4.4-Comutatoare.pdf

www.circuiteelectrice.ro Electronic digital Comutatoare

40

4 Comutatoare

4.1 Tipuri de comutatoare

Un comutator este un dispozitiv electric, de obicei electromecanic, folosit pentru a controla continuitatea

electric dintre dou puncte distincte

Comutatoarele manuale sunt acionate de operatori umani

Comutatoarele de limitare sunt acionate de poziia elementelor mecanice

Comutatoarele de proces sunt acionate de variaia unei anumite variabile fizice de proces, precum

temperatur, presiune, nivel, etc.

4.1.1 Definiia i scopul comutatorului electric

Un comutator electric este orice dispozitiv folosit pentru ntreruperea deplasrii electronilor prin circuit.

Comutatoarele sunt practic dispozitive binare: fie sunt complet nchise, fie complet deschise. Exist o multitudine

de tipuri de comutatoare. Vom prezenta cteva din ele mai jos.

Dei pare ciudat s prezentm acest subiect elementar aa de trziu, n capitolele urmtoare vom explora un

domeniu mai vechi al tehnologiei digitale. Aceasta din urm se bazeaz pe contacte realizate cu ajutorul

comutatoarelor mecanice i nu pe circuite digitale cu pori. Prezentarea ambelor metode conduce la o mai bun

nelegere a subiectului de fa. Acest lucru ne va fi de folos atunci cnd vom nv despre algebra boolean,

matematica din spatele circuitelor logice digitale.

Cel mai simplu tip de comutator este acela n care contactul dintre doi conductori electrici se realizeaz prin

acionarea unui mecanism de deplasare. Exist i comutatoare mult mai complexe, comutatoare coninnd circuite

electronice capabile s nchid sau s deschid circuitul n funcie de un stimul fizic (precum lumin sau cmp

magnetic). Indiferent de caz, rezultatul final al unui comutator este o pereche de terminali ce vor fi conectai prin

intermediul mecanismului intern al aparatului (comutator nchis), fie vor fi separai (comutator deschis).

Orice comutator proiectat s fie folosit de ctre un operator uman, poart numele de comutator manual.

Exist mai multe tipuri de astfel de comutatoare.

4.1.2 Comutator basculant

http://www.circuiteelectrice.ro/


41

Fig. 4-1 comutator basculant; simbol

Aceste tipuri de comutatoare sunt acionate cu ajutorul unei manete. Aceast manet se poate regsi ntr-

una dintre cele dou sau mai multe poziii disponibile (n funcie de tip). Comutatorul obinuit folosit pentru

aprinderea i stingerea luminii n cas, este un bun exemplu de comutator basculant. Majoritatea comutatoarelor

basculante se pot regsi n oricare dintre poziii. Unele comutatoare sunt ns echipate cu un mecanism intern prin

intermediul cruia maneta revine tot timpul ntr-o poziie normal, bine stabilit. n acest ultim caz, funcionarea

(nchiderea sau deschiderea circuitului, n funcie de caz) comutatorului se face doar pentru o perioad scurt de

timp, dup care acesta revine la poziie iniial.

4.1.3 Comutator buton

Fig. 4-2 comutator buton; simbol

Comutatoarele buton sunt dispozitive bi-poziionale acionate prin intermediul unui buton care este apsat

iar apoi eliberat. Majoritatea butoanelor posed un mecanism intern prin care butonul se rentoarce la poziia sa

iniial (ne-apsat sau eliberat). Prin urmare, acest dispozitiv funcioneaz doar pe perioada n care butonul este

apsat, revenind apoi la poziia sa iniial. Un bun exemplu de astfel de comutator este butonul de pornire al

calculatorului, sau de chemare al liftului. Dup apsare, acestea revin la poziia iniial.

Unele comutatoare pot rmne n poziia apsat pn cnd acesta este tras napoi. Aceste tipuri de

comutatoare sunt prevzute cu un buton de tip ciuperc pentru uurarea aciunii.

4.1.4 Comutator selector

Fig. 4-3 comutator selector; simbol



42

Comutatoarele selectoare sunt acionate prin intermediul unui buton rotativ pentru selectarea uneia sau a

mai multor poziii. La fel ca i comutatoarele basculante, acestea se pot regsi n oricare dintre poziii, sau pot

conine mecanisme pentru funcionarea de scurt durat (revenirea la poziia normal).

