سوئیچ چیست و چگونه کار می‌کند؟

سوئیچ وسیله‌ای است که جهت قطع گردش جریان در یک مدار‌طراحی شده‌است‌،‌به عبارتی می‌تواند یک مدار‌الکتریکی را قطع‌و‌ وصل کند.

هر برنامه الکتریکی و الکترونیکی برای انجام عملکرد روشن و خاموش دستگاه از حداقل یک سوییچ استفاده می کند.

بنابراین سوییچ ها بخشی از سیستم کنترل هستند و بدون آن ، عملیات کنترل امکان پذیر نیست.

سوئیچ می تواند دو عملکرد را انجام دهد ، یعنی کاملاً روشن (باز) یا کاملاً خاموش (بسته).

وقتی مخاطبین یک سوئیچ بسته است‌،‌سوییچ مسیر بسته جریان را ایجاد‌می‌کند و به همین دلیل بار رو از‌منبع انرژی می‌گیرد.

هنگامی که تماس‌های یک سوئیچ باز است‌،‌هیچ نیرویی توسط بار همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است‌،‌مصرف نمی‌شود.

برنامه ‌های کاربردی سوئیچ بی ‌شماری در زمینه‌های متنوع مانند خانه‌، اتومبیل‌، صنعتی‌، نظامی‌،‌ هوافضا و غیره یافت می‌شود.

در‌برخی از‌برنامه‌ها از‌سوییچینگ چند‌طرفه استفاده می‌شود‌(مانند سیم کشی ساختمان)‌‌.

در‌چنین مواردی دو یا چند سوئیچ برای کنترل یک بار‌الکتریکی از بیش از یک مکان به هم وصل هستند.

سوییچ ها می توانند از نوع مکانیکی یا الکترونیکی باشند.

سوئیچ های مکانیکی باید از طریق جابجایی‌، فشار دادن ، رها کردن یا لمس کردن، از نظر فیزیکی فعال شوند.

سوییچ های الکترونیکی برای کنترل یک مدار نیاز به تماس فیزیکی ندارند. اینها با عمل نیمه هادی فعال می شوند.

کلیدهای مکانیکی

سوئیچ های مکانیکی را می توان بر اساس چندین فاکتور از جمله :

روش فعال سازی (سوییچ های دستی ، محدود و پردازشی)

تعداد مخاطب (سوئیچ های یک تماس و چند مخاطب)

تعداد قطب ها و پرتاب ها (SPST ، DPDT ، SPDT ، و غیره)

بهره برداری و ساخت (دکمه فشار ، ضامن ، چرخشی ، جوی استیک و غیره)

بر اساس حالت (سوییچ های لحظه ای و قفل شده) و غیره معرفی نمود.

براساس تعداد قطب ها و پرتاب ها ، سوئیچ ها به انواع زیر طبقه بندی می شوند.

قطب نشان دهنده تعداد مدارهای قدرت فردی است که می توانند تغییر کنند.

بیشتر سوییچ‌ها با یک‌،‌دو یا سه قطب طراحی شده‌اند و‌به عنوان یک قطب تک‌،‌دو قطب و سه قطبی تعیین شده‌اند.

تعداد پرتاب ها تعداد حالتهایی را نشان می دهد که جریان از طریق سوئیچ می تواند عبور کند.

بیشتر‌سوئیچ‌ها به صورت یک یا دو پرتاب طراحی شده‌اند که به عنوان سوییچ‌های تک پرتاب و پرتاب دوتایی نامیده میشوند.

سوئیچ پرتاب تک قطبی (SPST)

• این کلید اصلی روشن و خاموش است که از یک تماس ورودی و یک تماس خروجی تشکیل شده است.
• این یک مدار واحد را سوئیچ می کند و می تواند بار را خاموش یا روشن کند .
• اتصال های SPST می توانند به صورت معمول باز یا بسته پیکربندی شوند.

