Для чего нужен ключ в электрической цепи
Ключ (электротехника)
Ключ (переключатель, выключатель) — электрический коммутационный аппарат, служащий для замыкания и размыкания электрической цепи.
Содержание
Терминология
Выключателем может называться коммутационный аппарат, не имеющий собственного названия, имеющий как минимум два фиксированных положения своих контактов (включено/отключено) и способный изменить это положение под действием внешних сил, на другое положение контактов (включено/отключено) на сколь угодно малое или большое значение времени.
Варианты исполнения
Механические
Механические ключи служат для непосредственного управления цепью, так как диэлектрический рычаг механического ключа обычно напрямую связан с токоведущими частями ключа. Применяются обычно в случае, когда не требуется отделять управляемую цепь.
Электромагнитные
Электромагнитные ключи служат для дистанционного управления, управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.
Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.
Электронные
Электронные ключи основаны на работе биполярных транзисторов. Когда на базе транзистора «0» относительно эмиттера, транзистор «закрыт», ток через него не идёт, на коллекторе всё напряжение питания (сигнал высокого уровня — «1»). Когда на базе транзистора «1», он «открыт», возникает ток коллектор-эмиттер и падение напряжения на сопротивлении коллектора, напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе, уменьшается до низкого уровня «0».
Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принцип работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Цифровые ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.
Неуправляемые
Управляемые
Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его базу управляющего напряжения (сигнала) определённой полярности и уровня. Нагрузка, подключённая к транзисторному ключу, оказывается зашунтированной большим или малым сопротивлением транзистора. В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).
Классификация
Выключатели можно классифицировать следующим образом:
Бытовой выключатель
Бытовой выключатель — это двухпозиционный коммутационный аппарат с нормально-разомкнутыми контактами, предназначенный для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт, не предназначенный для отключения токов короткого замыкания, без специальных устройств дугогашения, местного управления, с ручным приводом.
Остальные характеристики этого выключателя, такие как рабочий ток, степень влаго-/пыле-/взрывозащищённости (IP), климатическое исполнение, способ установки, материал контактов — определяются производителем и зависят от конкретной модели.
Более того, для бытового выключателя актуально конструктивное исполнение — для внутренней установки (встраиваемым в стену, для скрытой проводки) или для внешней установки (устанавливаемым на стену, для открытой проводки).
В основном применяются для включения и выключения освещения (люстр, плафонов). Для этой же цели в продаже появились выключатели с плавным управлением освещённости: светорегуляторы, диммеры, триммеры.
Акустический выключатель
Акустический выключатель — электрический выключатель, управляемый звуком.
Бывает следующих типов:
Транзисторные ключи: схема, принцип работы и особенности
Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.
Что такое электронный ключ?
Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:
На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.
Коммутация нагрузки
Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15. 14 А, напряжений 50. 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.
Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.
Электромагнитное реле
Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.
Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.
Выводы электромагнитного реле
Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:
В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.
Как работает электромагнитное реле
Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:
Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.
Проводимость транзисторов
Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:
К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.
Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.
Транзистор в режиме ключа
Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:
Принцип работы транзистора
Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.
Пример работы транзистора в режиме ключа
Режим насыщения
Практические конструкции
Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.
Работа с микроконтроллерами
При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.
Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:
Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.
Использование транзисторов в конструкциях
Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.
Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.
Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.
Ключ В Схеме Электрической Цепи
Элементы электрических цепей во всех случаях, кроме ветви, обязательно присутствуют в множестве. Практически можно представить схему цепи в виде пассивного и активного двухполюсника.
Контур заземления и зануления замыкается с помощью грунта. Иначе ток в цепи протекать не будет. 
Электронные элементы, используемые в ключевых схемах, по своим ключевым свойствам можно разделить на два класса: — элементы, ключевые свойства которых обеспечиваются заданием их режима работы; — элементы, ключевые свойства которых определяются самим принципом их работы.
ЧИТАЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ С ТРАНЗИСТОРОМ — 3 ЧАСТЬ
Иначе ток в цепи протекать не. Основные элементы во время проведения расчетов для электрических цепей Они используются в сложных конструкциях, чтобы проверить, что и как будет работать: Ветвь.