4.1.5 Comutator joystick

Fig. 4-4 comutator joystick; simbol

Un comutator joystick este acionat prin intermediul unei manete cu un grad de libertate sporit. n funcie

de direcia de deplasare a manetei, exist unul sau mai multe mecanisme de contact ce intr n aciune. Cteodat,

acest lucru depinde i de distana de deplasare a manetei. Cercul i punctul din simbolul comutatorului indic

direcia de deplasare a manetei pentru acionarea contactului. Aceste tipuri de comutatoare sunt folosite de obicei

pentru macarale i pentru control industrial.

4.1.6 Comutatoare de limitare

Unele comutatoare sunt special concepute pentru acionarea lor nu de ctre un operator uman, ci de ctre

micarea unui dispozitiv mecanic. Aceste comutatoare de micare poart numele de comutatoare de limitare,

datorit faptului c sunt folosite pentru limitarea deplasrii unei maini. Acest lucru se realizeaz prin ntreruperea

alimentrii unui anumit component, dac acesta se deplaseaz prea departe. La fel ca n cazul comutatoarelor

manuale, exist mai multe tipuri de comutatoare de limitare.

4.1.7 Comutator de limitare cu manet

Fig. 4-5 comutator de limitare cu manet; simbol

Aceste limitatoare sunt asemntoare comutatoarelor basculante sau selectoare. n cazul acestora ns,

maneta este acionat de un dispozitiv mecanic, i nu de ctre un operator uman.



43

4.1.8 Comutator de proximitate

Fig. 4-6 comutator de proximitate; simbol

Comutatoarele de proximitate detecteaz apropierea unei pri metalice, fie prin intermediul unui cmp

magnetic, fie prin intermediul unui cmp electromagnetic de frecven nalt. Comutatoarele de proximitate simple

utilizeaz un magnet permanent pentru acionarea unui mecanism ntreruptor atunci cnd componenta metalic se

apropie prea mult (2-3 cm). Comutatoarele de proximitate mai complexe funcioneaz asemenea unui detector de

metale, alimentnd o bobin cu un curent de frecven nalt i msurnd electronic amplitudinea acelui curent.

Dac o component metalic (nu neaprat magnetic) se apropie prea mult de bobin, curentul va crete i va

aciona mecanismul de monitorizare a circuitului. Simbolul alturat este al unui comutator de proximitate de tip

electronic, indicat prin romb. Simbolul unui dispozitiv non-electric este acelai cu simbolul comutatorului de

limitare cu manet.

O alt variant a comutatorului de proximitate o reprezint comutatorul optic. Acesta este compus dintr-o

surs de lumin i un element fotosensibil. Poziia elementului mecanic este detectat prin ntreruperea sau reflexia

undei de lumin. Comutatoarele optice sunt folosite n aplicaii de siguran, unde o surs de lumin poate fi

folosit pentru detectarea intrrii persoanelor neautorizate ntr-o zon periculoas.

4.1.9 Comutatoare de proces

n multe aplicaii industriale, este necesar o monitorizare a diferitelor mrimi fizice cu ajutorul

comutatoarelor. Astfel de dispozitive pot fi folosite pentru pornirea unei alarme, indicnd faptul c variabila de

proces a depit parametrii normali de funcionare. Sau pot fi folosite pentru oprirea proceselor sau a

echipamentelor dac acele variabile au atins un nivel periculos sau distructiv. Desigur, exist mai multe variante de

astfel de comutatoare de proces, prezentate mai jos.

4.1.10 Comutator de vitez

http://www.circuiteelectrice.ro/http://www.circuiteelectrice.ro/curent-continuu/electromagnetism/magneti-permanentihttp://www.circuiteelectrice.ro/curent-continuu/electromagnetism/magneti-permanentihttp://www.circuiteelectrice.ro/curent-continuu/electromagnetism/magneti-permanenti


44

Fig. 4-7 comutator de vitez; simbol

Aceste comutatoare pot detecta viteza de rotaie a unui ax prin intermediul unui mecanism montat pe

acesta. Desigur, acest lucru este de preferat a se realiza fr un contact fizic ntre ax i comutator, caz n care

detecia se realizeaz optic sau magnetic.

4.1.11 Comutator de presiune

Fig. 4-8 comutator de presiune; simbol

Presiunea gazului sau a lichidului poate fi utilizat pentru acionarea unui mecanism de comutare. Aceast

presiune trebuie s fie aplicat unui piston sau unei diafragme, care la rndul ei va converti presiunea n for

mecanic.

