorilor sau personalului de intretinere.

Comutator de curgere

Introdus intr-o conducta, un comutator de curgere va detecta viteza de curgere a unui gaz sau a unui lichid. In momentul in care aceasta viteza depaseste o anumita limita, se va actiona mecanismul de comutare. De obicei se folosesc pale sau aripi ce sunt impinse de curgerea substantei respective. O metoda alternativa consta in detectarea caderii de presiune pe o anumita portiune a conductei.

Observatie

Desigur, exista tot timpul mai multe metode de implementare a unui comutator pentru monitorizarea sau controlul unui proces fizic. De obicei nu exista un singur comutator „perfect” pentru nicio aplicatie, desi unele prezinta cateva avantaje clare fata de altele. Comutatoarele trebuie alese inteligent in functie de aplicatia in cauza. Acest lucru va determina functionarea lor eficienta si sigura in orice imprejurare

Pozitia „normala” a contactelor

Contacte normal-inchise si normal-deschise

Orice tip de comutator poate fi proiectat astfel incat contactele sale sa se inchida (stabilirea continuitatii circuitului), sau sa se deschida (intreruperea continuitatii), atunci cand este actionat. Pentru comutatoarele prevazute cu un mecanism de re-intoarcere la pozitia initiala, directia de re-intoarcere a comutatorului, atunci cand nu este aplicata nicio forta externa, poarta numele de pozitie normala. Prin urmare, contactele ce sunt deschise in pozitia normala, poarta numele de „normal-deschise”. Contactele ce sunt inchise in pozitia normala, poarta numele de „normal-inchise”.

Pentru comutatoarele de proces, pozitia normala, este acea pozitie in care nu exista nicio influenta de proces asupra comutatorului. O metoda simpla de determinare a pozitiei normale a unui comutator de proces, consta in determinarea pozitiei comutatorului atunci cand acesta nu a fost inca instalat (se afla inca in cutie).

Exemple de utilizare

Sa luam cateva exemple de pozitii normale de proces. Comutator de viteza: axul este stationar; comutator de presiune: presiunea aplicata este zero; comutator de temperatura: temperatura ambientala (temperatura camerei); comutator de nivel: recipient gol; comutator de curgere: viteza de curgere a lichidului este zero.

Este important sa facem diferenta intre pozitia „normala” a comutatorului si functionarea sa „normala” intr-un proces. Sa consideram exemplul unui comutator de curgere ce este utilizat pentru semnalizarea (pe cale sonora sau vizuala) scaderii debitului de apa dintr-un sistem de racire. Functionarea normala a sistemului de racire consta intr-un debit constant si suficient de lichid de racire prin conducte. Sa presupunem ca urmarim inchiderea contactelor comutatorului in cazul pierderii de lichid de racire (pentru completarea unui circuit electric ce activeaza alarma vizuala sau auditiva, de exemplu). In acest caz, va trebui sa folosim un comutator de curgere cu contacte in pozitia normal-inchis si nu in pozitia normal-deschis. In momentul in care exista un debit normal si suficient de lichid prin conducte, contactele comutatorului raman in pozitia deschis. Atunci cand debitul lichidului scade sub un anumit nivel critic, contactele se re-intorc in pozitia lor normala, si anume, normal-inchis.

Ganditi-va tot timpul la starea normala a unui comutator ca la acea stare in care se regaseste dispozitivul cand nu este introdus in sistem (este inca in magazin, de exemplu).

Simbolul contactelor

Simbolul comutatoarelor este diferit in functie de scopul si de modul de actionare. Un comutator normal-deschis este reprezentat in asa fel incat sa reprezinte un contact deschis, care in momentul actionarii sa se inchida. Invers, un comutator normal-inchis este reprezentat ca si un contact inchis ce se deschide la actionarea dispozitivului. Alaturat este reprezentat simbolul comutatorului tip buton in pozitia normal-deschis, respectiv normal-inchis.

