Коммутатор это в электронике
Обновлено: 06.07.2024
| Список значений слова или словосочетания со ссылками на соответствующие статьи. Если вы попали сюда из другой статьи Википедии, пожалуйста, вернитесь и уточните ссылку так, чтобы она указывала на статью. |
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Коммутатор" в других словарях:
коммутатор — а, м. commutateur, нем. Kommutator < лат. commutare менять. 1. Прибор для замыкания и размыкания цепи, по которой проходит электрический ток, или для перемены его направления. БАС 1. Достаточно взглянуть на стены с рукоятками (коммутаторами) в … Исторический словарь галлицизмов русского языка
коммутатор — центральная телефонная станция, цтс; переключатель; мюльтипль, концентратор, нумератор, установка, распределитель, выключатель Словарь русских синонимов. коммутатор сущ., кол во синонимов: 10 • аудиокоммутатор … Словарь синонимов
КОММУТАТОР — [ому], коммутатора, муж. (лат. commutator) (тех., физ.). Прибор для замыкания и прекращения действия электрического тока, а также для перемены его направления. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
КОММУТАТОР — КОММУТАТОР, а, муж. 1. Название различных устройств для изменения направления, переключения электрического тока. 2. Род местной телефонной станции с ручным соединением. Позвонить через к. | прил. коммутаторный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С … Толковый словарь Ожегова
КОММУТАТОР — операция в линейном пространстве, ставящая в соответствие любым двум элементам а и b третий элемент [ а, b], со свойствами: 1) [ а Ь, с] = = [а, с] + [b, с](линейность); 2) [а, b] + [b, а] = 0 (антисимметричность); 3) [ а,[b, с]]+[b, [ с, а]]+[с … Физическая энциклопедия
КОММУТАТОР — переключатель (Commutator) прибор для изменения направления тока в электрических цепях. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
Коммутатор – это устройство для изменения соединений в электрической цепи.
Коммутатор применяют в энергетике, электротехнике, радиотехнике и проводной связи, деля их на сильноточные и слаботочные. К сильноточным коммутаторам относятся энергетические, в свою очередь, подразделяющиеся на перекидные, вращающиеся и продольно перемещающиеся. Перекидные коммутаторы применяют в электрической цепи постоянного и переменного тока до 1000 А при напряжении 500 В, приводимые в действие каким-либо переключателем. Вращающиеся и продольно перемещающиеся коммутаторы скользят по ряду неподвижных контактов с помощью нескольких ползунов. К таким коммутаторам относятся реостаты, контроллеры и командоаппараты. Элементные коммутаторы могут играть роль измерителей последовательно соединенных аккумуляторов и называются зарядным или разрядным устройством. К сильноточным коммутаторам можно отнести коллекторы электрических машин, в которых для коммутирования тока с большим количеством переключений в единицу времени применяются действующие без разрыва цепи и механического износа контактов ионные и магнитные коммутаторы. К слаботочным цепям относят коммутаторы, которые применяются в телеграфной и телефонной связи, а также в радиотехнических устройствах и телемеханике. Телеграфные коммутаторы иногда бывают ломельные, т. е. состоящие из перпендикулярных латунных реек, изолированных друг от друга, и штепсельные. Телефонный коммутатор – это устройство, которое применяется в телефонной связи при ручном соединении абонентов. Он состоит из вызывного телефонного клапана и реле, которое замыкает телефонную цепь. Шнуровая пара телефонного коммутатора состоит из соединительного шнура, телефонного ключа, приборов сигнализации отбоя. Ключи и штепсели расположены на горизонтальной панели, а клапаны и отбойные лампы – на вертикальной панели.
В радиотехнике коммутатор применяют для изменения соединений приемника с антенной. Сюда включается: переключатель диапазонов, многополюсные галетные переключатели. К данным коммутаторам можно отнести передающие радиостанции, радиолокаторы, ионные разрядники и искровые технические разрядники.
Коммутатор представляет собой вращающийся электрический выключатель в определенных типах электродвигателей и электрических генераторы , которые периодически переворачивают текущее направление между ротором и внешней цепью. Он состоит из цилиндра, состоящего из множества металлических контактных сегментов на вращающемся якоре машины. Два или более электрических контакта, называемых « щетками », сделанные из мягкого проводящего материала, такого как уголь, прижимаются к коммутатору, создавая скользящий контакт с последовательными сегментами коммутатора при его вращении. Обмотки (катушки проволоки) на якоре подключены к сегментам коммутатора.