Номинальный режим Такой режим необходим для создания технических свойств всей цепи и отдельных компонентов. Заключение Итак, мы рассмотрели электрические цепи, элементы электрических цепей и практические особенности взаимодействия с ними.
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. Схема электрической цепи Вопросы Каково назначение источника тока в электрической цепи?
Учет реактивных параметров прибора делает динамическую эквивалентную схему пригодной для анализа быстрых процессов, в частности для анализа процессов, возникающих при воздействии на нелинейную цепь фронта импульса.
Упражнение 23 Мы уже выяснили, что для использования электроэнергии нужны такие вещи, как источник тока, проводники, приборы и т.
Электрические цепи (часть 1)
Нюансы графической маркировки
Эта вольт-амперная характеристика строится по двум точкам 1 и 2 рис. При изменении тока в пределах активной двухполюсник эквивалентный источник отдает энергию во внешнюю цепь участок I вольт-амперной характеристики на рис. Схема электрической цепи Вопросы Каково назначение источника тока в электрической цепи? Чтобы избежать искрения, в электрическую цепь добавляются дроссели, а в выключатель устанавливают контакты специального вида. 
Для того, чтобы понять как будет работать система при переключении контакта необходимо мысленно переместить элемент контакта, от одной линии связи к другой. 
Первую используют как в статическом режиме, так и при медленно изменяющихся процессах. Для того, чтобы все эти вещи взаимодействовали, нужно построить электрическую цепь, с помощью которой энергия будет доставляться потребителям от источника тока. 
Упражнение 23 Мы уже выяснили, что для использования электроэнергии нужны такие вещи, как источник тока, проводники, приборы и т. 
На этом и основано действие выключателей. 
Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой. 
Схема электрической цепи нужна прежде всего при сборке любого электрического прибора, и при эксплуатации без нее тоже не обойтись. Важными в этом плане являются специальные детали схем, которые обладают сопротивлением, что характеризуется вольт-амперной зависимостью, поскольку они взаимно влияют друг на друга.
Как проверить полевой транзистор с помощью тестера.
Обозначение линий связи на электрических схемах
Но для их работы необходимо соблюдение целого ряда требований. 
Найти на электрической схеме электродвигатели, определить их систему питания. 
Не все контуры считаются электрическими цепями. Активный двухполюсник содержит источники электрической энергии, а пассивный двухполюсник их не содержит. 
Такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса. Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Перед выполнением следующего задания хочется напомнить китайскую мудрость: Расскажи — и я забуду… Дай мне возможность действовать самому — и я научусь. Важным отличительным свойством элементов второго класса является наличие участка вольт-амперной характеристики, имеющего отрицательное сопротивление, что обеспечивает регенеративный лавинообразный переход таких элементов из выключенного состояния во включенное практически независимо от параметров входного переключающего сигнала. 
Зато на первый план выступает скорость переключения ключа, которая определяет число операций в единицу времени, т. В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать. Электродвигатели, лампы, плитки, всевозможные электробытовые приборы называют приёмниками или потребителями электрической энергии.
Схема электрической цепи – применение и классификация.
Дискретность разбиения определяется требуемой точностью аппроксимации и видом аппроксимируемой функции. Обсудить Редактировать статью Электротехнические устройства очень важны в жизни современного цивилизованного человека. На практике широко используются схемы замещения во время работы активных и пассивных элементов.
Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС. Время установления выходного сигнала время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью на заданной нагрузке. Если использовать оба режима, которые были уже рассмотрены, то по их результатам могут быть определены параметры активного двухполюсника. Сложная цепь обладает, как правило, несколькими ветвями. Эта энергия восполняется в источнике тока.
В зависимости от значения источника тока низкий уровень или высокий транзистор должен быть в закрытом режим отсечки или насыщенном статическом состоянии. Элементы с такой характеристикой, используемые в электронике, весьма многочисленны и разнообразны, однако все они объединяются важнейшим качеством — способностью работать в ключевом режиме.