4.1.12 Comutator de temperatur

Fig. 4-9 comutator de temperatur; simbol

Un mecanism relativ ieftin de detectare a temperaturii const dintr-o band bimetalic: o band subire

format din dou metale diferite poziionate spate-n-spate. Fiecare metal posed un coeficient de dilatare termic

diferit. Aceast dilatare termic nu este altceva dect tendina corpurilor de a-i crete volumul n urma variaiei

temperaturii (de obicei n urma creterii acesteia, dar exist i excepii). Fenomenul opus poart numele de

contracie termic.



45

Atunci cnd banda se rcete sau se nclzete, coeficienii de dilatare diferii ale celor dou metale

cauzeaz curbarea acestei benzi. Curbarea benzii poate fi folosit apoi pentru acionarea unui mecanism de

comutare.

Alte comutatoare de temperatur utilizeaz un bec de alam umplut fie cu gaz fie cu lichid, i un tub ce

conecteaz acest bec de un comutator de presiune. Pe msur de becul este nclzit, volumul gazului sau al

lichidului crete, genernd o cretere de presiune care mai apoi acioneaz mecanismul de comutare.

4.1.13 Comutator de nivel

Fig. 4-10 comutator de nivel; simbol

Un obiect plutitor poate fi folosit pentru acionarea unui mecanism atunci cnd nivelul de lichid dintr-un

bazin trece peste o anumit limit. Dac lichidul este conductor din punct de vedere electric, acesta poate fi folosit

ca i conductor pentru nchiderea circuitului dintre dou sonde metalice. Acestea sunt plasate n bazin la adncimea

corespunztoare. n majoritatea cazurilor ns, acest lucru nu este practic, ba mai mult, este chiar periculos.

Acest tip de comutatoare poate fi folosit i pentru detectarea nivelului materialelor solide, precum rumegu,

gru, crbune sau plante furajere. O metod des ntlnit pentru aceast aplicaie este utilizarea unei mici roi cu

pale metalice sau din lemn, plasat n interiorul recipientului la nlimea dorit. Aceast roat este conectat la un

motor electric ce o rotete cu o anumit vitez. Atunci cnd recipientul este umplut cu material solid pn la acel

nivel, materialul blocheaz roata i mpiedic rotirea ei. Rspunsul motorului este cel care acioneaz mecanismul

de comutare.

O alt metod utilizeaz un diapazon (instrument format dintr-o bar metalic n form de U, ce vibreaz la

lovire). Acesta este introdus n recipient din exterior, la nlimea dorit. Diapazonul este supus unei vibraii la

frecvena de rezonan prin intermediul unui circuit electronic i un magnet/electromagnet. Cnd materialul solid

trece de nlimea la care este montat diapazonul, vibraiile acestuia vor fi atenuate. Aceast modificare a

amplitudinii vibraiilor i/sau frecvenei este detectat de circuitul electronic.

4.1.13.1 Comutator nuclear



46

Fig. 4-11 comutator nuclear de nivel; simbol

O ultim metod de realizare a unui comutator de nivel pe care o lum aici n considerare, o reprezint

comutatorul nuclear. Acesta este compus dintr-un material radioactiv ca i surs i un detector de radiaie. Ambele

elemente sunt montate n lungul diametrului recipientului pentru lichid sau pentru material solid. Dac nlimea

materialului trece de nivelul mecanismului surs/detector, acesta va atenua puterea recepionat de detectorul de

radiaie. Aceast descretere a radiaiei pe detector poate fi folosit pentru acionarea unui mecanism de comutare,

fie pentru msurarea nivelului, fie pentru declanarea unei alarme sau chiar i pentru controlul nivelului din

recipient.

Att sursa ct i detectorul sunt montate n exteriorul recipientului, singurele elemente ce ptrund n interior

sunt radiaiile. Sursele de radiaie sunt extrem de slabe i nu prezint niciun risc imediat operatorilor sau

personalului de ntreinere.

4.1.14 Comutator de curgere

Fig. 4-12 comutator de curgere; simbol

Introdus ntr-o conduct, un comutator de curgere va detecta viteza de curgere a unui gaz sau a unui lichid.

n momentul n care aceast vitez depete o anumit limit, se va aciona mecanismul de comutare. De obicei se

folosesc pale sau aripi ce sunt mpinse de curgerea substanei respective. O metod alternativ const n detectarea

cderii de presiune pe o anumit poriune a conductei.