Коммутаторы используются в машинах постоянного тока (DC): динамо- машинах (генераторах постоянного тока) и многих двигателях постоянного тока, а также в универсальных двигателях . В двигателе коммутатор подает электрический ток на обмотки. Путем изменения направления тока во вращающихся обмотках каждые пол-оборота создается постоянная вращающая сила ( крутящий момент ). В генераторе коммутатор снимает ток, генерируемый в обмотках, меняя направление тока на противоположное с каждой половиной оборота, служа механическим выпрямителем для преобразования переменного тока с обмоток в однонаправленный постоянный ток во внешней цепи нагрузки. Первая машина коммутаторного типа постоянного тока, динамо , была построена Ипполитом Пикси в 1832 году по предложению Андре-Мари Ампера .
Коммутаторы относительно неэффективны и также требуют периодического обслуживания, например замены щеток. Поэтому использование коммутируемых машин сокращается, их заменяют машины переменного тока (AC), а в последние годы - бесщеточные двигатели постоянного тока, в которых используются полупроводниковые переключатели.
СОДЕРЖАНИЕ
Принцип действия
Коммутатор состоит из набора контактных планок, прикрепленных к вращающемуся валу машины и соединенных с обмотками якоря. Когда вал вращается, коммутатор меняет направление тока в обмотке. Для одиночной обмотки якоря, когда вал совершил половину полного оборота, обмотка теперь подключается так, что ток течет через нее в противоположном начальном направлении. В двигателе ток якоря заставляет фиксированное магнитное поле оказывать вращающую силу или крутящий момент на обмотку, заставляя ее вращаться. В генераторе механический крутящий момент, приложенный к валу, поддерживает движение обмотки якоря через стационарное магнитное поле, индуцируя ток в обмотке. И в случае двигателя, и в случае генератора коммутатор периодически меняет направление тока через обмотку на обратное, так что ток в цепи, внешней по отношению к машине, продолжается только в одном направлении.
Простейший практичный коммутатор
Практические коммутаторы имеют как минимум три контактных сегмента, чтобы предотвратить «мертвую» зону, где две щетки одновременно соединяют только два сегмента коммутатора. Щетки делаются шире изолированного зазора, чтобы щетки всегда контактировали с катушкой якоря. Для коммутаторов, по крайней мере, с тремя сегментами, хотя ротор потенциально может остановиться в положении, когда два сегмента коммутатора касаются одной щетки, это только обесточивает одну из лопастей ротора, в то время как другие по-прежнему будут работать правильно. С оставшимися лопастями ротора двигатель может производить достаточный крутящий момент, чтобы начать вращение ротора, а генератор может обеспечивать полезную мощность для внешней цепи.
Конструкция кольца / сегмента
Коммутатор состоит из набора медных сегментов, закрепленных на части окружности вращающейся машины или ротора, и набора подпружиненных щеток, прикрепленных к неподвижной раме машины. Две или более неподвижных щеток подключаются к внешней цепи, либо к источнику тока для двигателя, либо к нагрузке для генератора.
Сегменты коммутатора подключены к катушкам якоря, причем количество катушек (и сегментов коммутатора) зависит от скорости и напряжения машины. У больших двигателей могут быть сотни сегментов. Каждый проводящий сегмент коммутатора изолирован от соседних сегментов. Слюда использовалась на ранних машинах и до сих пор используется на больших машинах. Многие другие изоляционные материалы используются для изоляции небольших машин; пластмассы позволяют, например, быстро изготавливать изолятор. Сегменты удерживаются на валу с помощью формы ласточкина хвоста на краях или на нижней стороне каждого сегмента. Изолирующие клинья по периметру каждого сегмента прижимаются, так что коммутатор сохраняет механическую стабильность во всем нормальном рабочем диапазоне.
