Schaltertypen
Obwohl es seltsam erscheinen mag, das elementare Thema der elektrischen Schalter zu einem so späten Zeitpunkt in dieser Buchreihe zu behandeln, tue ich dies, weil die folgenden Kapitel einen älteren Bereich der Digitaltechnik erforschen, der auf mechanischen Schaltkontakten statt auf Halbleiter-Gate-Schaltungen basiert , und ein gründliches Verständnis der Schaltertypen ist für das Unternehmen erforderlich.
Das Erlernen der Funktion schalterbasierter Schaltungen gleichzeitig mit dem Erlernen von Halbleiter-Logikgattern macht beide Themen leichter verständlich und schafft die Voraussetzungen für eine verbesserte Lernerfahrung in der Booleschen Algebra, der Mathematik hinter digitalen Logikschaltungen.
Was ist ein elektrischer Schalter?
Ein elektrischer Schalter ist jedes Gerät, das verwendet wird, um den Elektronenfluss in einem Stromkreis zu unterbrechen. Schalter sind im Wesentlichen binäre Geräte:Sie sind entweder vollständig eingeschaltet („geschlossen“) oder vollständig ausgeschaltet („offen“). Es gibt viele verschiedene Arten von Schaltern, und wir werden einige dieser Arten in diesem Kapitel untersuchen.
Lernen Sie die verschiedenen Arten von Schaltern
Der einfachste Schaltertyp ist ein Schalter, bei dem zwei elektrische Leiter durch die Bewegung eines Betätigungsmechanismus miteinander in Kontakt gebracht werden.
Andere Schalter sind komplexer und enthalten elektronische Schaltkreise, die sich je nach wahrgenommenem physikalischen Reiz (wie Licht oder Magnetfeld) ein- oder ausschalten können.
In jedem Fall ist der letzte Ausgang eines jeden Schalters (mindestens) ein Paar Drahtanschlussklemmen, die entweder durch den internen Kontaktmechanismus des Schalters miteinander verbunden („geschlossen“) oder nicht miteinander verbunden („offen“) werden. .
Jeder Schalter, der dazu bestimmt ist, von einer Person bedient zu werden, wird im Allgemeinen als Handschalter bezeichnet , und sie werden in verschiedenen Varianten hergestellt:
Kippschalter
Kippschalter werden durch einen Hebel betätigt, der in einer von zwei oder mehr Stellungen abgewinkelt ist. Der übliche Lichtschalter, der in der Haushaltsverkabelung verwendet wird, ist ein Beispiel für einen Kippschalter.
Die meisten Kippschalter kommen in jeder ihrer Hebelpositionen zum Stillstand, während andere über einen internen Federmechanismus verfügen, der den Hebel in eine bestimmte normale zurückbringt Position, was einen sogenannten „momentanen“ Betrieb ermöglicht.
Drucktastenschalter
Drucktastenschalter sind zweistufige Geräte, die durch Drücken und Loslassen einer Taste betätigt werden. Die meisten Drucktastenschalter verfügen über einen internen Federmechanismus, der die Taste zur kurzzeitigen Betätigung in die Position „out“ oder „nicht gedrückt“ zurückstellt.
Einige Drucktastenschalter rasten bei jedem Tastendruck abwechselnd ein oder aus. Andere Drucktastenschalter bleiben in ihrer „Ein“- oder „Gedrückt“-Position, bis die Taste wieder herausgezogen wird.
Diese letzte Art von Druckknopfschaltern hat normalerweise einen pilzförmigen Knopf für eine einfache Push-Pull-Betätigung.
Wahlschalter
Wahlschalter werden mit einem Drehknopf oder einer Art Hebel betätigt, um eine von zwei oder mehr Positionen auszuwählen.
Wie der Kippschalter können Wahlschalter entweder in jeder ihrer Positionen ruhen oder einen Federrückstellmechanismus für eine kurzzeitige Betätigung enthalten.
Joystick-Schalter
Ein Joystickschalter wird durch einen Hebel betätigt, der sich in mehr als einer Bewegungsachse frei bewegen kann. Je nachdem, wie und manchmal wie weit der Hebel gedrückt wird, werden einer oder mehrere von mehreren Schaltkontaktmechanismen betätigt.
Die Kreis-Punkt-Notation auf dem Schaltersymbol gibt die Richtung der Joystick-Hebelbewegung an, die zum Betätigen des Kontakts erforderlich ist. Joystick-Handschalter werden häufig zur Kran- und Robotersteuerung verwendet.
