1.7. Коммутационные устройства

Коммутационные устройства (КУ) предназначены для оперативного соединения, разъединения и переключения электрических цепей. Принцип их действия основан либо на явлении электрического контакта — передаче тока между двумя проводниками, приведенными в соприкосновение друг с другом (контактные КУ), либо на явлении модуляции проводимости сплошных сред (бесконтактные КУ).

Классификационное пространство КУ включает в себя следующие их виды (ГОСТ 2.755—87):

1) контактные с ручным механическим приводом (рис. 1.21):

- кнопки,

- переключатели двухполюсные

- многопозиционные

2) с постоянным контактом (рис. 1.22):

- разъемы,

- вставки,

- соединители

3) контактные с электромагнитным приводом (рис.1.23):

- реле,

- дистанционные переключатели,

- герконы

4) бесконтактные типа переключателей кнопочных бесконтактных с ручным управлением (рис. 1.24):

- магниторезистивные (М),

- гальваномагнитные на основе датчика Холла (ДХ)

- электретные

5) интегральные ключи и коммутаторы (рис. 1.25):

- прерыватели

- токовые ключи;

6) транзисторные и тиристорные ключи (рис. 1.25)

7) специальные виды (рис. 1.27):

- магнитогидродинамические,

- электро- и магнитострикционные,

- электротепловые.

Любое КУ независимо от вида и типа состоит из двух основных узлов (рис. 1.27, г): собственно узла коммутации (УК), в котором происходит коммутационное действие, и узла управления (УУ) этим действием. На основе использования различных конструктивно-технологических способов выполнения и объединения этих узлов создано все многообразие современных КУ.

Для правильного выбора вида, типа и типоразмера КУ необходимо учитывать следующие их параметры:

- чувствительность, численно равную значению минимальной входной энергии, необходимой для скачкообразного изменения значения выходного параметра (Е_min = P_ynpt_min, где Р_ynp — мощность сигнала управления);

Рис. 1.21. УГО кнопки (а), переключателя двухполюсного (б) и многопозиционного

а б в

Рис. 1.22. УГО разъема (а), вставки (б) и соединителя (в)

Рис. 1.23. УГО реле (а), дистанционного переключателя (б) и геркона (в)

Рис. 1.24. УГО коммутационных устройств на основе магниторезистора (а), датчика Холла (б) и электретного (в)

Рис. 1.25. УГО прерывателя (а)и токового ключа (б): УС — управляющий сигнал

Рис. 1.26. УГО транзисторного (а) и тиристорного (б) электронных ключей

Рис. 1.27. УГО магнитогидродинамического (а), электро- и магнито-стрикционного (б), электротеплового (в) КУ и общая структурная схема КЦ (г)

- коэффициент возврата К_в = Х_отп ∕Х_сра6, характеризующий гистерезисные свойства (при К_в = 1 срабатывание КУ становится неустойчивым, при К_в « 1 снижаются его чувствительность и быстродействие);

- время срабатывания t_cp и отпускания t_отп, т.е. соответственно время от момента подачи сигнала управления на включение (отключение) до момента срабатывания (возврата в исходное состояние);

- кратность релейной характеристики бесконтактных устройств, характеризующую степень гальванической развязки узла коммутации в разомкнутом состоянии (K_Y= Y_max/Y_min);

- коммутируемую мощность Р_к = U_pa3I_3aм, т. е. произведение напряжения на контактах в разомкнутом состоянии на ток через контактную пару в замкнутом состоянии (современные КУ ком­мутируют цепи с током 10^-12... 10³ А и напряжением 10^-6... 10³ В);

- коэффициент усиления К_Р = P_к /P_ynр

- вид нагрузки в цепи коммутации: активная, емкостная или индуктивная. При замыкании емкостной цепи возникают броски тока через УК, при размыкании индуктивной цепи возникают броски напряжения на разомкнутых контактах УК с образова­нием дуги. Оба эти явления способствуют быстрому износу контактов;

