Выключатели, кнопки и клавиши

Когда мы рассматривали простейшую электротехническую установку, выяснилось, что для включения и отключения нагрузки (например, электрической лампочки) необходим разъединяющий (или коммутирующий) аппарат. Простейшими аппаратами такого вида являются выключатели и рубильники.

Рассмотрим коммутирующие аппараты более подробно.

На рис. 16.1 изображена схема очень распространенного аппарата – кнопки. Кнопка имеет две пары контактов. Верхние контакты а – b замкнуты контактным мостиком – металлической пластинкой с двумя контактами. Поэтому в том положении, которое изображено на рис. 16.1, а, в цепи контактов а – b может возникнуть электрический ток.

Контактный мостик свободно установлен на металлической оси. В верхней части оси имеется расширение – головка.

Кроме того, на оси установлены две пружины. Верхняя пружина тянет головку кнопки вверх и прижимает контактный мостик к контактам а – b. Контакты надежно замкнуты.

Рис. 16. 1

 

Теперь посмотрим, что произойдет, если пальцем нажать на головку кнопки (рис. 16.1, б). Ось сместится вниз и контактный мостик отойдет от контактов а – b и войдет в соприкосновение с контактами с – d.

При этом нижняя пружина сожмется и прижмет мостик к контактам с – d.

Верхняя электрическая цепь разомкнётся, а нижняя будет замкнута. Если палец отпустить, кнопка вернется в исходное положение и состояние электрических цепей опять будет прежним. Условное изображение кнопки показано на рис. 16.1, в.

Конструкция электрических кнопок, их форма, цвет головок могут быть самыми разнообразными. Иногда в головку кнопки встраивают маленькую электрическую лампочку, которая загорается, если на кнопку нажать. Такие кнопки применяют в домашних лифтах.

Но все кнопки независимо от их конструкции принципиально отличаются от выключателей. Выключатель «запоминает» внешнее воздействие человека. Если повернуть ручку в положение «включено», цепь будет замкнута до тех пор, пока кто-либо не изменит положение выключателя. Кнопка таким свойством не обладает. Она самостоятельно возвращается в исходное положение, как только перестают на нее нажимать. Примером выключателя может служить пакетный переключатель. Это малогабаритный отключающий аппарат, как правило, круглой формы (рис. 16.2)

Рис. 16. 2. Пакетный выключатель: 1 -ручка, 2 -шуруп, 3 -контакты, 4 -подставка, 5 -корпус, 6 -крышка, 7- ось, 8 - диск переключателя.

 

Существует еще один аппарат, который внешне напоминает кнопку, но по своим свойствам близок к выключателю. Это – клавиша. Если нажать на клавишу, шток ее переместится и произойдет переключение контактов. Однако в отличие от кнопки, если палец отпустить, клавиша останется в прежнем положении. Для того чтобы восстановить состояние электрических цепей, на клавишу нужно нажать еще раз. Нажали – включили, второй раз нажали – выключили и т. д.

Для управления двигателями с фазным ротором требуется большое число переключений. Эту операцию выполняют контроллеры, которые бывают барабанные и кулачковые (рис. 16.3, а, в). Подвижные контакты барабанного контроллера, имеющие форму сегментов (4), крепятся на валу (5). Неподвижные контакты (3) размещаются на вертикальной рейке (2), и к ним присоединяются внешние цепи. Контактные сегменты соединяются друг с другом по определенной схеме, и, кроме того, они имеют разную длину дуги. При повороте вала контроллера сегменты поочередно входят в соприкосновение с неподвижными контактами, и осуществляется включение или отключение цепи.

           

Рис. 16. 3. Контроллер: а – барабанный, б – кулачковый.                                    Рис. 16. 4 Контактор

 

 

Вал контроллера снабжается фиксатором (1), обеспечивающим ему несколько фиксированных положений. Кулачковые контроллеры совершеннее барабанных. Переключения в силовых цепях с помощью контроллеров требует от оператора значительных физических усилий. Поэтому в установках с частыми переключениями для этой цели используются контакторы. Принцип действия их основан на использовании в управлении силовыми контактами электромагнитной системы. Конструкция контактора приведена на рис. 16.4, более подробно работу контакторов рассмотрим ниже.

Электрические контакты

Наиболее ответственным элементом выключателей, кнопок и многих других электрических аппаратов являются электрические контакты.