Задача на закон сохранения энергии в электрической цепи
Содержание
Обозначение тиристоров и операционных усилителей показано на рисунке. Задача 3.
Провести анализ работы каждой электрической цепи электросхемы, выявить на ней основные и вспомогательные аппараты, определить условия их работы, при необходимости ознакомиться с технической документацией на электрические приборы. Кроме того, аналоговые ключи характеризуются такими параметрами, как предельно допустимые режимы, напряжения питания, потребляемая мощность, диапазон рабочих температур, размеры, тип корпуса и т. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию.
Перечень компонентов цепи может быть довольно большим.
Стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника. Согласованный режим Он используется для обеспечения максимальной передачи активной мощности, которая идет от источника питания к потребляемому энергию. Существуют два основных способа соединения источников питания: последовательное и параллельное. В бытовой сети мы имеем напряжение вольт с определенными нормированными отклонениями.
Элементы схемы электрической цепи в данном случае не используются. Не все контуры считаются электрическими цепями. Обозначение транзисторов на схеме Электрическая схема транзисторов — элементов электрической системы способных управлять током в выходной цепи при воздействий входного сигнала, показана на рисунке. Закон Ома для полной цепи Он определяет зависимость, которая устанавливается между ЭДС Е источника питания, у которого внутреннее сопротивление равно r, током и общим эквивалентом R.
Дополнительные материалы по теме: Схема электрической цепи.
Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Возьмите листочки.
Внутренние и внешние электрические цепи Для создания упорядоченного движения электронов, нужно наличие разности потенциалов между каким-либо участком цепи. Наиболее распространены замыкающие, размыкающие и переключающие контакты, их обозначение показано на рисунке. Динамическую эквивалентную схему получают из статической путем добавления реактивных параметров прибора. Сопоставить обозначения элементов на электросхеме с перечнем элементов.
КАК РАССЧИТАТЬ ТРАНЗИСТОРНЫЙ КЛЮЧ
Сопротивление
Схема из предыдущего раздела не очень практична. На самом деле, собирать ее (напрямую соединять полюсы источника напряжения с помощью только куска провода) может быть довольно опасно. Причина, по которой это опасно, заключается в том, что при таком коротком замыкании величина электрического тока может быть очень большой, а выделение энергии может быть очень значительным (обычно в виде тепла). Обычно на практике электрические цепи строятся таким образом, чтобы максимально безопасно использовать высвобождаемую энергию.
Ток, протекающий через нить накала лампы
Одним из практических и популярных способов использования электрического тока является электрическое освещение. Самая простая форма электрической лампы – это крошечная металлическая «нить» внутри прозрачной стеклянной колбы, которая накаляется добела от тепловой энергии, когда через нее проходит достаточный электрический ток. Как и батарея, она имеет две проводящие точки подключения: одна для входа тока, а другая – для выхода. Схема электрической лампы, подключенной к источнику напряжения, выглядит примерно так:
Рисунок 1 – Ток через лампу
Когда ток проходит через тонкую металлическую нить накала лампы, он встречает большее противодействие движению, чем в обычном толстом куске провода. Это противодействие электрическому току зависит от типа материала, площади его поперечного сечения и температуры. Технически это противодействие известно как сопротивление (можно сказать, что проводники имеют низкое сопротивление, а диэлектрики – очень высокое сопротивление). Это сопротивление служит для ограничения величины тока, проходящего через цепь при заданном напряжении, подаваемом батареей, по сравнению с «коротким замыканием», когда у нас не было ничего, кроме провода, соединяющего один конец источника напряжения (батареи) с другим. Когда ток движется против противодействия сопротивления, возникает «трение». Как и в случае механического трения, трение, создаваемое током, протекающим через сопротивление, проявляется в виде тепла. Концентрированное сопротивление нити накала лампы приводит к тому, что на нити рассеивается относительно большое количество тепловой энергии. Этой тепловой энергии достаточно, чтобы нить накаливания стала раскаленной добела и начала светиться, в то время как провода, соединяющие лампу с батареей (которые имеют гораздо меньшее сопротивление), вряд ли станут хотя бы теплыми, проводя такую же величину тока. Как и в случае короткого замыкания, если целостность цепи нарушена в любой точке, ток прекращается по всей цепи. При установленной лампе, это означает, что она перестанет светиться:
Рисунок 2 – Ток через лампу не течет
Как и прежде, ток не течет, а в точках разрыва доступен весь потенциал (напряжение) батареи, ожидающий соединения, чтобы пересечь этот разрыв и позволить току снова течь. Это состояние известно как разомкнутая цепь, когда разрыв цепи предотвращает протекание тока повсюду. Всё, что требуется, чтобы «разомкнуть» цепь, – это один разрыв. После повторного соединения любых разрывов и восстановления непрерывности цепь называется замкнутой.