سوییچ دو پرتاب تک قطبی (SPDT)

• این سوئیچ دارای سه پایانه است‌، یک نقطه اتصال ورودی و دو‌پایانه دیگر که مربوط به اتصال خروجی خروجی هستند.
• این بدان معناست که از دو موقعیت روشن و یک موقعیت خاموش تشکیل شده است.
• در‌اکثر این مدارها، این سوییچ‌ها به عنوان تغییر جهت اتصال ورودی بین دو انتخاب از خروجی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• تماسی که به ورودی متصل می‌شود، به طور معمول تماس بسته نامیده می‌شود .

تماسی که در طول عملیات متصل خواهد شد، معمولا یک تماس باز است.

سوئیچ تک پرتاب دو قطبی (DPST)

• این سوییچ از چهار پایه ، دو پایه ورودی و دو پایه خروجی تشکیل شده است.
• مانند دو تنظیم SPST جداگانه رفتار می کند ، در همان زمان کار می کنند.
• این تنها یک مورد موقعیت ON دارد، اما می‌تواند دو تماس را به طور همزمان به هم متصل کند، به گونه‌ای که هر تماس ورودی به ارتباط خروجی متناظر آن متصل خواهد شد.
• در حالت خاموش هر دو سوئیچ در حالت باز هستند.
• این نوع سوئیچ ها برای کنترل دو مدار مختلف به طور همزمان استفاده می شوند.
• همچنین ، اتصال این سوییچ ممکن است به صورت معمول باز یا به طور معمول بسته باشد.

سوییچ دو پل دو قطبی (DPDT)

• این سوئیچ ON / OFF دوگانه است که از دو موقعیت ON تشکیل شده است.
• این کلید شش پایه دارد ، دو اتصال ورودی و چهار پایه باقی مانده نقاط تماس خروجی هستند.
• مانند یک پیکربندی جداگانه SPDT رفتار می کند ، در همان زمان کار می کند.
• دو رابط ورودی به یک مجموعه از ارتباطات خروجی در یک موقعیت متصل هستند و در موقعیت دیگری، تماس‌های ورودی به مجموعه دیگری از ارتباطات خروجی متصل می‌شوند.

سوییچ push button

• این یک سوئیچ تماس لحظه‌ای است که تا‌زمانی که فشار وارد‌شود‌(یا‌هنگامی که دکمه فشار می‌یابد) اتصال‌را برقرار یا قطع میکند.
• به طور کلی ، این فشار توسط یک دکمه فشرده شده توسط انگشت شخص تأمین می شود.
• این دکمه پس از برداشتن فشار ، به حالت عادی خود برمیگردد.
• مکانیزم فنر داخلی این دو حالت را (فشردن و رها کردن) بوجود می آورد.
• این مجموعه از مخاطبین ثابت و متحرک تشکیل شده است که کنتاکت های ثابت به صورت سری به مدار وصل می شوند تا در حالی که مخاطبین متحرک با یک دکمه فشار وصل می شوند ، روشن شوند.
• Push button ها بیشتر به شکل اتصال‌‌باز‌،‌اتصال بسته و دوتایی طبقه بندی می‌شوند‌، همانطور که در‌شکل بالا نشان داده شده‌است.
• از دکمه های فشار دو منظوره معمولاً برای کنترل دو مدار الکتریکی استفاده می شود.

سوئیچ toggle

• سوئیچ جابجایی توسط یک‌دسته مکانیکی‌، اهرم یا مکانیسم تکان‌دهنده به صورت دستی (یا فشار‌داده‌شده به بالا یا پایین) فعال می‌شود.

اینها معمولاً به عنوان کلیدهای کنترل نور استفاده می شوند.

• بیشتر این سوئیچ‌ها دارای دو یا چند موقعیت اهرمی هستند که در نسخه‌های سوئیچ SPDT،SPST ،DPST و DPDT وجود دارد.

