Переключательные схемы что такое переключательная схема

переключательные схемы что такое переключательная схема

Цены на жилищно-коммунальные услуги повышаются ежегодно, что заставляет задумываться об экономии, в том числе и электроэнергии. Причем, это касается тех мест, о которых раньше человек даже не задумывался. Например, освещение лестниц и лестничных площадок в многоэтажных домах. В недалеком прошлом, когда цены на электроэнергию были мизерными, лестницы освещались 24 часа в сутки. Эта проблема актуальна и в частных домах, имеющих не один этаж, соединенный между собой лестницей. Чтобы сэкономить средства, свет приходится выключать, но для этого нужно или опять спуститься по лестнице или подняться по ней. Это крайне неудобно, поэтому иногда его попросту не выключают и, он горит до утра, когда не станет светло.

Для удобства освещения на подобных участках были разработаны, так называемые «проходные» выключатели. Их еще называют «дублирующими» или «перекидными». Их можно отличить от классических выключателей наличием большего количества контактов. Поэтому, чтобы их подключить, необходимо знать схему, а тем более, уметь разобраться в принципе их действия. Естественно, что это не совсем просто, но абсолютно реально.

Принцип работы проходного выключателя

На клавише проходного выключателя расположены две стрелочки (не большие), направленные вверх и вниз.

переключательные схемы что такое переключательная схемаТакой вид имеет проходной одноклавишный выключатель. На клавише могут находиться двойные стрелочки.

Схема подключения ненамного сложнее схемы подключения классического выключателя. Разница лишь в большем количестве контактов: обычный выключатель имеет два контакта, а проходной – три контакта. Два из трех контактов считаются общими. В схеме включения освещения, задействуются два и более, подобных выключателей.

переключательные схемы что такое переключательная схемаОтличия – в количестве контактов

Работает выключатель следующим образом: при переключении клавишей вход подключается к одному из выходов. Другими словами, проходной выключатель рассчитан на два рабочих состояния:

  • Вход подключен к выходу 1;
  • Вход подключен к выходу 2.

Промежуточных положений у него нет, поэтому, схема работает так, как необходимо. Поскольку происходит простое подключение контактов, то по мнению многих специалистов их нужно было назвать «переключателями». Поэтому, переходной переключатель можно смело отнести к таким устройствам.

Чтобы не ошибиться, что за выключатель, следует ознакомиться со схемой включения, которая присутствует на корпусе выключателя. В основном, схема имеется на фирменных изделиях, а вот на не дорогих, примитивных моделях ее не увидишь. Как правило, схему можно обнаружить на выключателях фирмы «Lezard», «Legrand», «Viko» и т.д. Что касается дешевых китайских выключателей, то в основном, подобной схемы нет, поэтому приходится концы вызванивать прибором.

переключательные схемы что такое переключательная схемаТакой вид имеет переключатель с тыльной стороны.

Как уже было сказано выше, при отсутствии схемы контакты лучше вызвонить при разных положениях клавиши. Это еще необходимо и для того, чтобы не перепутать концы, так как безответственные производители часто путают клеммы в процессе производства, а это означает, что он правильно работать не будет.

Чтобы прозвонить контакты, необходимо иметь или цифровой, или стрелочный прибор. Цифровой прибор следует перевести переключателем в режим прозвонки. В таком режиме определяются короткозамкнутые участки электропроводки или других радиодеталей. При замыкании концов щупов, прибор издает звуковой сигнал, что весьма удобно, так как нет необходимости смотреть на дисплей прибора. Если имеется стрелочный прибор, то при замыкании концов щупов у него отклоняется стрелка вправо до упора.

В данном случае важно найти общий провод. Для тех, у кого имеются навыки работы с прибором, особых проблем не будет, а вот для тех, кто взял в руки прибор первый раз, задача может оказаться не разрешимой, несмотря на то, что нужно разобраться всего лишь в трех контактах. В таком случае, лучше сначала посмотреть видео, где доходчиво рассказывается, а главное показывается, как это сделать.

Схема подключения двух проходных выключателей

Подобная схема может оказать существенную помощь в организации освещения на лестнице (в двухэтажном доме), в длинном коридоре или в проходной комнате. Достаточно удобной может оказаться организация освещения в спальне, когда один выключатель устанавливается на входе в спальню, а другой – рядом с кроватью. В таком случае не придется постоянно вставать с кровати, чтобы выключить основной свет.