4.1.15 Observaie



47

Desigur, exist tot timpul mai multe metode de implementare a unui comutator pentru monitorizarea sau

controlul unui proces fizic. De obicei nu exist un singur comutator perfect pentru nicio aplicaie, dei unele

prezint cteva avantaje clare fa de altele. Comutatoarele trebuie alese inteligent n funcie de aplicaia n cauz.

Acest lucru va determina funcionarea lor eficient i sigur n orice mprejurare

4.2 Poziia normal a contactelor

Poziia normal a contactelor este poziia n care acestea se regsesc atunci cnd nu sunt conectate nc n

circuit

Contactele deschise n poziia normal poart numele de contacte normal-deschise

Contactele nchise n poziia normal poart numele de contacte normal-nchise

4.2.1 Contacte normal-nchise i normal-deschise

Orice tip de comutator poate fi proiectat astfel nct contactele sale s se nchid (stabilirea continuitii

circuitului), sau s se deschid (ntreruperea continuitii), atunci cnd este acionat. Pentru comutatoarele

prevzute cu un mecanism de re-ntoarcere la poziia iniial, direcia de re-ntoarcere a comutatorului, atunci cnd

nu este aplicat nicio for extern, poart numele de poziie normal. Prin urmare, contactele ce sunt deschise n

poziia normal, poart numele de normal-deschise. Contactele ce sunt nchise n poziia normal, poart numele

de normal-nchise.

Pentru comutatoarele de proces, poziia normal, este acea poziie n care nu exist nicio influen de

proces asupra comutatorului. O metod simpl de determinare a poziiei normale a unui comutator de proces,

const n determinarea poziiei comutatorului atunci cnd acesta nu a fost nc instalat (se afl nc n cutie).

4.2.2 Exemple de utilizare

S lum cteva exemple de poziii normale de proces. Comutator de vitez: axul este staionar; comutator

de presiune: presiunea aplicat este zero; comutator de temperatur: temperatur ambiental (temperatura camerei);

comutator de nivel: recipient gol; comutator de curgere: viteza de curgere a lichidului este zero.

Este important s facem diferena ntre poziia normal a comutatorului i funcionarea sa normal ntr-

un proces. S considerm exemplul unui comutator de curgere ce este utilizat pentru semnalizarea (pe cale sonor

sau vizual) scderii debitului de ap dintr-un sistem de rcire. Funcionarea normal a sistemului de rcire const

ntr-un debit constant i suficient de lichid de rcire prin conducte. S presupunem c urmrim nchiderea



48

contactelor comutatorului n cazul pierderii de lichid de rcire (pentru completarea unui circuit electric ce activeaz

alarma vizual sau auditiv, de exemplu). n acest caz, va trebui s folosim un comutator de curgere cu contacte n

poziia normal-nchis i nu n poziia normal-deschis. n momentul n care exist un debit normal i suficient de

lichid prin conducte, contactele comutatorului rmn n poziia deschis. Atunci cnd debitul lichidului scade sub un

anumit nivel critic, contactele se re-ntorc n poziia lor normal, i anume, normal-nchis.

Gndii-v tot timpul la starea normal a unui comutator ca la acea stare n care se regsete dispozitivul

cnd nu este introdus n sistem (este nc n magazin, de exemplu).

4.2.3 Simbolul contactelor

Fig. 4-13 simbolul comutatorului tip buton n poziia normal-deschis, respectiv normal-nchis

Simbolul comutatoarelor este diferit n funcie de scopul i de modul de acionare. Un comutator normal-

deschis este reprezentat n aa fel nct s reprezinte un contact deschis, care n momentul acionrii s se nchid.

Invers, un comutator normal-nchis este reprezentat ca i un contact nchis ce se deschide la acionarea

dispozitivului. Alturat este reprezentat simbolul comutatorului tip buton n poziia normal-deschis, respectiv

normal-nchis.

Fig. 4-14 simbolul general al comutatorului n poziie normal-deschis, respectiv normal-nchis

Exist de asemenea un simbol generic pentru poziia oricrui tip de comutator, fie normal-deschis, fie

normal-nchis, asemeni figurii alturate. Comutatorul din stnga se nchide cnd este acionat i este deschis n

poziia normal (atunci cnd nu este acionat din exterior). Comutatorul din dreapta se deschide cnd este acionat

i este nchis n poziia sa normal (cnd nu este acionat). Dac se folosesc astfel de simboluri pentru reprezentarea

comutatoarelor, tipul acestora este de obicei trecut n vecintatea simbolului, n cuvinte.

