En ingeniería eléctrica , un interruptor es un componente eléctrico que puede desconectar o conectar la ruta conductora en un circuito eléctrico , interrumpiendo la corriente eléctrica o desviándola de un conductor a otro. [1] [2] El tipo más común de interruptor es un dispositivo electromecánico que consiste en uno o más conjuntos de contactos eléctricos móviles conectados a circuitos externos. Cuando un par de contactos está en contacto, la corriente puede pasar entre ellos, mientras que cuando los contactos están separados no puede fluir corriente.
Los interruptores se fabrican en muchas configuraciones diferentes; pueden tener múltiples conjuntos de contactos controlados por la misma perilla o actuador, y los contactos pueden operar de manera simultánea, secuencial o alternada. Un interruptor puede operarse manualmente, por ejemplo, un interruptor de luz o un botón de teclado, o puede funcionar como un elemento sensor para detectar la posición de una pieza de una máquina, el nivel de líquido, la presión o la temperatura, como un termostato . Existen muchas formas especializadas, como el interruptor de palanca , el interruptor giratorio , el interruptor de mercurio , el interruptor pulsador , el interruptor inversor , el relé y el disyuntor . Un uso común es el control de la iluminación, donde se pueden conectar múltiples interruptores en un circuito para permitir un control conveniente de los artefactos de iluminación. Los interruptores en circuitos de alta potencia deben tener una construcción especial para evitar la formación de arcos destructivos cuando se abren.
La forma más conocida de interruptor es un dispositivo electromecánico operado manualmente con uno o más conjuntos de contactos eléctricos , que están conectados a circuitos externos. Cada conjunto de contactos puede estar en uno de dos estados: "cerrado", lo que significa que los contactos están en contacto y la electricidad puede fluir entre ellos, o "abierto", lo que significa que los contactos están separados y el interruptor no conduce. El mecanismo que acciona la transición entre estos dos estados (abierto o cerrado) es generalmente (hay otros tipos de acciones) de tipo " acción alterna " (activar o desactivar el interruptor de forma continua) o " momentánea " (presionar para "encender" y soltar para "apagar").
Un interruptor puede ser manipulado directamente por un humano como una señal de control para un sistema, como un botón del teclado de una computadora, o para controlar el flujo de energía en un circuito, como un interruptor de luz . Los interruptores operados automáticamente se pueden usar para controlar los movimientos de las máquinas, por ejemplo, para indicar que una puerta de garaje ha alcanzado su posición de apertura total o que una máquina herramienta está en condiciones de aceptar otra pieza de trabajo. Los interruptores pueden ser operados por variables de proceso como presión, temperatura, flujo, corriente, voltaje y fuerza, actuando como sensores en un proceso y utilizados para controlar automáticamente un sistema. Por ejemplo, un termostato es un interruptor operado por temperatura que se usa para controlar un proceso de calentamiento. Un interruptor que es operado por otro circuito eléctrico se llama relé . Los interruptores grandes pueden ser operados de forma remota por un mecanismo de accionamiento de motor. Algunos interruptores se utilizan para aislar la energía eléctrica de un sistema, proporcionando un punto visible de aislamiento que se puede bloquear con candado si es necesario para evitar el funcionamiento accidental de una máquina durante el mantenimiento o para evitar una descarga eléctrica.
Un interruptor ideal no tendría caída de tensión cuando está cerrado y no tendría límites de tensión o corriente nominal. No tendría tiempo de subida ni de bajada durante los cambios de estado y cambiaría de estado sin "rebotar" entre las posiciones de encendido y apagado.
Los interruptores prácticos no alcanzan este ideal; como resultado de la rugosidad y las películas de óxido, presentan resistencia de contacto , límites en la corriente y el voltaje que pueden manejar, tiempo de conmutación finito, etc. El interruptor ideal se utiliza a menudo en el análisis de circuitos, ya que simplifica en gran medida el sistema de ecuaciones a resolver, pero esto puede conducir a una solución menos precisa. El tratamiento teórico de los efectos de las propiedades no ideales es necesario en el diseño de grandes redes de interruptores, como por ejemplo los utilizados en las centrales telefónicas.