переключательные схемы что такое переключательная схемаЭлектрическая схема подключения двух проходных выключателей

Схема подключения очень простая и понятная: на вход одного из переключателей подается фаза, вход другого переключателя подсоединяется к одному из проводов люстры (светильника). Второй конец светильника соединяется напрямую с нулевым проводом. Выходы N1 обоих выключателей соединяются вместе, как и выходы N2.

Схема функционирует довольно просто. Если посмотреть на схему, то в таком положении источник света включен. При последующем переключении любого из выключателей, в произвольном порядке, светильник будет то выключаться, то включаться.

Для того, чтобы было более понятно, следует внимательно посмотреть на рисунок.

переключательные схемы что такое переключательная схемаРазводка проводов между двумя проходными выключателями.

В случае установки подобных выключателей в помещении, разводку проводов следует выполнить так, как это видно на рисунке ниже. Современные требования допускают разводку проводов на удалении 15 см от потолка. Как правило, провода укладываются в специальные лотки или короба, а концы проводов сосредотачивают в монтажных (распределительных) коробках. Такой подход имеет неоспоримые плюсы. Главное, что поврежденный провод можно всегда заменить. Соединение проводов в монтажных коробках осуществляется с помощью специальных зажимов (контактных колодок). При этом, допускаются и скрутки, которые затем обязательно пропаиваются и надежно изолируются.

Выход второго выключателя подсоединен к одному из проводников идущего к лампе освещения. Белые проводники – это провода, подключающие выходы обоих выключателей.

переключательные схемы что такое переключательная схемаРазводка проводов по жилому помещению

Каким способом соединяются концы проводов в распределительной коробке, можно узнать, посмотрев соответствующее видео.

Вариант управления освещения с трех точек

Если имеется необходимость в дальнем управлении светильником из трех мест, то придется приобрести еще и перекрестный выключатель. Он переключает одновременно не по одному, а по два контакта, поэтому он имеет по два входа и два выхода.

Как все три выключателя соединить видно на рисунке. Это несколько сложнее предыдущего случая, но понять принцип работы можно.

переключательные схемы что такое переключательная схемаСхема электрическая включения лампы из трех мест.

Чтобы подключить источник электрического света, согласно данной схемы, необходимо проделать следующие операции:

  1. Нулевой провод подключается к одному из проводов лампы.
  2. Фазный провод подключается к входному контакту одного из проходных выключателей.
  3. Свободный провод лампы подключается к входному контакту второго выключателя (проходного).
  4. Два выходных контакта проходного выключателя подключается к двум входным контактам перекрестного выключателя.
  5. Два выходных контакта второго проходного переключателя подсоединяют к двум выходным контактам перекрестного переключателя.

Схема та же, но показано более доходчиво, куда именно подключать провода.

переключательные схемы что такое переключательная схемаК каким клеммам подключаются провода.

Примерно так следует развести провода по помещению.

переключательные схемы что такое переключательная схема

На основе схемы на три точки управления, можно собрать схемы на 4 или на 5 точек. В таких случаях необходимо увеличивать количество перекрестных выключателей. Их следует всегда устанавливать в промежутке между двумя проходными переключателями.

Схема организации вкл/выкл лампы на 5 точек.

Если из этой схемы убрать один из перекрестных переключателей, то получится вариант на 4 точки, а если к ней добавить один перекрестный переключатель, то уже выйдет вариант на 6 точек.

Двухклавишный проходной выключатель: схема подключения

Для того, чтобы из нескольких точек можно было управлять работой двух ламп существуют двухклавишные проходные выключатели. Они располагают шестью контактами. Главное – это определить общие контакты. Они определяются по такому же принципу, как и при поиске общего контакта в одноклавишных проходных выключателях.

В схеме, где используется два двухклавишных проходных выключателя, применяется значительно больше проводов.

Фазный провод подается на входы обоих выключателей, а другие входы выключателей подключаются к одному из концов одной и другой лампы. Свободные концы лампы подключаются к нулевому проводнику. Два выхода одного выключателя соединяются с двумя выходами второго выключателя, а два других выхода этого выключателя подсоединяются к двум другим выходам первого выключателя.

Вариант разводки проводов для подключения двухклавишных проходных выключателей.

Если есть желание управлять работой двух ламп из трех или четырех точек, то придется приобрести по два перекрестных переключателя. Каждая пара выходов двухклавишного выключателя подсоединяется к одной паре одного перекрестного переключателя. И так дальше, пара за парой выходы устройств соединяются между собой.

Управление работой двух ламп освещения из четырех точек.

Если разобраться, то сложного ничего нет, особенно при применении одноклавишных проходных выключателей. Что касается двухклавишных проходных выключателей, то здесь все намного серьезнее и затратнее, как по проводам, так и по выключателям. А если быть более точным, то эта схема менее практичная, но более дорогостоящая.