اینها برای تعویض جریانهای زیاد‌(به اندازه 10 آمپر)‌مورد استفاده قرار می‌گیرند و می‌توانند برای‌تغییر جریانهای کوچک نیز مورد‌استفاده قرار گیرند.

• این ها در رده‌بندی ها‌، اندازه ها و سبک های مختلف موجود است و برای انواع مختلف برنامه‌ها استفاده می‌شود.

شرط ON می‌تواند هر‌یک از موقعیت‌های سطح آنها باشد‌، با اینحال‌، طبق قرارداد‌، موقعیت نزولی موقعیت بسته یا ON است.

سوئیچ limit

• طرح‌های کنترل یک سوئیچ محدود در‌شکل بالا نشان داده شده‌است‌، که در آن چهار نوع سوئیچ حد‌مجاز ارائه شده است.
• برخی سوئیچ‌ها با حضور یک شی یا عدم وجود اشیاء یا حرکت دستگاه به جای کارکرد دست انسان اداره می‌شوند.

به این سوئیچ ها به عنوان سوئیچ حد مجاز گفته می شود.

• این سوئیچ ها از نوع بازوی ضربه خور است که توسط یک جسم فعال می شود.

هنگامی که این بازوی ضربه خور فعال می‌شود ، باعث می شود تا نقاط اتصال سوئیچ موقعیت را تغییر دهند.

کلید های شناور (Float)

• سوئیچ‌های Float عمدتاً برای کنترل پمپ‌های موتور‌DC و AC با‌توجه به مایع یا آب موجود در‌مخزن یا چاه استفاده می‌شوند.
• این سوئیچ هنگامی کار می‌کند که شناور‌(یا جسم شناور)‌بر اساس سطح آب در‌مخزن به سمت‌پایین یا به سمت‌بالا حرکت کند.
• این حرکت شناور میله یا مونتاژ زنجیره‌ای و ضد وزنه باعث باز شدن یا بسته شدن تماس های برقی می‌شود.

شکل دیگر سوئیچ شناور‌، سوئیچ نوع لامپ جیوه است که از هیچ نوع میله شناوری یا چیدمان زنجیری تشکیل نشده‌است.

• این‌لامپ از تماس‌های جیوه تشکیل شده‌است به‌گونه‌ای که وقتی سطح مایع‌بالا می‌رود یا ریزش می‌کند‌،‌حالت تماس ها نیز تغییر می‌کند.
• نماد سوئیچ شناور توپ در‌شکل بالا نشان داده شده‌است. این سوئیچ‌های شناور معمولاً از نوع باز یا معمولاً بسته هستند.

سوئیچ های جریان (Flow)

• اینها عمدتاً برای تشخیص حرکت جریان مایع یا هوا از طریق لوله یا مجرا استفاده می شوند.

سوئیچ جریان هوا (یا یک سوئیچ میکرو) با یک عمل ضربه محکم و ناگهانی ساخته می شود.

• این میکرو سوئیچ به یک بازوی فلزی وصل شده‌است‌.به این بازوی فلزی‌، یک قطعه نازک پلاستیکی یا فلزی وصل شده‌است.
• هنگامی که مقدار زیادی هوا از‌قطعه فلزی یا پلاستیکی عبور‌می کند‌،‌باعث حرکت بازوی فلزی می‌شود و بنابراین اتصال سوئیچ‌را برقرار‌می‌کند.
• سوئیچ‌های جریان مایع با پارویی طراحی شده‌اند که در جریان سیال در یک لوله قرار داده می‌شوند.

هنگامی که مایع از لوله عبور می‌کند، نیرویی که در برابر پارو اعمال می‌شود، موقعیت تماس را تغییر می‌دهد.

• شکل بالا نماد سوئیچ مورد استفاده برای جریان هوا و جریان مایع را نشان می دهد.

نماد پرچم موجود در سوئیچ نشانگر دست و پا زدن است که جریان یا حرکت مایعات را حس می کند.