En el caso más simple, un interruptor tiene dos piezas conductoras, a menudo metálicas , llamadas contactos , conectadas a un circuito externo, que se tocan para completar (hacer) el circuito y se separan para abrir (interrumpir) el circuito. El material de contacto se elige por su resistencia a la corrosión, porque la mayoría de los metales forman óxidos aislantes que evitarían que el interruptor funcione. Los materiales de contacto también se eligen en función de la conductividad eléctrica , la dureza (resistencia al desgaste abrasivo), la resistencia mecánica, el bajo coste y la baja toxicidad. La formación de capas de óxido en la superficie de contacto, así como la rugosidad de la superficie y la presión de contacto, determinan la resistencia de contacto y la corriente de humectación de un interruptor mecánico. A veces, los contactos están recubiertos con metales nobles , por su excelente conductividad y resistencia a la corrosión. Pueden estar diseñados para frotarse entre sí para limpiar cualquier contaminación. A veces se utilizan conductores no metálicos, como el plástico conductor. Para evitar la formación de óxidos aislantes, se puede especificar una corriente de humectación mínima para un diseño de interruptor determinado.
En electrónica, los interruptores se clasifican según la disposición de sus contactos. Se dice que un par de contactos está " cerrado " cuando puede fluir corriente de uno al otro. Cuando los contactos están separados por un espacio de aire aislante , se dice que están " abiertos " y no puede fluir corriente entre ellos a voltajes normales. Los términos " cerrar " para el cierre de contactos y " romper " para la apertura de contactos también se utilizan ampliamente.
Los términos polo y tiro también se utilizan para describir las variaciones de contacto del interruptor. El número de " polos " es el número de interruptores eléctricamente separados que están controlados por un único actuador físico. Por ejemplo, un interruptor "de 2 polos " tiene dos conjuntos de contactos separados y paralelos que se abren y cierran al unísono a través del mismo mecanismo. El número de " tiros " es el número de opciones de ruta de cableado independientes distintas de "abrir" que el interruptor puede adoptar para cada polo. Un interruptor de un solo tiro tiene un par de contactos que pueden estar cerrados o abiertos. Un interruptor de dos tiros tiene un contacto que se puede conectar a cualquiera de otros dos contactos, un interruptor de tres tiros tiene un contacto que se puede conectar a uno de otros tres contactos, etc. [3]
En un interruptor en el que los contactos permanecen en un estado a menos que se accionen, como un interruptor pulsador , los contactos pueden estar normalmente abiertos (abreviado " no " o " no ") hasta que se cierran mediante la operación del interruptor, o normalmente cerrados (" nc " o " nc ") [nb 1] y abiertos por la acción del interruptor. Un interruptor con ambos tipos de contacto se denomina interruptor de conmutación o interruptor de doble tiro . Estos pueden ser de " cierre antes de corte " (" MBB " o cortocircuito) que conecta momentáneamente ambos circuitos, o pueden ser de " corte antes de cierre " (" BBM " o sin cortocircuito) que interrumpe un circuito antes de cerrar el otro.
Estos términos han dado lugar a abreviaturas para los tipos de interruptores que se utilizan en la industria electrónica , como " unipolar, de una sola dirección " (SPST) (el tipo más simple, "encendido o apagado") o " unipolar, de dos direcciones " (SPDT), que conecta cualquiera de los dos terminales al terminal común. En el cableado eléctrico (es decir, el cableado de casas y edificios realizado por electricistas ), los nombres generalmente incluyen el sufijo "-way" ; sin embargo, estos términos difieren entre el inglés británico y el inglés estadounidense (es decir, los términos two way y three way se utilizan con diferentes significados).
Los interruptores con mayor número de polos o de recorridos se pueden describir reemplazando la "S" o la "D" por un número (por ejemplo, 3PST, SP4T, etc.) o, en algunos casos, la letra "T" (para "triple") o la "Q" (para "cuádruple"). En el resto de este artículo se utilizarán los términos SPST , SPDT e intermedio para evitar la ambigüedad.