От работы контактов зависят срок службы электрического аппарата, его надежность. В месте электрического контакта соприкасаются два проводника, и возникает переходное сопротивление RK. Переходное сопротивление зависит от размеров и материала контактов, от шероховатости поверхности. Соприкосновение контактов происходит не по всей поверхности, а по вершинам микронеровностей, которые всегда имеются на поверхности деталей. Если контакты сильно сжать, то микронеровности сминаются, площадь контакта увеличивается и переходное сопротивление уменьшается.

Многие материалы (например, медь) на воздухе покрываются слоем окиси, которая плохо проводит электрический ток. Контакты, покрытые слоем окиси, могут быть замкнуты, но переходное сопротивление контактной пары будет столь велико, что цепь тока практически окажется разомкнутой.

Есть и еще обстоятельство, связанное с переходным сопротивлением. Чем больше переходное сопротивление, тем больше нагреваются контакты. В критическом случае нагрев может быть так велик, что произойдет сваривание контактов. Ясно, что для правильной работы контактов необходимо, чтобы переходное сопротивление контактов было по возможности малым. Для этого подбирают материал, форму контактов и сжимают контакты специальной пружиной. Когда контакты замкнуты, происходят сложные физические и химические процессы.

Наиболее тяжелый режим – это размыкание контактов. Когда контакты размыкаются, между ними возникает электрическая дуга (рис. 16.5). Дуга продолжает замыкать цепь тока, оборудование не отключается от сети. Это может привести к аварии. Кроме того, под действием электрической дуги контакты «обгорают», быстро изнашиваются и выходят из строя.

Интенсивность дуги и время ее горения зависят от электромагнитной энергии, запасенной в цепи. Чем больше индуктивность цепи, тем больше дуга. Электрическая дуга между контактами существует до тех пор, пока вся электромагнитная энергия не перейдет в тепло.

Рис. 16. 5

Чтобы уменьшить дугу, в цепь включают дополнительный резистор. Тогда часть электромагнитной энергии переходит в тепло в этом резисторе, и дуга гаснет быстрее. Кроме того, увеличивают расстояние между контактами, а в мощных аппаратах применяют специальные меры дугогашения.

Особенно опасна электрическая дуга в цепях постоянного тока. В цепях переменного тока дуга гаснет, когда ток проходит через ноль. Однако при определенных условиях дуга может вновь загореться в следующий полупериод.

Лучшими проводящими материалами являются серебро, медь, алюминий. Первые два материала применяют и для электрических контактов. Алюминиевые контакты не применяют, так как плотная пленка окиси алюминия плохо проводит ток.

Серебряные контакты применяют в маломощных устройствах. Кроме того, в небольших и ответственных контактных электрических аппаратах используют золото, платину и другие драгоценные материалы. Однако наиболее распространенным материалом контактов является медь. Часто медные контакты облагораживают, снабжают металлокерамическими накладками. Такие контакты лучше противостоят высоким температурам и меньше изнашиваются.

Электромагниты

Катушка с железным (правильнее, стальным) разомкнутым сердечником образует электромагнит. Простейший электромагнит изображен на рис. 16.6.

 

Рис. 16. 6. Электромагнит

                                                                          

 

Ток в катушке образует магнитный поток. Этот поток проходит по сердечнику и замыкается через его подвижную часть, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к сердечнику. Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от сердечника под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины. Якорь магнита, изображенного на рис. 16.6, поворачивается на оси. Такой электромагнит называют электромагнитом клапанного типа. Существуют прямоходовые электромагниты, в которых якорь движется поступательно. Сконструированы также электромагниты со сложным движением якоря. Электромагниты используют в электротехнике очень широко. Школьный звонок и звонок телефона – это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, электромагнитные муфты. Точные электромагниты используют в измерительной технике. Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах. Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие магниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и другие детали.

 Электромагнит, о котором мы говорили, работает на постоянном токе. Если же обмотку включить на переменный ток, то сила тяги также станет переменной. Из наших формул видно, что сила тяги пропорциональна квадрату тока, поэтому и в положительный, и в отрицательный полупериод сила тяги будет положительной, т.е. направлена она будет в одну и ту же сторону. Якорь будет притягиваться к сердечнику. Однако величина силы тяги изменяется в больших пределах и в тот момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю. Якорь будет то притягиваться, то отпадать. Мы получим вибратор. Интересно, что частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети. Если сеть имеет частоту 50 Гц, то колебания якоря будут происходить с частотой 100 Гц.

