En ingeniería eléctrica , un interruptor es un componente eléctrico que puede desconectar o conectar el camino conductor 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 consta de uno o más conjuntos de contactos eléctricos móviles conectados a circuitos externos. Cuando un par de contactos están 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 el mismo mando o actuador, y los contactos pueden funcionar de forma simultánea, secuencial o alternativa. 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 parte de la 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 de botón , el interruptor de inversión , el relé y el disyuntor . Un uso común es el control de la iluminación, donde se pueden conectar varios interruptores a 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 familiar 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 se tocan y la electricidad puede fluir entre ellos, o "abierto", lo que significa que los contactos están separados y el interruptor no es conductor. El mecanismo que activa la transición entre estos dos estados (abierto o cerrado) suele ser (existen otros tipos de acciones) una " acción alternativa " (activar el interruptor para "encendido" o "apagado" continuo) o " momentánea " (presionar para "encendido" y suelte para "apagado").
Un ser humano puede manipular directamente un interruptor como 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 completamente abierta o que una máquina herramienta está en condiciones de aceptar otra pieza de trabajo. Los interruptores pueden funcionar mediante 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 de temperatura que se utiliza para controlar un proceso de calentamiento. Un interruptor que es accionado por otro circuito eléctrico se llama relé . Los interruptores grandes pueden operarse de forma remota mediante un mecanismo de accionamiento motorizado. Algunos interruptores se utilizan para aislar la energía eléctrica de un sistema, proporcionando un punto visible de aislamiento que puede bloquearse con candado si es necesario para evitar el funcionamiento accidental de una máquina durante el mantenimiento o para evitar descargas eléctricas.
Un interruptor ideal no tendría caída de voltaje cuando esté cerrado y no tendría límites de voltaje o corriente nominal. Tendría cero tiempo de subida y 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 de corriente y voltaje que pueden manejar, tiempo de conmutación finito, etc. El interruptor ideal se utiliza a menudo en el análisis de circuitos, ya que simplifica enormemente el sistema de ecuaciones a resolver. , pero esto puede conducir a una solución menos precisa. Se requiere un tratamiento teórico de los efectos de las propiedades no ideales en el diseño de grandes redes de conmutadores, como por ejemplo las utilizadas 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 (cortar) el circuito. El material de contacto se elige por su resistencia a la corrosión, porque la mayoría de los metales forman óxidos aislantes que impedirían 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 mojado de un interruptor mecánico. En ocasiones los contactos están chapados 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 la corriente puede fluir de uno al otro. Cuando los contactos están separados por un entrehierro aislante , se dice que están " abiertos " y no puede fluir corriente entre ellos a voltajes normales. También se utilizan ampliamente los términos " hacer " para cerrar contactos y " romper " para abrir contactos.
Los términos polo y tiro también se utilizan para describir variaciones de contactos de interruptores. El número de " polos " es el número de interruptores eléctricamente separados que están controlados por un único actuador físico. Por ejemplo, un interruptor " bipolar " tiene dos conjuntos de contactos paralelos separados que se abren y cierran al unísono mediante el mismo mecanismo. El número de " tiros " es el número de opciones de rutas de cableado independientes distintas de "abierto" que el interruptor puede adoptar para cada polo. Un interruptor de un solo tiro tiene un par de contactos que pueden cerrarse o abrirse. Un interruptor de doble vía tiene un contacto que se puede conectar a cualquiera de los otros dos contactos, un interruptor de triple vía tiene un contacto que se puede conectar a uno de los otros tres contactos, etc. [3]
En un interruptor donde los contactos permanecen en un estado a menos que se accionen, como un interruptor de botón , 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 se abre mediante la acción del interruptor. Un interruptor con ambos tipos de contacto se denomina conmutador o interruptor de doble tiro . Estos pueden ser " make-before-break " (" MBB " o cortocircuito) que conecta momentáneamente ambos circuitos, o pueden ser " break-before-make " (" BBM " o no 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, unidireccional " (SPST) (el tipo más simple, "encendido o apagado") o " unipolar, doble tiro " (SPDT), que conecta cualquiera de los dos terminales al terminal común. En el cableado de energía eléctrica (es decir, cableado de casas y edificios realizado por electricistas ), los nombres generalmente implican el sufijo "-way" ; sin embargo, estos términos difieren entre el inglés británico y el inglés americano (es decir, los términos two way y three way se utilizan con significados diferentes).
Los interruptores con mayor número de polos o tiros se pueden describir reemplazando la "S" o la "D" con un número (por ejemplo, 3PST, SP4T, etc.) o, en algunos casos, la letra "T" (para "triple") o " Q" (para "cuádruple"). En el resto de este artículo se utilizarán los términos SPST , SPDT e intermedio para evitar la ambigüedad.