Exista de asemenea un simbol generic pentru pozitia oricarui tip de comutator, fie normal-deschis, fie normal-inchis, asemeni figurii alaturate. Comutatorul din stanga se inchide cand este actionat si este deschis in pozitia normala (atunci cand nu este actionat din exterior). Comutatorul din dreapta se deschide cand este actionat si este inchis in pozitia sa normala (cand nu este actionat). Daca se folosesc astfel de simboluri pentru reprezentarea comutatoarelor, tipul acestora este de obicei trecut in vecinatatea simbolului, in cuvinte.

Atentie, nu confundati simbolul stanga (in figura de mai sus) cu simbolul condensatorului. In cazul in care se doreste reprezentarea unui condensator intr-un circuit logic, se va folosi simbolul alaturat. In electronica standard, acest simbol este rezervat condensatoarelor polarizate. In circuitele logice digitale, acest simbol este folosit pentru orice tip de condensator, chiar si in situatia cand condensatorul nu este un condensator polarizat.

Secventa realizarii contactelor

In cazul comutatoarelor cu mai multe pozitii, trebuie luat in considerare si modul de deschidere si de inchidere a contactelor, pe masura ce selectorul se deplaseaza de pe o pozitie pe alta.

Comutator cu intrerupere

Selectorul comutatorului din figura alaturata realizeaza contactul (inchiderea circuitului) intr-una din cele cinci pozitii diferite. Pozitiile sunt numerotate de la 1 la 5. Configuratia cea mai des intalnita a unui comutator cu pas reglabil, este aceea in care contactul cu o anumita pozitie este deschis inainte de realizarea contactului (inchiderea contactului) cu pozitia urmatoare. Sub aceasta configuratie, comutatorul este cunoscut sub numele de comutator cu intrerupere.

Ca si exemplu, sa presupunem cazul in care comutatorul se afla pe pozitia 3. Daca selectorul este intors in sensul acelor de ceasornic, acesta va deschide contactul 3, deschizand practic circuitul, si se va deplasa intre pozitia 3 si 4. In acest moment, ambele circuite (3 si 4) sunt deschise, ambele contacte fiind deschise. Daca se continua deplasarea selectorului in sensul acelor de ceasornic, se va ajunge in pozitia 4, moment in care contactul se inchide.

Comutator cu suprapunere

Exista insa situatii in care nu este permisa in nicio clipa deschiderea completa a circuitului atasat selectorului. Pentru astfel de aplicatii, exista o alta varianta de comutator, denumita comutator cu suprapunere, sau comutator fara intrerupere. In acest caz, selectorul nu deschide circuitul precedent inainte de realizarea contactului cu circuitul urmator (in sensul de rotire). In exemplu precedent, contactul 4 este realizat inaintea deschiderii contactului 3. Compromisul consta in faptul ca circuitul trebuie sa poata tolera asemenea contacte adiacente realizata simultan (1 cu 2, 2 cu 3, 3 cu 4 si 4 cu 5).

Comutatoare multipolare

Cand contactul(e) mobil poate fi adus pe unul dintre contactele fixe, acele pozitii sunt denumite „directii”. Numarul contactelor mobile poarta numele de poli. Ambele comutatoare prezentate mai sus cu un contact mobil si cinci contacte stationare pot fi desemnate ca si comutatoare monopolare cu cinci directii.

Sa presupunem ca doua comutatoare bipolare cu cinci directii sunt legate impreuna, astfel incat ele sa fie actionate prin intermediul aceluiasi mecanism. Intregul dispozitiv astfel format poarta numele de comutator bipolar cu cinci directii. Simbolul unui astfel de comutator este prezentat in figura alaturata. De mentionat ca linia intrerupta trasata intre cele doua selectoare, desemneaza faptul ca acestea sunt actionate simultan de acelasi mecanism extern.

Sa luam si alte exemple de comutatoare:

Comutator monopolar cu o directie

Comutator bipolar cu o directie

Comutator monopolar cu doua directii

Comutator bipolar cu doua directii

Comutator cvadripolar cu patru directii