• این سوئیچ ها مجدداً پیکربندی های نوع معمولی را باز یا بسته می کنند.

سوئیچ های فشاری (pressure)

• این سوئیچ‌ها معمولاً در کاربردهای صنعتی به منظور احساس فشار سیستم‌های هیدرولیک و دستگاه های پنوماتیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• بستگی به دامنه فشار برای اندازه گیری دارد ، این سوئیچ های فشار به سوئیچ فشار کار شده با دیافراگم ، سوئیچ فشار نوع فلزی پایین و سوئیچ فشار نوع پیستون طبقه بندی می شوند.
• در همه این نوع ها ، عنصر تشخیص فشار مجموعه ای از نقاط اتصال را فعال می کند.

(که می تواند به صورت دو قطبی یا تک قطبی باشد).

• این‌نماد سوئیچ شامل یک نیم‌دایره است که به ‌یک خط متصل‌است که در‌آن قسمت مسطح یک دیافراگم را نشان می‌دهد.

این سوئیچ ها ممکن است به صورت معمول باز یا معمولاً بسته باشند.

سوئیچ دما (Temperature)

• رایج‌ترین عنصر حسگر گرمایی نوار bimetallic است که براساس اصل انبساط حرارتی عمل می‌کند.
• نوارهای bimetallic با دو فلز متفاوت (که نرخ‌های انبساط حرارتی متفاوتی دارند)ساخته می‌شوند و با هم دیگر پیوند یافته‌اند.
• اتصال سوئیچ هنگامی کار می کند که دما باعث خم شدن یا پیچیدن نوار شود.

روش دیگر کارکرد سوئیچ دما استفاده از لوله شیشه ای جیوه است.

• هنگامی که لامپ گرم می‌شود، جیوه در لوله گسترش می‌یابد و پس از آن فشار برای ایجاد مخاطبین ایجاد می‌شود.

سوئیچ Joystick

• سوئیچ های جوی استیک دستگاه های کنترل دستی هستند که عمدتاً در تجهیزات کنترل قابل حمل استفاده می شوند.
• آن شامل اهرمی است که آزادانه در بیش از یک محور حرکت می‌کند.
• بسته به حرکت اهرم تحت فشار ، توسط یک یا چند نقطه اتصال سوئیچ فعال می شود.
• این موارد برای پایین آوردن ، بالا بردن و تحریک حرکات چپ و راست مناسب است.
• اینها برای ماشین آلات ساختمانی‌، کنترل کابل و جرثقیل استفاده می‌شوند. نماد جوی استیک در بالا نشان داده شده است.

سوئیچ های چرخشی

• این‌ها برای اتصال یک خط به یکی از خطوط بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• نمونه‌هایی از این سوئیچ‌ها انتخاب‌کننده برد در‌تجهیزات اندازه‌گیری الکتریکی‌،‌انتخاب کانال در‌دستگاه های ارتباطی و انتخاب‌کننده باند در‌رادیوهای چند باند است.
• از یک یا چند مخاطب متحرک (دستگیره) و بیش از یک تماس ثابت تشکیل شده است.
• این سوئیچ‌ها با ترتیب مختلف اتصال از‌قبیل :

تک قطبی 12 طرفه‌، 3 قطبی 4 طرفه‌، 2 قطبی 6 طرفه و 4 قطبی 3 طرفه ارائه می‌شوند.

کلیدهای الکترونیکی

سوئیچ‌های الکترونیکی معمولاً به عنوان سوئیچ‌های حالت جامد نامیده می‌شوند.

زیرا هیچ قسمت متحرک فیزیکی وجود ندارد و از این رو عدم تماس فیزیکی است.

بیشتر وسایل توسط سوئیچ های نیمه هادی مانند درایوهای موتور و تجهیزات HVAC کنترل می شوند.

انواع مختلفی از سوئیچ های حالت جامد در بازارهای امروزی با اندازه ها و رتبه بندی های مختلف موجود است.