Einige Schalter sind speziell dafür ausgelegt, durch die Bewegung einer Maschine und nicht durch die Hand eines menschlichen Bedieners bedient zu werden.
Diese bewegungsbetätigten Schalter werden allgemein als Endschalter bezeichnet , denn sie werden häufig verwendet, um die Bewegung einer Maschine zu begrenzen, indem die Stellkraft eines Bauteils abgeschaltet wird, wenn es sich zu weit bewegt. Wie bei Handschaltern gibt es Endschalter in mehreren Varianten:
Endschalter
Diese Endschalter ähneln stark robusten Kipp- oder Wahlhandschaltern, die mit einem vom Maschinenteil gedrückten Hebel ausgestattet sind.
Oftmals sind die Hebel mit einem kleinen Rollenlager versehen, das verhindert, dass der Hebel durch wiederholten Kontakt mit dem Maschinenteil abgenutzt wird.
Näherungsschalter
Näherungsschalter erkennen die Annäherung eines metallischen Maschinenteils entweder durch ein magnetisches oder hochfrequentes elektromagnetisches Feld.
Einfache Näherungsschalter verwenden einen Permanentmagneten, um einen versiegelten Schaltmechanismus zu betätigen, wenn sich das Maschinenteil nähert (normalerweise 1 Zoll oder weniger).
Komplexere Näherungsschalter funktionieren wie ein Metalldetektor, erregen eine Drahtspule mit einem Hochfrequenzstrom und überwachen elektronisch die Stärke dieses Stroms.
Wenn ein metallisches Teil (nicht unbedingt magnetisch) nahe genug an die Spule kommt, steigt der Strom und löst den Überwachungskreis aus.
Das hier gezeigte Symbol für den Näherungsschalter ist ein elektronisches Symbol, wie durch das rautenförmige Kästchen, das den Schalter umgibt, angezeigt wird.
Ein nicht-elektronischer Näherungsschalter würde das gleiche Symbol wie der hebelbetätigte Endschalter verwenden.
Eine andere Form von Näherungsschaltern ist der optische Schalter, bestehend aus einer Lichtquelle und einer Fotozelle. Die Maschinenposition wird entweder durch die Unterbrechung oder Reflexion eines Lichtstrahls erkannt.
Optische Schalter sind auch in Sicherheitsanwendungen nützlich, bei denen Lichtstrahlen verwendet werden können, um das Eindringen von Personen in einen Gefahrenbereich zu erkennen.
Die verschiedenen Arten von Prozessschaltern
In vielen industriellen Prozessen ist es notwendig, verschiedene physikalische Größen mit Schaltern zu überwachen.
Solche Schalter können verwendet werden, um Alarme auszulösen, die anzeigen, dass eine Prozessvariable normale Parameter überschritten hat, oder sie können verwendet werden, um Prozesse oder Geräte abzuschalten, wenn diese Variablen gefährliche oder zerstörerische Werte erreicht haben.
Es gibt viele verschiedene Arten von Prozessschaltern.
Geschwindigkeitsschalter
Diese Schalter erfassen die Rotationsgeschwindigkeit einer Welle entweder durch einen an der Welle montierten Fliehgewichtsmechanismus oder durch eine Art berührungslose Erfassung der Wellenbewegung, beispielsweise optisch oder magnetisch.
Druckschalter
Gas- oder Flüssigkeitsdruck kann verwendet werden, um einen Schaltmechanismus zu betätigen, wenn dieser Druck auf einen Kolben, eine Membran oder einen Balg ausgeübt wird, der Druck in mechanische Kraft umwandelt.
Temperaturschalter
Ein kostengünstiger Temperaturerfassungsmechanismus ist der „Bimetallstreifen“:ein dünner Streifen aus zwei Metallen, die Rücken an Rücken verbunden sind, wobei jedes Metall eine andere Wärmeausdehnungsrate hat.
Beim Erwärmen oder Abkühlen des Bandes wird es durch unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten der beiden Metalle verbogen. Durch das Biegen des Bandes kann dann ein Schaltkontaktmechanismus betätigt werden.
Andere Temperaturschalter verwenden eine Messingbirne, die entweder mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt ist, wobei ein winziges Rohr die Glühbirne mit einem Drucksensor verbindet. Beim Erhitzen des Kolbens dehnt sich das Gas oder die Flüssigkeit aus und erzeugt einen Druckanstieg, der dann den Schaltmechanismus betätigt.