El rebote de contacto (también llamado vibración ) es un problema común en interruptores mecánicos, relés y contactos de batería , que surge como resultado de fenómenos de resistencia de contacto eléctrico (ECR) en las interfaces. Los contactos de interruptores y relés generalmente están hechos de metales elásticos. Cuando los contactos chocan entre sí, su momento y elasticidad actúan juntos para hacer que reboten una o más veces antes de hacer contacto estable. El resultado es una corriente eléctrica pulsada rápidamente en lugar de una transición limpia de cero a corriente completa. El efecto generalmente no es importante en circuitos de potencia, pero causa problemas en algunos circuitos analógicos y lógicos que responden lo suficientemente rápido como para malinterpretar los pulsos de encendido y apagado como un flujo de datos. [5] En el diseño de microcontactos, controlar la estructura de la superficie ( rugosidad de la superficie ) y minimizar la formación de capas pasivadas en superficies metálicas son fundamentales para inhibir la vibración.
En el órgano Hammond , varios cables se presionan juntos debajo de las teclas del piano de los manuales. Su rebote y el cierre no sincronizado de los interruptores se conoce como Hammond Click y existen composiciones que utilizan y enfatizan esta característica. Algunos órganos electrónicos tienen una réplica conmutable de este efecto de sonido. [6]
Los efectos del rebote de contacto se pueden eliminar mediante:
Todos estos métodos se denominan "antirrebote".
Cuando la potencia que se conmuta es suficientemente grande, el flujo de electrones a través de los contactos de apertura del interruptor es suficiente para ionizar las moléculas de aire a través del pequeño espacio entre los contactos cuando se abre el interruptor, formando un plasma de gas , también conocido como arco eléctrico . El plasma tiene baja resistencia y es capaz de sostener el flujo de potencia, incluso con la distancia de separación entre los contactos del interruptor aumentando constantemente. El plasma también es muy caliente y es capaz de erosionar las superficies metálicas de los contactos del interruptor (lo mismo ocurre con los interruptores de vacío). La formación de arcos eléctricos provoca una degradación significativa de los contactos y también una interferencia electromagnética (EMI) significativa, lo que requiere el uso de métodos de supresión de arcos . [7]
Cuando el voltaje es suficientemente alto, también puede formarse un arco cuando se cierra el interruptor y se aproximan los contactos. Si el potencial de voltaje es suficiente para superar el voltaje de ruptura del aire que separa los contactos, se forma un arco que se mantiene hasta que el interruptor se cierra por completo y las superficies del interruptor hacen contacto.
En cualquier caso, el método estándar para minimizar la formación de arcos eléctricos y evitar daños en los contactos es utilizar un mecanismo de conmutación de movimiento rápido, que normalmente utiliza un mecanismo de punto de inflexión accionado por resorte para asegurar un movimiento rápido de los contactos del interruptor, independientemente de la velocidad a la que el usuario opere el control del interruptor. El movimiento de la palanca de control del interruptor aplica tensión a un resorte hasta que se alcanza un punto de inflexión y los contactos se abren o cierran repentinamente a medida que se libera la tensión del resorte.
A medida que aumenta la potencia que se conmuta, se utilizan otros métodos para minimizar o prevenir la formación de arcos. Un plasma está caliente y se elevará debido a las corrientes de aire de convección . El arco se puede apagar con una serie de cuchillas no conductoras que abarcan la distancia entre los contactos del interruptor y, a medida que el arco se eleva, su longitud aumenta a medida que forma crestas que se elevan hacia los espacios entre las cuchillas, hasta que el arco es demasiado largo para mantenerse y se extingue. Se puede utilizar un soplador para soplar una ráfaga repentina de gas a alta velocidad a través de los contactos del interruptor, lo que extiende rápidamente la longitud del arco para extinguirlo rápidamente.
Los interruptores de gran tamaño suelen tener contactos rodeados de algo que no sea aire para extinguir el arco más rápidamente. Por ejemplo, los contactos del interruptor pueden funcionar en vacío, sumergidos en aceite mineral o en hexafluoruro de azufre .
En el servicio de alimentación de CA, la corriente pasa periódicamente por cero; este efecto hace que sea más difícil mantener un arco al abrirse. Los fabricantes pueden clasificar los interruptores con menor voltaje o corriente nominal cuando se utilizan en circuitos de CC.