El rebote de contactos (también llamado chatter ) es un problema común con 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 interruptor y relé suelen estar hechos de metales elásticos. Cuando los contactos chocan entre sí, su impulso y elasticidad actúan juntos para hacer que reboten una o más veces antes de establecer un contacto estable. El resultado es una corriente eléctrica pulsada rápidamente en lugar de una transición limpia de cero a corriente total. El efecto normalmente no es importante en los 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 , se presionan varios cables debajo de las teclas del piano de los manuales. Su rebote y 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 del contacto se pueden eliminar mediante:
Todos estos métodos se denominan "antirrebote".
Cuando la potencia que se cambia 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 mantener el flujo de energía, incluso cuando la distancia de separación entre los contactos del interruptor aumenta constantemente. El plasma también está muy caliente y es capaz de erosionar las superficies metálicas de los contactos del interruptor (lo mismo ocurre con los interruptores de vacío). Los arcos de corriente eléctrica causan una degradación significativa de los contactos y también una importante interferencia electromagnética (EMI), lo que requiere el uso de métodos de supresión de arco . [7]
Cuando el voltaje es suficientemente alto, también se puede formar un arco cuando el interruptor se cierra y los contactos se acercan. Si el potencial de voltaje es suficiente para exceder el voltaje de ruptura del aire que separa los contactos, se forma un arco que se mantiene hasta que el interruptor se cierra completamente y las superficies del interruptor hacen contacto.
En cualquier caso, el método estándar para minimizar la formación de arco y prevenir daños en los contactos es utilizar un mecanismo de interruptor de movimiento rápido, que generalmente utiliza un mecanismo de punto de inflexión accionado por resorte para asegurar el movimiento rápido de los contactos del interruptor, independientemente de la velocidad a la que se mueve el interruptor. El control del interruptor es operado por el usuario. 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 cuando se libera la tensión del resorte.
A medida que aumenta la potencia conmutada, se utilizan otros métodos para minimizar o prevenir la formación de arco. Un plasma está caliente y aumentará debido a las corrientes de aire por 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 sostenido. y se extingue. Se puede usar un soplador para soplar una ráfaga repentina de gas a alta velocidad a través de los contactos del interruptor, lo que rápidamente extiende la longitud del arco para extinguirlo rápidamente.
Los interruptores extremadamente grandes a menudo tienen contactos rodeados por algo que no sea aire para extinguir más rápidamente el arco. Por ejemplo, los contactos del interruptor pueden funcionar en vacío, sumergidos en aceite mineral o en hexafluoruro de azufre .
En el servicio de energía 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 voltaje o corriente nominal más bajos cuando se usan en circuitos de CC.
Cuando un interruptor está diseñado para conmutar una potencia significativa, se debe considerar 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 energía en los contactos; Cuando un interruptor está apagado, su resistencia es extremadamente alta y se pierde aún menos energía 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 necesaria ] (o peor si la carga no es puramente resistiva) cae brevemente en el interruptor.
Por este motivo, los interruptores de alimentación destinados a interrumpir una corriente de carga cuentan con mecanismos de resorte para 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 alimentación suelen ser de dos tipos. Un interruptor de encendido y apagado momentáneo (como en un puntero láser ) generalmente toma 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 características.
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 clasificados para manejar estos casos. La chispa provocará interferencias electromagnéticas 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 atrae una gran corriente de entrada de aproximadamente diez veces la corriente de estado estacionario; 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 irrupción. [9]
La corriente de humectación es la corriente mínima que necesita fluir a través de un interruptor mecánico mientras se opera 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 zonas con alta humedad . Proporcionar una cantidad suficiente de corriente humectante es un paso crucial en el diseño de sistemas que utilizan interruptores delicados con pequeña presión de contacto como entradas de sensores. De no hacerlo, los interruptores podrían permanecer eléctricamente "abiertos" debido a la oxidación de los contactos.
La parte móvil que aplica la fuerza de actuación a los contactos se denomina actuador , y puede ser un toggle o dolly , un balancín , un pulsador o cualquier tipo de varillaje mecánico (ver foto).
Un interruptor normalmente mantiene su posición establecida una vez accionado. Un interruptor polarizado contiene un mecanismo que lo lleva a otra posición cuando lo suelta un operador. El interruptor de botón momentáneo es un tipo de interruptor polarizado. El tipo más común es un interruptor "empujar 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 del teclado de una computadora, por ejemplo, es un interruptor "presionar para hacer" normalmente abierto. Por otro lado, un interruptor de "empujar para abrir" (o normalmente cerrado o NC), rompe el contacto cuando se presiona el botón y hace contacto cuando se suelta. Un ejemplo de interruptor de empuje para abrir es un botón que se utiliza para abrir una puerta que se mantiene cerrada mediante un electroimán . La lámpara interior de un frigorífico doméstico se controla mediante un interruptor que se mantiene abierto cuando se cierra la puerta.
Un interruptor giratorio funciona con un movimiento giratorio de la palanca de mando con al menos dos posiciones. Una o más posiciones del interruptor pueden ser momentáneas (desviadas por un resorte), lo que requiere que el operador mantenga el interruptor en esa posición. Otras posiciones pueden tener un retén para mantener la posición cuando se suelta. Un interruptor giratorio puede tener múltiples niveles o "plataformas" para permitirle controlar múltiples circuitos.