Füllstandsschalter
Mit einem schwimmenden Objekt kann ein Schaltmechanismus betätigt werden, wenn der Flüssigkeitsstand in einem Tank über einen bestimmten Punkt ansteigt. Wenn die Flüssigkeit elektrisch leitfähig ist, kann die Flüssigkeit selbst als Leiter verwendet werden, um zwei Metallsonden zu überbrücken, die in der erforderlichen Tiefe in den Tank eingeführt werden.
Die Leitfähigkeitstechnik wird normalerweise mit einem speziellen Relaisdesign implementiert, das durch einen kleinen Strom durch die leitfähige Flüssigkeit ausgelöst wird. In den meisten Fällen ist es unpraktisch und gefährlich, den Volllaststrom des Stromkreises durch eine Flüssigkeit zu schalten.
Füllstandsschalter können auch so konstruiert werden, dass sie den Füllstand von Feststoffen wie Holzspänen, Getreide, Kohle oder Tierfutter in einem Lagersilo, Bunker oder Trichter erkennen.
Ein übliches Design für diese Anwendung ist ein kleines Schaufelrad, das in der gewünschten Höhe in den Behälter eingesetzt wird und von einem kleinen Elektromotor langsam gedreht wird.
Wenn das feste Material den Behälter bis zu dieser Höhe füllt, verhindert das Material, dass sich das Schaufelrad dreht. Die Drehmomentantwort des kleinen Motors löst dann den Schaltmechanismus aus.
Ein anderes Design verwendet eine „Stimmgabel“-förmige Metallzunge, die von außen in der gewünschten Höhe in den Behälter eingesetzt wird. Die Gabel wird durch eine elektronische Schaltung und eine Magnet-/Elektromagnetspulen-Baugruppe mit ihrer Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt.
Wenn sich der Behälter bis zu dieser Höhe füllt, dämpft das feste Material die Schwingungen der Gabel, die von der elektronischen Schaltung erfasste Änderung der Schwingungsamplitude und/oder -frequenz.
Flüssigkeitsflussschalter
In ein Rohr eingeführt, erkennt ein Strömungsschalter jede Gas- oder Flüssigkeitsströmungsrate, die einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, normalerweise mit einem kleinen Paddel oder Flügel, der durch die Strömung gedrückt wird.
Andere Strömungswächter sind als Differenzdruckwächter konstruiert und messen den Druckabfall über eine im Rohr eingebaute Drossel.
Nuklearer Füllstandsschalter
Eine andere Art von Grenzschaltern, die sich für die Detektion von Flüssigkeiten oder Feststoffen eignen, sind Nuklearschalter. Bestehend aus radioaktivem Quellenmaterial und einem Strahlungsdetektor, sind die beiden über den Durchmesser eines Lagerbehälters für festes oder flüssiges Material montiert.
Jede Materialhöhe über das Niveau der Quellen-/Detektoranordnung hinaus schwächt die den Detektor erreichende Strahlungsstärke. Diese Strahlungsabnahme am Detektor kann verwendet werden, um einen Relaismechanismus auszulösen, um einen Schaltkontakt für die Messung, Alarmierung oder sogar die Kontrolle des Behälterfüllstands bereitzustellen.
Quelle und Detektor sind außerhalb des Gefäßes, ohne jegliches Eindringen außer dem Strahlungsfluss selbst.
Die verwendeten radioaktiven Quellen sind relativ schwach und stellen keine unmittelbare Gesundheitsgefahr für das Betriebs- oder Wartungspersonal dar.
Alle Schalter haben mehrere Anwendungen
Wie üblich gibt es mehrere Möglichkeiten, einen Schalter zu implementieren, um einen physikalischen Prozess zu überwachen oder als Bedienelement zu dienen.
Normalerweise gibt es nicht den einen „perfekten“ Schalter für jede Anwendung, obwohl einige offensichtlich bestimmte Vorteile gegenüber anderen aufweisen. Für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb müssen Schalter intelligent auf die Aufgabe abgestimmt sein.
RÜCKBLICK:
- Ein Schalter ist ein elektrisches Gerät, normalerweise elektromechanisch, das verwendet wird, um den Durchgang zwischen zwei Punkten zu kontrollieren.
- Hand Schalter werden durch menschliche Berührung betätigt.
- Grenze Schalter werden durch Maschinenbewegungen betätigt.
- Prozess Schalter werden durch Änderungen in einem physikalischen Prozess (Temperatur, Füllstand, Durchfluss usw.) betätigt.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Wechsel-Arbeitsblatt
Industrietechnik