Вибраторы находят в технике самое широкое распространение, поэтому амплитуду колебаний якоря часто стараются увеличить, создать колебательную систему.

Подумаем о том, как сделать силу тяги постоянной при питании обмотки электромагнита переменным током. Одно решение напрашивается само: нужно применить выпрямитель (рис. 16.7, а).

          

а                               б

Рис. 16. 7

 

Тогда обмотка электромагнита будет питаться выпрямленным током, который имеет постоянную и переменную составляющие. Если индуктивность обмотки электромагнита достаточно велика, то переменная составляющая тока окажется малой и вибрации якоря исчезнут.

Другое решение требует переделки сердечника электромагнита (рис. 16.7, б) в торце сердечника, т.е. на его полюсе, делают пропил, в который вставляют демпферный виток. Это – замкнутая медная шайба, сопротивление которой очень мало.

Общий магнитный поток сердечника Ф ₀ можно разделить на две части. Один поток (Ф ₀ минует демпферный виток, а второй (Ф ₂) проходит через него. Переменный поток Ф ₂ наводит в демпферном витке ЭДС. Под действием этой ЭДС в витке возникает большой ток I_K, который также создает свой магнитный поток Ф _к.

Все дело заключается в том, что ЭДС отстает от магнитного потока Ф ₂ на четверть периода, а ток I_K и поток Ф _к практически совпадают с ЭДС по фазе.

Это приводит к тому, что в тот момент, когда основной магнитный поток Ф₀ проходит через нуль, поток Ф _к отличен от нуля и удерживает якорь электромагнита в притянутом положении.

Очень мощные электромагниты имеют трехфазную обмотку, расположенную на трех сердечниках. Токи в обмотках сдвинуты по фазе на 1/3 периода. Этого достаточно, чтобы постоянно удерживать якорь электромагнита в притянутом положении.

 

Контакторы

Простейшие коммутирующие аппараты – выключатели и рубильники – обладают одним общим недостатком. Для того чтобы включить или выключить электрическую цепь, нужно подойти к рубильнику и повернуть его ручку. На расстоянии сделать это невозможно, т.е. эти аппараты не позволяют управлять различными устройствами дистанционно.

Попробуем теперь сконструировать такой рубильник, при помощи которого можно включать и выключать мощный электрический двигатель на расстоянии, например из другой комнаты.

Для этого закрепим рубильник на стойке так, как показано на рис. 16.8, а. Рядом на такой же стойке установим электромагнит, и якорь электромагнита металлическим стержнем соединим с рукояткой рубильника. Посмотрим, что теперь получится. Здесь нужно учесть, что ток обмотке электромагнита I ₁ значительно меньше тока, потребляемого двигателем из сети. Поэтому проводку к выключателю сделаем тонким проводом. Это гораздо удобнее и выгоднее. Однако наша система получила еще дополнительные ценные свойства, которых нет ни у рубильника, ни у выключателя. В полученном аппарате мощные электрические контакты замыкаются электромагнитом, а не вручную. Этот аппарат называют контактором. Конечно, промышленные контакторы более компактны и имеют много дополнительных элементов. Устройство контактора представлено на рис.16.8, б.

Контактор состоит: 1 – неподвижный контакт; 2 – камера для гашения электрической дуги; 3 – подвижный контакт; 4 – пружина которая сжимает контакты после их соприкосновения; 5 – якорь электромагнита; 6 – пружина возвращающая якорь в исходное положение; 7, 8 – сердечник и обмотка электромагнита.

Рис. 16. 8. а – макет контактора; б – контактор постоянного тока.

Один контакт расположен на основании контактора – это неподвижный контакт; другой, подвижный – на якоре электромагнита. Подвижный контакт установлен свободно. Он просто прижат слабой пружинкой к поверхности якоря. Это позволяет контактам самоустанавливаться, надежно замыкать электрическую цепь. Ток к неподвижному контакту подводится мягкой медной лентой. Для возвращения якоря в исходное положение служит специальная пружина. Сверху над контактами расположена специальная камера для гашения электрической дуги, которая возникает при размыкании контактов. Для того чтобы быстро погасить электрическую дугу, применяют «магнитное дутье».