Основа для коммутации ламп
То, что мы видим здесь, является основой для включения и выключения ламп дистанционными выключателями. Поскольку любое нарушение непрерывности цепи приводит к прекращению протекания тока по всей цепи, то для управления протеканием тока в цепи мы можем использовать устройство, предназначенное для преднамеренного нарушения этой непрерывности (называемое ключом, или выключателем, переключателем и т.п.) и установленное в любом удобном месте, к которому мы можем провести провода:
Рисунок 3 – Добавление ключа в цепь из батареи и лампы
Таким образом, выключатель, установленный на стене дома, может управлять лампой, установленной в длинном коридоре или даже в другой комнате, далеко от выключателя. Сам ключ состоит из пары проводящих контактов (обычно сделанных из какого-то металла), соединенных механическим рычажным приводом или кнопкой. Когда контакты соприкасаются друг с другом, устанавливается непрерывность цепи, и ток может течь от одного контакта к другому. Когда контакты разделены, течению тока от одного к другому препятствует воздушная изоляция между ними, и непрерывность цепи нарушается.
Выключатель ножевого типа
Рисунок 4 – Выключатель ножевого типа
Ножевой переключатель – это не что иное, как токопроводящий рычаг, свободно поворачивающийся на шарнире, вступающий в физический контакт с одним или несколькими неподвижными контактами, которые также являются токопроводящими. Переключатель, показанный на приведенном выше рисунке, собран на фарфоровом основании (отличный изоляционный материал), с использованием меди (отличный проводник) для «лезвия» и контактов. Ручка сделана из пластика, чтобы изолировать руку оператора от токопроводящего лезвия переключателя при его открытии или закрытии. Ниже показан еще один тип переключателя, с двумя неподвижными контактами вместо одного:
Рисунок 5 – Переключатель ножевого типа с 3-мя контактами
Ножевой переключатель, показанный здесь, имеет одно «лезвие» и два неподвижных контакта, что означает, что он может включать или выключать более одной цепи. На данный момент это не так важно, чтобы просто понять основную идею того, что такое ключ, и как он работает. Ножевые переключатели отлично подходят для иллюстрации основного принципа работы ключа, но они представляют определенные проблемы безопасности при использовании в электрических цепях большой мощности. Открытые проводники переключателя делают очень возможным случайный контакт с цепью, а любая искра, которая может возникнуть между движущимся ножом и неподвижным контактом, может воспламенить любые находящиеся поблизости горючие материалы. В большинстве современных конструкций переключателей движущиеся проводники и контакты закрыты изолирующим кожухом, чтобы уменьшить эти опасности. Фотографии нескольких современных типов переключателей показывают, что механизмы переключения гораздо более скрыты, чем в конструкции ножевого выключателя:
Рисунок 6 – Сравнение размеров переключателей
Разомкнутые и замкнутые цепи
В соответствии с терминологией цепей «разомкнутая» и «замкнутая», переключатель, у которого контакт от одной клеммы подключения соединен с контактом другой клеммы (например, выключатель с лезвием, полностью касающимся неподвижного контакта), обеспечивает непрерывность протекания тока через себя и называется замкнутым переключателем. И наоборот, выключатель, который нарушает целостность цепи (например, выключатель с лезвием, не касающимся неподвижного контакта), не пропускает ток и называется разомкнутым выключателем.