Как говорилось в начале лекции 6, в 1938 году Клод Шеннон показал, что алгебра логики применима для описания самых разных процессов, в том числе релейных и транзисторных схем.

Принципы работы и тех и других примерно одинаковы: переключатели (будь это реле или транзисторы) могут находиться в состояниях “включен” и “выключен”, и соответствуют логическим переменным. Работает или не работает вся схема целиком (в том или ином смысле – “включена” она или “выключена”) определяет значение “функции” этих переменных.

Релейные схемы

В случае рэлейных схем, реле обозначается следующим образом:

A

Реле, которые должны быть открыты и закрыты одновременно, обозначаются одной буквой.

Реле, которые должны быть открыты в противофазе с другими, обозначаются отрицанием соответствующей переменной и изображаются сплошной линией:

A

Вся схема считается “истинной” (включенной), если через нее протекает ток, и “ложной” (выключенной) в обратном случае.

Логические операции транслируются очевидным образом. Конъюнкция соответствует последовательному соединению реле, а дизъюнкция – параллельному.

BA & BBA ∨ B

В настоящий момент, релейные схемы практически не используются в вычислительной технике: им на смену пришли транзисторные.

Транзисторные схемы

Транзисторные схемы работают достаточно похожим образом, и строятся на основе полевых транзисторов с изолированным затвором, так же известные как МОП-транзисторы (MOSFET), выполняющих роль переключателя. Однако, критерием “истинности” или “ложности” всей схемы является не протекающий ток, а значение напряжения (условно “высокое” или “низкое”)

Принципы работы полевых транзисторов

Полевые транзисторы состоят из двух полупроводниковых терминалов p- или n-типа (называемых исток (Source) и сток (Drain)), помещенных в субстрат соответственно n- или p-типа. N-тип соответствует электронной, а p-тип – дырочной проводимости. Сам транзистор обозначается по типу терминалов.

Так же присутствуют два терминала, называемых база (base) и затвор (gate), которые, собственно, и обеспечивают управление транзистором.

При приложении напряжения между базой и затвором, электроны или дырки притягиваются к области затвора, создавая канал проводимости между истоком и стоком. Изменение электрического поля между базой и затвором изменяет сопротивление этого канала.

Встречаются МОП-транзисторы с собственным (или встроенным) (depletion mode transistor) и индуцированным (или инверсным) каналом (enhancement mode transistor). Встроенный канал означает, что при нулевом напряжении затвор-база, канал транзистора открыт (т.е. проводит ток); для закрытия канала нужно приложить к затвору напряжение определенной полярности. Канал приборов с индуцированным каналом закрыт (не проводит ток) при нулевом напряжении затвор-база; для открытия канала нужно приложить к затвору напряжение определенной полярности. Полярность напряжения определяется типом проводников в транзисторе (N- или P-тип).

СИЗБNPPЗСИБ Схема и условное обозначение PMOS с индуцированным каналом СИЗБPNN Схема и условное обозначение NMOS с индуцированным каналом Схема и условное обозначение PMOS с собственным каналом Схема и условное обозначение NMOS с собственным каналом

Часто терминал базы подключают напрямую к истоку.

Реализация логических операций на МОП-транзисторах

Независимо от типа транзистора, он может быть “настроен” таким образом, чтобы либо переходить в “открытое” состояние при подаче высокого напряжения (соответствующего логической единице) на затвор, либо низкого (соответствующего логическому нулю), и в “закрытое” в противном случае. При проектировании логических схем, имеет значение только этот фактор.

В этом контексте, транзисторы, переходящие в “открытое” состояние при подаче логической единицы на затвор, называются прямыми, а в “закрытое” – инверсными. При проектировании логики, часто используются следующие обозначения:

Прямой МОП-транзистор Инверсный МОП-транзистор

Как правило, прямые транзисторы реализуются на NMOS, а инверсные – на PMOS.

На основе этих двух типов строятся микросхемы типа CMOS (КМОП – комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, она же COS-MOS), состоящие из симметрично расположенных p- и n-канальных полевых транзисторов. Использование симметричных схем позволяет значительно уменьшить ток активации схемы, и снизить энергопотребление.

Штрих Шеффера может быть реализован, например, так:

VccF = A | BAB Штрих Шеффера на прямых транзисторах VccAVccBF = A | B CMOS-схема штриха Шеффера Физическое устройство CMOS-схемы

На основе логических элементов строятся логические схемы. На логических схемах не рассматривается внутреннее устройство элементов, поэтому все логические схемы полностью эквивалентны логическим формулам, которые их выражают.