Электромагнитные реле

В принципе электромагнитное реле работает так же, как и контактор. В этих аппаратах замыкание и размыкание контактов происходит за счет движения якоря электромагнита. Однако контакты реле рассчитаны на значительно меньшие токи, размеры реле тоже меньше, чем контактора, и применение реле совсем другое.

Реле используют в телефонии, устройствах связи на железных дорогах и во всех других случаях, когда необходимо коммутировать слаботочные цепи.

На рис. 16.9 представлено одно такое реле. Оно имеет круглый сердечник 1 с полюсным наконечником 2 и плоский якорь 3. Параллельно сердечнику расположены контакты. Они выполнены в виде плоских бронзовых пружин 4 с контактными напайками. Такие пружины не только проводят электрический ток, но и возвращают якорь в исходное положение, когда обмотка реле обесточена.

Часто сердечник реле включает постоянный магнит. Такие реле называют поляризованными, они реагируют на направление тока в обмотке. При одном направлении тока магнитный поток созданный этим током, и поток постоянного магнита складываются. Реле срабатывает. При другом направлении тока потоки вычитаются, общий магнитный поток уменьшается и реле отпускает. Поляризованные реле обладают очень большой чувствительностью. Они срабатывают, если ток в обмотке составляет всего 1 – 2 мА.

Рис. 16. 9

 

Для того чтобы улучшить работу контактов реле, их помещают в запаянную стеклянную колбочку, из которой удален воздух. На рис. 16.10 представлены устройства, с постоянно замкнутым и постоянно разомкнутым контактами. Такие устройства называют герметизированными контактами, сокращенно – герконами. Контакты геркона – 2 (рис.16.11) выполнены в виде двух плоских стальных пружин.

 

Рис. 16. 10                                                                           Рис. 16. 11

 

Если колбочку геркона поместить в магнитное поле, стальные пружинки намагничиваются и смыкаются, контакты замыкают цепь тока. Если магнитное поле исчезнет, то упругие пружинки возвратятся в исходное положение и цепь тока будет разомкнута.

Герконовые реле обладают очень малыми размерами, их называют сверхминиатюрными. Кроме того, контакты этих реле не окисляются, они имеют очень большой срок службы и высокую надежность.

Кроме обыкновенных электромагнитных реле существуют специальные реле времени, предназначенные для отсчета промежутков времени при автоматизации и управлении. Это своеобразный электрический будильник. От обычного домашнего будильника он отличается тем, что может не только подать звуковой сигнал, но и произвести активные действия – включить или отключить электрические двигатели, нагревательные приборы и т. п. Реле времени предназначено для отсчета приращения времени (обычно не очень большого). Нельзя настроить реле времени так, чтобы оно срабатывало ровно в 8 ч утра, но можно заставить его сработать через 2 с после включения. Эта небольшая разница приводит к тому, что бытовые будильники в промышленности не применяют. Реле времени могут быть основаны на самых различных принципах, связанных с электрическими, механическими, тепловыми процессами.

Очень широко применяют на практике конденсаторные реле времени. Заряд или разряд конденсатора происходит достаточно медленно, и это обстоятельство можно полезно использовать для отсчета выдержки времени. Основным узлом реле является часовой механизм 2, запускаемый электромагнитной системой 1. Катушка реле включается в силовую цепь и при ее срабатывании часовой механизм вводится в действие. По истечении определенного отрезка времени замкнутся контакты реле и электроустановка отключится от сети. Реле позволяет осуществлять его настройку на различные режимы его работы.

 

Рис. 16. 12 Конденсаторное ре­ле времени

 

 

На рис. 16.12 показана схема конденсаторного реле времени. При замыкании управляющего контакта К1 конденсатор С подключается к источнику стабильного постоянного напряжения через резистор R. По мере заряда конденсатора напряжение на его обкладках возрастает. Это напряжение усиливается и подается на катушку реле К.2. При некотором значении напряжения реле срабатывает, и отсчет выдержки времени заканчивается. Время, через которое срабатывает реле, определяется произведением RC — чем оно больше, тем больше выдержка. Изменяя сопротивление резистора, можно легко настраивать реле на разное время. Подобные реле времени применяют фотографы для отсчета времени при фотопечати.