Atenie, nu confundai simbolul (n figura de mai sus) cu simbolul condensatorului. n cazul n care se

dorete reprezentarea unui condensator ntr-un circuit logic, se va folosi simbolul de jos:



49

Fig. 4-15 simbolul condensatorului folosit n circuitele logice digitale

n electronica standard, acest simbol este rezervat condensatoarelor polarizate. n circuitele logice digitale,

acest simbol este folosit pentru orice tip de condensator, chiar i n situaia cnd condensatorul nu este un

condensator polarizat.

4.2.4 Secvena realizrii contactelor

n cazul comutatoarelor cu mai multe poziii, trebuie luat n considerare i modul de deschidere i de

nchidere a contactelor, pe msur ce selectorul se deplaseaz de pe o poziie pe alta.

4.2.4.1 Comutator cu ntrerupere

Fig. 4-16 comutator cu ntrerupere; realizarea contactelor

Selectorul comutatorului din figura alturat realizeaz contactul (nchiderea circuitului) ntr-una din cele

cinci poziii diferite. Poziiile sunt numerotate de la 1 la 5. Configuraia cea mai des ntlnit a unui comutator cu

pas reglabil, este aceea n care contactul cu o anumit poziie este deschis nainte de realizarea contactului

(nchiderea contactului) cu poziia urmtoare. Sub aceast configuraie, comutatorul este cunoscut sub numele de

comutator cu ntrerupere.

Ca i exemplu, s presupunem cazul n care comutatorul se afl pe poziia 3. Dac selectorul este ntors n

sensul acelor de ceasornic, acesta va deschide contactul 3, deschiznd practic circuitul, i se va deplasa ntre poziia

3 i 4. n acest moment, ambele circuite (3 i 4) sunt deschise, ambele contacte fiind deschise. Dac se continu

deplasarea selectorului n sensul acelor de ceasornic, se va ajunge n poziia 4, moment n care contactul se nchide.

4.2.4.2 Comutator cu suprapunere



50

Fig. 4-17 comutator cu suprapunere (comutator fr ntrerupere); realizarea contactelor

Exist ns situaii n care nu este permis n nicio clip deschiderea complet a circuitului ataat

selectorului. Pentru astfel de aplicaii, exist o alt variant de comutator, denumit comutator cu suprapunere, sau

comutator fr ntrerupere. n acest caz, selectorul nu deschide circuitul precedent nainte de realizarea contactului

cu circuitul urmtor (n sensul de rotire). n exemplu precedent, contactul 4 este realizat naintea deschiderii

contactului 3. Compromisul const n faptul c circuitul trebuie s poat tolera asemenea contacte adiacente

realizata simultan (1 cu 2, 2 cu 3, 3 cu 4 i 4 cu 5).

4.2.5 Comutatoare multipolare

Cnd contactul(e) mobil poate fi adus pe unul dintre contactele fixe, acele poziii sunt denumite direcii.

Numrul contactelor mobile poart numele de poli. Ambele comutatoare prezentate mai sus cu un contact mobil i

cinci contacte staionare pot fi desemnate ca i comutatoare monopolare cu cinci direcii.

Fig. 4-18 comutator bipolar cu cinci direcii

S presupunem c dou comutatoare bipolare cu cinci direcii sunt legate mpreun, astfel nct ele s fie

acionate prin intermediul aceluiai mecanism. ntregul dispozitiv astfel format poart numele de comutator bipolar

cu cinci direcii. Simbolul unui astfel de comutator este prezentat n figura alturat. De menionat c linia



51

ntrerupt trasat ntre cele dou selectoare, desemneaz faptul c acestea sunt acionate simultan de acelai

mecanism extern. S lum i alte exemple de comutatoare:

Fig. 4-19 comutator monopolar cu o direcie

Fig. 4-20 comutator bipolar cu o direcie

Fig. 4-21 comutator monopolar cu dou direcii

Fig. 4-22 comutator bipolar cu dou direcii

Fig. 4-23 comutator cvadripolar cu patru direcii


4.4-Comutatoare.pdf

Documents

Transcript of 4.4-Comutatoare.pdf