- переходное сопротивление «сухого» контакта R_{п к} = p(H_b/N)°'⁵, где р — удельное сопротивление материала контакта, Ом • м; H_Б — твердость по Бринелю материала контакта, Н/м²; N — усилие сжатия контактной пары, Н. Общими требованиями к состоянию контактного перехода являются: малое и стабильное значение R_n.к ; минимальные искажения коммутируемого сигнала; малые потери мощности на переходе; отсутствие собственной ЭДС; отсутствие слипания (сваривания) и эррозии поверхности контактов в процессе коммутации. В бесконтактных КУ значение переходного сопротивления зависит от проводимости материала контактной среды (полупроводника) и достигает единиц и десятков ом;

- сопротивление гальванической развязки узлов коммутации и управления R_г.р = 10²... 10¹² Ом (относительно малые значения R_r.p в бесконтактных КУ, относительно большие — в контактных);

- частоту коммутаций f_к (в контактных КУ f_к = 10² Гц, а в бесконтактных КУ f_К ~ 10⁸ Гц);

- долговечность, характеризуемую временем наработки (до 10⁵ ч), числом циклов коммутации (10⁵... 10⁸), временем пребывания УУ под током (до 10² ч);

- конструктивную и параметрическую совместимость.

Кроме того, для каждого КУ определены область применения и предельно допустимые условия эксплуатации по основным факторам дестабилизирующих воздействий — климатическим и механическим.

Исчерпывающие сведения о каждом КУ содержатся в НТД. Часть сведений, необходимых для заказа и первичного применения, содержится в основной записи, состоящей из буквенных и цифровых идентификаторов их параметров, изменяющихся в пределах данного типа. Большое разнообразие видов и типов контактных КУ (реле, соединители, коммутаторы с ручным управлением) не позволило унифицировать форму их основной записи. Например, она может быть следующего вида:

Реле РЭС-60 РС4.569.435 ТУ;

Переключатель бесконтактный ПКБ9;

Соединитель СНП34-69/132х 12-В-21-В;

Вилка РСА-50;

Дистанционный переключатель РПС-43.

Рассмотрим содержание классификационного пространства отечественных коммутаторов с ручным управлением на двух при­мерах основной записи (табл. 1.5):

1. Переключатель П2К(А)-Н-4-20-б-б-№ ТУ;

2. Выключатель ВТ-39-3-4-В-№ ТУ.

1. Идентификатор вида КУ (П — переключатель; В — выключатель).

2. Идентификатор типа КУ (К — кнопка; Т — тумблер).

3. Идентификатор модификаций компонента в пределах данного типа (подтип), появляющихся в ходе его эволюции.

4. Идентификатор обозначения вида конструктивного исполнения.

5. Указатель числа контактных групп или полюсов коммутации.

6. Указатель шага в миллиметрах.

7. Указатель числа переключателей на общей планке.

8. Идентификатор вида монтажа (а — объемный; б — печатный).

Таблица 1.5

Номер основной записи	Позиция классификационного пространства
	1	2	3	4	5
1	П	2	—	Н	4
2	В	Т	39	3	4

Номер основной записи	Позиция классификационного пространства
	1	2	3	4	5
1	20	6	б	—	№ТУ
2	—	—	—	В	№ТУ

.

8. Идентификатор всеклиматического исполнения (Б).

9. Основной документ, по которому применяют КУ (ГОСТ, ТУ, ЧТУ).

При выборе типа, типономинала и типоразмера конкретного КУ учитывают его функциональное назначение, требования к электрическим и эксплуатационным параметрам, способу монтажа. Электрическую нагрузку КУ оценивают значением коэффициента нагрузки К_H^p„ по мощности, коммутируемой узлом коммутации, относительно ее номинального значения. Для разных усло­вий эксплуатации значение К_H^p = 0,7...0,9.