Cuando un interruptor está diseñado para conmutar una potencia significativa, se debe tener en cuenta el estado de transición del interruptor, así como la capacidad de soportar corrientes de funcionamiento continuas. Cuando un interruptor está en estado encendido, su resistencia es cercana a cero y se pierde muy poca potencia en los contactos; cuando un interruptor está en estado apagado, su resistencia es extremadamente alta y se pierde aún menos potencia en los contactos. Sin embargo, cuando se acciona el interruptor, la resistencia debe pasar por un estado en el que una cuarta parte de la potencia nominal de la carga [ cita requerida ] (o peor si la carga no es puramente resistiva) se pierde brevemente en el interruptor.
Por esta razón, los interruptores de potencia destinados a interrumpir una corriente de carga tienen mecanismos de resorte para garantizar que la transición entre encendido y apagado sea lo más corta posible independientemente de la velocidad a la que el usuario mueva el balancín.
Los interruptores de encendido suelen ser de dos tipos. Un interruptor de encendido y apagado momentáneo (como el de un puntero láser ) suele adoptar la forma de un botón y solo cierra el circuito cuando se presiona el botón. Un interruptor de encendido y apagado normal (como el de una linterna ) tiene una función de encendido y apagado constante. Los interruptores de doble acción incorporan ambas funciones.
Cuando se apaga una carga fuertemente inductiva , como un motor eléctrico , la corriente no puede caer instantáneamente a cero; una chispa saltará a través de los contactos de apertura. Los interruptores para cargas inductivas deben estar diseñados para manejar estos casos. La chispa causará interferencia electromagnética si no se suprime; una red amortiguadora de una resistencia y un condensador en serie sofocará la chispa. [8]
Cuando se enciende una lámpara incandescente , se genera una corriente de entrada de unas diez veces la corriente de estado estable; a medida que el filamento se calienta, su resistencia aumenta y la corriente disminuye hasta un valor de estado estable. Un interruptor diseñado para una carga de lámpara incandescente puede soportar esta corriente de entrada. [9]
La corriente de humectación es la corriente mínima que debe fluir a través de un interruptor mecánico mientras está en funcionamiento para romper cualquier película de oxidación que pueda haberse depositado en los contactos del interruptor. [10] La película de oxidación se produce a menudo en áreas con alta humedad . Proporcionar una cantidad suficiente de corriente de humectación es un paso crucial en el diseño de sistemas que utilizan interruptores delicados con poca presión de contacto como entradas de sensor. Si no se hace esto, los interruptores pueden permanecer eléctricamente "abiertos" debido a la oxidación de los contactos.
La parte móvil que aplica la fuerza de operación a los contactos se llama actuador , y puede ser un conmutador o una plataforma rodante , un balancín , un pulsador o cualquier tipo de vínculo mecánico (ver foto).
Un interruptor normalmente mantiene su posición establecida una vez que se lo opera. Un interruptor polarizado contiene un mecanismo que lo hace pasar a otra posición cuando un operador lo suelta. El interruptor pulsador momentáneo es un tipo de interruptor polarizado. El tipo más común es un interruptor "pulsar para hacer" (o normalmente abierto o NO), que hace contacto cuando se presiona el botón y se rompe cuando se suelta el botón. Cada tecla de un teclado de computadora, por ejemplo, es un interruptor "pulsar para hacer" normalmente abierto. Un interruptor "pulsar para romper" (o normalmente cerrado o NC), por otro lado, rompe el contacto cuando se presiona el botón y hace contacto cuando se suelta. Un ejemplo de un interruptor pulsador para romper es un botón que se usa para abrir una puerta que se mantiene cerrada por un electroimán . La lámpara interior de un refrigerador doméstico se controla mediante un interruptor que se mantiene abierto cuando la puerta está cerrada.
Un interruptor giratorio funciona con un movimiento giratorio de la manija de operación con al menos dos posiciones. Una o más posiciones del interruptor pueden ser momentáneas (desviadas con un resorte), lo que requiere que el operador mantenga el interruptor en la posición. Otras posiciones pueden tener un retén para mantener la posición cuando se libera. Un interruptor giratorio puede tener múltiples niveles o "plataformas" para permitirle controlar múltiples circuitos.