برخی از این سوئیچ های حالت جامد عبارتند از ترانزیستور ، SCR ، MOSFET ، TRIAC و IGBT.

ترانزیستورهای دو قطبی

یک ترانزیستور به جریان فعلی اجازه عبور می‌دهد یا جریان را به اندازه کار کردن با سوئیچ عادی مسدود می‌کند.

در تعویض مدارات‌، ترانزیستور در‌حالت قطع برای حالت خاموش یا مسدود‌کننده جریان و در‌حالت اشباع برای شرایط ON کار می‌کند.

منطقه فعال ترانزیستور برای تعویض برنامه ها استفاده نمی شود.

هر‌دو ترانزیستورهای NPN و PNP در‌زمانی که یک جریان پایه کافی برای آن تامین می‌شود، کار می‌کنند یا تغییر می‌کنند.

زمانی که یک جریان کوچک جریان داشته‌باشد، اگر چه ترمینال پایه با یک مدار هدایتی‌(متصل شده بین پایه و ساطع کننده)تامین می‌شود، باعث می‌شود که به مسیر جمع‌کننده – ساطع کننده تبدیل شود.

و زمانی که جریان پایه حذف می‌شود و ولتاژ پایه به مقدار منفی کمی کاهش می‌یابد، از کار می‌افتد.

با اینکه از جریان پایه کوچک بهره می‌برد، قادر به حمل جریان بسیار بالاتر از‌طریق مسیر collector – ساطع‌کننده است.

دیود قدرت

یک دیود می‌تواند عملیات کلیدزنی را بین حالات امپدانس بالا و پایین خود انجام دهد.

مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون و ژرمانیم برای ساخت دیودها به کار می‌روند.

معمولاً دیودهای انرژی با استفاده از سیلیکون ساخته می‌شوند تا دستگاه در جریان‌های بالاتر و دمای اتصالات بالاتر کار کند.

اینها با اتصال مواد نیمه هادی نوع p و n به یکدیگر ساخته می شوند تا اتصالات PN را تشکیل دهند. این دو پایانه  به نام های آند و کاتد دارد.

هنگامی که آند با توجه به کاتد و با استفاده از ولتاژ بیشتر از سطح آستانه مثبت شود ، اتصال PN به صورت مغرضانه پیش می رود و شروع به انجام می کند (مانند سوئیچ ON).

هنگامی که ترمینال کاتد با‌توجه به آند مثبت شود‌،‌اتصال PN معکوس مغرضانه است و جریان آنرا مسدود می‌کند‌(مانند سوئیچ OFF).

ماسفت

ترانزیستور اثر میدان الکتریکی (MOSFET)یک دستگاه سوییچینگ تک قطبی و فرکانس بالا است.

این رایج‌ترین وسیله سوییچینگ مورد استفاده برای کاربردهای الکترونیک قدرت است.

این دستگاه دارای سه ترمینال یعنی تخلیه (خروجی)، منبع (مشترک)و گیت (ورودی)است.

این یک وسیله کنترل ولتاژ است.

به عنوان مثال،

با‌ کنترل ولتاژ ورودی‌(گیت به منبع)،‌مقاومت بین‌مجرای‌سرریز و منبع‌کنترل می‌شود که به‌وسیله آن حالت روشن و خاموش دستگاه‌را مشخص می‌کند.

MOSFET‌ها می‌توانند یک دستگاه P-channel یا N-channel باشند.‌N-channel MOSFET با استفاده از VGS مثبت با توجه به منبع تنظیم می‌شود

(به شرط آنکه VGS از ولتاژ آستانه بیشتر باشد).

کانال P-MOSFET به روشی مشابه از کانال N N-MOSFET عمل می کند اما از قطبیت معکوس ولتاژها استفاده می کند.

هر دو VGS و VDD با توجه به منبع منفی برای روشن کردن کانال P-MOSFET منفی هستند.