Una forma de interruptor giratorio 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 círculo alrededor del rotor, cada uno de los cuales sirve como contacto para el "radio" a través del cual cualquiera de los diferentes circuitos eléctricos se puede conectar al rotor. El interruptor está estratificado para permitir el uso de múltiples polos; cada capa equivale a un polo. Por lo general, un interruptor de este tipo tiene un mecanismo de retención, por lo que hace un "clic" de una posición activa a otra en lugar de detenerse en una posición intermedia. Por lo tanto, un interruptor giratorio proporciona mayores capacidades de polarización y proyección que los interruptores más simples.
Otros tipos utilizan un mecanismo de leva para operar múltiples conjuntos de contactos independientes.
Los interruptores giratorios se utilizaron como selectores de canales en 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 giratorios se utilizan para el control de instrumentos de medición, aparamenta o en circuitos de control. Por ejemplo, una grúa puente controlada por radio puede tener un gran interruptor giratorio de circuitos múltiples 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 palanca es una clase de interruptores eléctricos que se accionan manualmente mediante una palanca mecánica , una manija o un mecanismo basculante.
Los interruptores de palanca están disponibles en muchos estilos y tamaños diferentes y se utilizan en numerosas aplicaciones. Muchos están diseñados para proporcionar la actuación simultánea de múltiples conjuntos de contactos eléctricos o el control de grandes cantidades de corriente eléctrica o voltajes de red .
La palabra "alternar" es una referencia a una especie de mecanismo o articulación que consta de dos brazos, 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 rápida 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. Se pueden interbloquear mecánicamente varios interruptores de palanca para evitar combinaciones prohibidas.
En algunos contextos, particularmente en informática , 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 su construcción mecánica. Por ejemplo, la tecla Bloq Mayús en una computadora hace que todas las letras se generen en mayúsculas después de presionarla una vez; al presionarlo nuevamente se vuelve a letras minúsculas.
Los interruptores pueden diseñarse para responder a cualquier tipo de estímulo mecánico: por ejemplo, vibración (el interruptor de vibración), inclinación, presión del aire, nivel de fluido (un interruptor de flotador ), el giro de una llave ( interruptor de llave ), movimiento lineal o giratorio. (un interruptor de límite o microinterruptor ), o la presencia de un campo magnético (el interruptor de láminas ). Muchos interruptores funcionan automáticamente mediante cambios en alguna condición ambiental o por el movimiento de maquinaria. Un interruptor de límite se utiliza, por ejemplo, en máquinas herramienta para bloquear 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 el 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 bombilla de vidrio con dos o más contactos. Los dos contactos pasan a través del vidrio y están conectados por el mercurio cuando se inclina la bombilla 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, moja los contactos asegurando una conexión sin rebote de muy baja resistencia, y el movimiento y la vibración no producen una mala contacto. Estos tipos se pueden utilizar para trabajos de precisión.
También se puede utilizar cuando la formación de arcos sea peligrosa (como en presencia de vapor explosivo), ya que toda la unidad está sellada.
Los interruptores de cuchilla constan de una hoja de metal plana, articulada 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 articulado y la hoja y a través del contacto fijo. Estos interruptores no suelen estar incluidos. La cuchilla y los contactos suelen estar hechos de cobre , acero o latón , según la aplicación. Los contactos fijos pueden estar respaldados por un resorte. Con un solo mango se pueden accionar varias cuchillas paralelas al mismo tiempo. Las piezas pueden montarse sobre una base aislante con terminales para cableado o pueden atornillarse directamente a un tablero de interruptores aislado en un conjunto grande. Dado que los contactos eléctricos están expuestos, el interruptor se utiliza sólo donde las personas no pueden entrar en contacto accidentalmente con el interruptor o donde el voltaje es tan bajo que no representa 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 operados en grupo se utilizan en circuitos de hasta los voltajes más altos.
Las desventajas del interruptor de cuchilla son la lenta velocidad de apertura y la proximidad del operador a las partes vivas 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 momentáneamente transportan toda la corriente durante la apertura y luego se separan rápidamente para extinguir rápidamente el arco.
Un interruptor DPDT tiene seis conexiones, pero dado que 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 cruzados sólo 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. Estos 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 edificios, los interruptores de luz se instalan en ubicaciones convenientes para controlar la iluminación y ocasionalmente otros circuitos. Mediante el uso de interruptores multipolares, se puede obtener el 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 parte. En los edificios públicos se utilizan varios tipos de interruptores resistentes al 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 mediante dispositivos activos en lugar de puramente mecánicamente. Estos se clasifican en el artículo interruptor electrónico . Los interruptores electromecánicos (como el relé tradicional , la barra transversal electromecánica y el interruptor Strowger ) cierran la categorización.
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