Un tipo de interruptor rotatorio consiste en un husillo o "rotor" que tiene un brazo de contacto o "radio" que sobresale de su superficie como una leva. Tiene una serie de terminales, dispuestos en un círculo alrededor del rotor, cada uno de los cuales sirve como contacto para el "radio" a través del cual se puede conectar cualquiera de varios circuitos eléctricos diferentes al rotor. El interruptor está dividido en capas para permitir el uso de múltiples polos, cada capa es equivalente a un polo. Por lo general, un interruptor de este tipo tiene un mecanismo de retención para que "haga clic" de una posición activa a otra en lugar de detenerse en una posición intermedia. Por lo tanto, un interruptor rotatorio proporciona mayores capacidades de polos y de desplazamiento que los interruptores más simples.
Otros tipos utilizan un mecanismo de leva para operar múltiples conjuntos independientes de contactos.
Los interruptores rotativos se utilizaron como selectores de canal en los receptores de televisión hasta principios de la década de 1970, como selectores de rango en equipos de medición eléctrica, como selectores de banda en radios multibanda y otros fines similares. En la industria, los interruptores rotativos se utilizan para controlar instrumentos de medición, aparamenta o en circuitos de control. Por ejemplo, una grúa aérea controlada por radio puede tener un interruptor rotativo multicircuito grande para transferir señales de control cableadas desde los controles manuales locales en la cabina a las salidas del receptor de control remoto.
Un interruptor de palanca o interruptor de tambor es una clase de interruptores eléctricos que se accionan manualmente mediante una palanca mecánica , una manija o un mecanismo de balanceo.
Los interruptores de palanca están disponibles en muchos estilos y tamaños diferentes y se utilizan en numerosas aplicaciones. Muchos están diseñados para proporcionar la activación simultánea de varios conjuntos de contactos eléctricos o el control de grandes cantidades de corriente eléctrica o voltajes de red .
La palabra "interruptor de palanca" hace referencia a un tipo de mecanismo o articulación que consta de dos brazos, que están casi alineados entre sí, conectados con un pivote en forma de codo. Sin embargo, la frase "interruptor de palanca" se aplica a un interruptor con un mango corto y una acción de resorte positiva, ya sea que contenga un mecanismo de palanca o no. De manera similar, un interruptor en el que se escucha un clic definitivo se denomina "interruptor de encendido y apagado positivo". [11] Un uso muy común de este tipo de interruptor es encender o apagar luces u otros equipos eléctricos. Múltiples interruptores de palanca pueden estar interconectados mecánicamente para evitar combinaciones prohibidas.
En algunos contextos, en particular en el ámbito informático , un interruptor de palanca, o la acción de alternar, se entiende en el sentido diferente de un interruptor mecánico o de software que alterna entre dos estados cada vez que se activa, independientemente de la construcción mecánica. Por ejemplo, la tecla de bloqueo de mayúsculas de una computadora hace que todas las letras se generen en mayúsculas después de presionarla una vez; al presionarla nuevamente, se vuelven a generar letras minúsculas.
Los interruptores pueden diseñarse para responder a cualquier tipo de estímulo mecánico: por ejemplo, vibración (el interruptor de vibración), inclinación, presión de aire, nivel de fluido (un interruptor de flotador ), el giro de una llave ( interruptor de llave ), movimiento lineal o rotatorio (un interruptor de límite o microinterruptor ), o presencia de un campo magnético (el interruptor de láminas ). Muchos interruptores se accionan automáticamente por cambios en alguna condición ambiental o por el movimiento de la maquinaria. Un interruptor de límite se utiliza, por ejemplo, en máquinas herramienta para interbloquear el funcionamiento con la posición adecuada de las herramientas. En sistemas de calefacción o refrigeración, un interruptor de vela garantiza que el flujo de aire sea adecuado en un conducto. Los interruptores de presión responden a la presión del fluido.
El interruptor de mercurio consiste en una gota de mercurio dentro de una ampolla de vidrio con dos o más contactos. Los dos contactos pasan a través del vidrio y se conectan mediante el mercurio cuando se inclina la ampolla para que el mercurio ruede sobre ellos.