Для обозначения логических элементов, соответствующих базовым логическим операциям используются следующие обозначения:

& Конъюнктор, соответствует операции конъюнкции. 1 Дизъюнктор, соответствует операции дизъюнкции. Инвертор, соответствует операции инверсии. И-НЕ (NAND), соответствует штриху Шеффера. ИЛИ-НЕ (NOR), соответствует стрелке Пирса. Полусумматор Полусумматор Электронная логическая схема, выполняющая суммирование двух двоичных разрядов.

Имеет, ясно, два входа, и два выхода, один из которых – значение младшего разряда (сумма, s), а второй – старшего (перенос, p).

0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1

Из таблицы истинности видно, что

Составляя СДНФ:

Логическая схема тогда будет иметь вид:

absp

Преобразуя к штриху Шеффера:

Можно заметить, что

Тогда

Составим логическую схему:

absp

На схемах можно изображать полусумматор следующим образом:

SMSPСумматор Сумматор Электронная логическая схема, выполняющая суммирование двоичных кодов.

Сумматор работает следующим образом: при сложении двух двоичных разрядов, у нас есть перенос из предыдущего разряда (p_i), плюс значения (a_i), (b_i) текущего разряда. Результатом работы должна быть цифра суммы в текущем разряде (s_i) и перенос в следующий разряд (p_{i+1}).

Составим таблицу истинности

0 0 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 0 0 1
1 1 1 1 1

Исходя из таблицы истинности, можно (например, составив СДНФ и упростив ее), вывести следующие формулы:

В соответствии с этими формулами можно составить логическую схему:

aibipipi+1si

Мы составили схему одноразрядного сумматора.

Так же сумматор можно получить, соединив два полусумматора:

piaibisipi+1

Или на элементах И-НЕ:

piaibisipi+1

Одноразрядный сумматор является стандартным элементом, и на схемах изображается следующим образом:

SMSP

Многоразрядный сумматор получается при соединении нескольких одноразрядных каскадом:

0a0b0s0a1b1s1a2b2s2a3b3s3P

При этом, первый “перенос” (вход) берется равным нулю, а последний (выход) (P) является признаком переполнения.

Триггеры

Результаты операций, как и сами операнды, надо где-то как-то хранить. Для этого используются логические элементы, известные как триггеры.

Триггер Логический элемент, способный хранить один разряд двоичного числа. RS-триггер

Представляет собой простейший триггер. Имеет следующую схему:

RSQQ

По сути, состоит из двух элементов ИЛИ-НЕ, соединенных кольцом.

Имеет следующую таблицу истинности:

При подаче нулей на оба входа, хранится ранее установленное значение. При подаче 1 на вход S (Set), значение устанавливается в 1, при подаче 1 на вход R (Reset), значение сбрасывается в 0.

Подавать 1 на оба входа одновременно запрещено, поскольку в таком случае (Q=;overline{Q}; = 0). При подаче после этого нулей на оба входа, состояние триггера не определено (зависит от внутренних характеристик элементов)

SR-триггер

Близким по смыслу является (;overline{SR};) триггер, который представляет собой два соединенных кольцом элемента И-НЕ:

SRQQ

Отличие от (RS)-триггера в том, что входы инвертированны и меняются местами.

Таблица истинности:

Подавать 0 на оба входа одновременно запрещено, поскольку в таком случае (Q=;overline{Q}; = 1). При подаче после этого 1 на оба входа, состояние триггера не определено (зависит от внутренних характеристик элементов)

D-триггер

D-триггер представляет собой более удобную версию, поскольку сохраняет значение одного входа.

Имеет следующую схему:

EDQQ

Имеет два входа, D (Data) и E (Enable).

Таблица истинности:

D-триггеры широко используются для реализации сдвиговых регистров. Сдвиговые же регистры используются, например, при приведении порядков чисел с плавающей запятой.

JK-триггер

Близкий аналог RS-триггера, J соответствует S, а K – R.

Отличием является тот факт, что при подаче на оба входа единиц, триггер меняет состояние на противоположное.

KJEQQ

В чистом виде, однако, это не слишком удобно, поскольку при подаче единиц на оба входа, состояние будет меняться с высокой частотой. Поэтому JK-триггер используют в модификации с изменением по синхроимпульсу.

T-триггер

Получается из JK подачей на (J=K=T). По сути, переключает состояние при подаче логической 1. На основе T-триггера можно сделать простейший счетчик: если соединить выход одного T-триггера со входом E другого, то это эффективно понизит частоту переключения второго вдвое по сравнению с первым.