IGBT

IGBT (عایق دروازه دو قطبی ترانزیستور)‌چندین مزیت ترانزیستور قدرت اتصال دو قطبی و MOSFET قدرت را با هم ترکیب می‌کند.

مانند MOSFET ،‌یک دستگاه کنترل ولتاژ است و افت ولتاژ حالت ON (پایین تر از MOSFET و نزدیک ترانزیستور برق)‌دارد.

این یک دستگاه تعویض سرعت بالا نیمه هادی سه ترمینال است. این پایانه‌ها emitter ، جمع کننده و دروازه هستند.

مشابه با MOSFET، IGBT می‌تواند با اعمال یک ولتاژ مثبت (بیشتر از ولتاژ آستانه)بین گیت و امیتر روشن شود.

IGBT را می توان با کاهش ولتاژ در سراسر گیت – امیتر به صفر تغییر داد.

در‌اغلب موارد به ولتاژ منفی نیاز است تا تلفات خاموش‌شده را کاهش داده و به‌طور ایمن IGBT را خاموش کند.

SCR

یک یکسوساز کنترل‌شده سیلیکون (SCR)به طور گسترده از دستگاه سوییچینگ سرعت بالا برای کاربردهای کنترل توان استفاده می‌شود.

این یک وسیله یک سویه به عنوان یک دیود، متشکل از سه ترمینال، یعنی آند، کاتد و دروازه است.

SCR با کنترل ورودی و شرایط بایاس بودن پایانه های آند و کاتد روشن و خاموش می شود.

SCR از چهار لایه P و N متناوب تشکیل شده است به گونه ای که مرزهای هر لایه اتصالات J1 ، J2 و J3 را تشکیل می دهد.

TRIAC

سوییچ Triac‌(یا triode AC)یک دستگاه سوییچینگ دو‌طرفه است که یک‌مدار معادل دو‌برگشت به اتصال SCRs با یک پایانه گیت است.

توانایی آن برای کنترل قدرت AC در هر دو قله مثبت و منفی موج ولتاژ اغلب باعث می‌شود که این دستگاه‌ها در کنترل‌کننده سرعت موتور، کنترل نور، سیستم‌های کنترل فشار، درایوهای موتور و دیگر تجهیزات کنترل AC مورد استفاده قرار گیرند.

DIAC

یک DIAC‌(یا سوئیچ دیود AC)‌دستگاه تعویض دو‌طرفه است و از‌دو‌ترمینال تشکیل شده‌است که به عنوان آند و کاتد نامگذاری نشده‌اند.

این بدان معناست که یک DIAC بدون توجه به شناسایی ترمینال در هر دو جهت قابل اجرا است.

این نشان می دهد که از DIAC می توان در هر جهت استفاده کرد.

هنگامی که یک ولتاژ در یک DIAC اعمال می شود ، در حالت مسدود کردن به جلو یا مسدود کردن معکوس عمل می کند ، مگر اینکه ولتاژ اعمال شده از ولتاژ ضریب کمتر باشد.

هنگامی که ولتاژ بیشتر از ولتاژ breakover افزایش یابد ، نازل جدا می شود و دستگاه شروع به کار می‌کند.

تریستور خاموش کردن گیت

GTO (Gate Turn Thyristor) دستگاه تعویض نیمه هادی دو قطبی است.

دارای سه پایانه به عنوان آند ، کاتد و دروازه است.

همانطور که از نام آن پیداست ، این دستگاه سوئیچینگ قادر است از طریق پایانه دروازه خاموش شود.

یک GTO با اعمال یک‌جریان گیت مثبت کوچک در‌حالت هدایت روشن می‌شود و با‌یک پالس منفی به گیت خاموش می‌شود.

نماد GTO شامل پیکان دوگانه در پایانه گیت است که جریان دو‌سویه جریان از طریق پایانه گیت را نشان می‌دهد.

برای مشاهده مطالب خازن ها اینجا را کلیک کنید.