Este tipo de interruptor funciona mucho mejor que el interruptor de inclinación de bola, ya que la conexión de metal líquido no se ve afectada por la suciedad, los residuos y la oxidación, humedece los contactos, lo que garantiza una conexión sin rebotes con muy baja resistencia, y el movimiento y la vibración no producen un mal contacto. Estos tipos se pueden utilizar para trabajos de precisión.
También se puede utilizar donde la formación de arcos eléctricos es peligrosa (como en presencia de vapor explosivo) ya que toda la unidad está sellada.
Los interruptores de cuchilla consisten en una cuchilla de metal plana, con bisagras en un extremo, con un mango aislante para su funcionamiento y un contacto fijo. Cuando el interruptor está cerrado, la corriente fluye a través del pivote y la cuchilla con bisagras y a través del contacto fijo. Estos interruptores normalmente no están encerrados. La cuchilla y los contactos suelen estar formados de cobre , acero o latón , según la aplicación. Los contactos fijos pueden estar respaldados por un resorte. Se pueden operar varias cuchillas paralelas al mismo tiempo con una manija. Las piezas se pueden montar en una base aislante con terminales para el cableado, o se pueden atornillar directamente a un tablero de interruptores aislado en un conjunto grande. Dado que los contactos eléctricos están expuestos, el interruptor se utiliza solo donde las personas no pueden entrar en contacto accidentalmente con el interruptor o donde el voltaje es tan bajo que no presenta un peligro.
Los interruptores de cuchilla se fabrican en muchos tamaños, desde interruptores en miniatura hasta dispositivos grandes que se utilizan para transportar miles de amperios. En la transmisión y distribución eléctrica, los interruptores accionados por grupo se utilizan en circuitos de hasta los voltajes más altos.
Las desventajas del interruptor de cuchilla son la velocidad de apertura lenta y la proximidad del operador a partes energizadas expuestas. Los interruptores de desconexión de seguridad con carcasa metálica se utilizan para aislar circuitos en la distribución de energía industrial. A veces se instalan cuchillas auxiliares accionadas por resorte que transportan momentáneamente toda la corriente durante la apertura y luego se separan rápidamente para extinguir rápidamente el arco.
Un interruptor DPDT tiene seis conexiones, pero como la inversión de polaridad es un uso muy común de los interruptores DPDT, algunas variaciones del interruptor DPDT están cableadas internamente específicamente para la inversión de polaridad. Estos interruptores de cruce solo tienen cuatro terminales en lugar de seis. Dos de los terminales son entradas y dos son salidas. Cuando se conecta a una batería u otra fuente de CC, el interruptor de 4 vías selecciona entre polaridad normal o invertida. Dichos interruptores también se pueden utilizar como interruptores intermedios en un sistema de conmutación de múltiples vías para el control de lámparas mediante más de dos interruptores.
En el cableado de los edificios, los interruptores de luz se instalan en lugares convenientes para controlar la iluminación y, ocasionalmente, otros circuitos. Mediante el uso de interruptores multipolares, se puede obtener un control de conmutación multidireccional de una lámpara desde dos o más lugares, como los extremos de un pasillo o una escalera. Un interruptor de luz inalámbrico permite el control remoto de las lámparas para mayor comodidad; algunas lámparas incluyen un interruptor táctil que controla electrónicamente la lámpara si se toca en cualquier lugar. En los edificios públicos se utilizan varios tipos de interruptores a prueba de vandalismo para evitar el uso no autorizado.
Los interruptores deslizantes son interruptores mecánicos que utilizan un control deslizante que se mueve (se desliza) desde la posición abierta (apagado) a la posición cerrada (encendido).
Desde entonces, el término interruptor se ha extendido a una variedad de dispositivos electrónicos de estado sólido que realizan una función de conmutación, pero que están controlados electrónicamente por dispositivos activos en lugar de hacerlo de manera puramente mecánica. Estos se clasifican en el artículo interruptor electrónico . Los interruptores electromecánicos (como el relé tradicional , el interruptor de barra transversal electromecánico y el interruptor Strowger ) equilibran la clasificación.
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