В небольших электроприборах и двигателях инструментов сегменты обычно постоянно обжаты и не могут быть удалены. Когда двигатель выходит из строя, его выбрасывают и заменяют. На больших промышленных машинах (например, мощностью от нескольких киловатт до тысяч киловатт) экономически выгодно заменять отдельные поврежденные сегменты, поэтому концевой клин можно откручивать, а отдельные сегменты снимать и заменять. Замена медных и слюдяных сегментов обычно называется «заправкой». Перезаправляемые коммутаторы с ласточкиным хвостом являются наиболее распространенной конструкцией более крупных коммутаторов промышленного типа, но многоразовые коммутаторы также могут быть сконструированы с использованием внешних лент из стекловолокна (конструкция со стеклянными полосами) или кованых стальных колец (конструкция с внешним стальным термоусадочным кольцом и конструкция с внутренним стальным термоусадочным кольцом. ). Одноразовые коллекторы литого типа, которые обычно используются в небольших двигателях постоянного тока, становятся все более распространенными в более крупных электродвигателях. Коммутаторы литого типа не подлежат ремонту и в случае повреждения подлежат замене. В дополнение к обычно используемым методам нагрева, крутящего момента и тоннажа для коммутаторов приправы, для некоторых высокопроизводительных коммутаторов требуется более дорогой, особый процесс «приправы отжимом» или испытание при отжиме с превышением скорости, чтобы гарантировать стабильность отдельных сегментов и предотвратить преждевременное износ угольных щеток. Такие требования характерны для тяговых, военных, аэрокосмических, ядерных, горнодобывающих и высокоскоростных приложений, где преждевременный отказ может привести к серьезным негативным последствиям.
Трение между сегментами и щетками в конечном итоге приводит к износу обеих поверхностей. Угольные щетки, изготовленные из более мягкого материала, изнашиваются быстрее и могут быть легко заменены без демонтажа машины. Старые медные щетки вызывали больший износ коллектора, вызывая со временем глубокие канавки и зазубрины на поверхности. Коммутатор на небольших двигателях (скажем, мощностью менее киловатта) не предназначен для ремонта в течение всего срока службы устройства. На крупном промышленном оборудовании коллектор можно повторно покрыть абразивом, или ротор может быть снят с рамы, установлен в большом токарном станке по металлу , а поверхность коллектора может быть восстановлена путем обрезки его до меньшего диаметра. Самое крупное оборудование может включать в себя токарно-токарную приставку непосредственно над коммутатором.
Конструкция кисти
В ранних машинах для контакта с поверхностью коммутатора использовались щетки из жилы медной проволоки. Однако эти твердосплавные щетки имели тенденцию царапать и протирать гладкие сегменты коммутатора, что в конечном итоге требовало восстановления поверхности коммутатора. По мере того, как медные щетки изнашиваются, пыль и кусочки щетки могут вклиниваться между сегментами коммутатора, закорачивая их и снижая эффективность устройства. Тонкая медная проволочная сетка или сетка обеспечивала лучший контакт с поверхностью при меньшем износе сегментов, но сетчатые щетки были дороже, чем ленточные или проволочные медные щетки.
В современных вращающихся машинах с коллекторами почти исключительно используются угольные щетки, в которые может быть добавлен медный порошок для улучшения проводимости. Металлические медные щетки можно найти в игрушечных или очень маленьких двигателях, таких как показанный выше, и в некоторых двигателях, которые работают только с перебоями, например, в автомобильных стартерах.
Двигатели и генераторы страдают от явления, известного как «реакция якоря», одним из эффектов которого является изменение положения, в котором в идеале должно происходить реверсирование тока через обмотки при изменении нагрузки. В ранних машинах щетки устанавливались на кольце с ручкой. Во время работы необходимо было отрегулировать положение щеточного кольца, чтобы отрегулировать коммутацию, чтобы свести к минимуму искрение на щетках. Этот процесс был известен как «раскачивание кистей».
Были разработаны различные разработки для автоматизации процесса регулировки коммутации и минимизации искрения на щетках. Одним из них была разработка «щеток с высоким сопротивлением», или щеток, сделанных из смеси медного порошка и углерода. Несмотря на то, что такая щетка описывается как щетки с высоким сопротивлением, сопротивление этой щетки составляет порядка миллиомов, точное значение зависит от размера и функции машины. Кроме того, щетка с высоким сопротивлением была сконструирована не как щетка, а в форме угольного блока с изогнутой поверхностью, соответствующей форме коллектора.
Угольная щетка с высоким сопротивлением сделана достаточно большой, чтобы она была значительно шире, чем изолирующий сегмент, который она охватывает (а на больших машинах часто может охватывать два изолирующих сегмента). Результатом этого является то, что по мере того, как сегмент коммутатора выходит из-под щетки, ток, проходящий к нему, спадает более плавно, чем в случае со щетками из чистой меди, где контакт внезапно разрывается. Точно так же сегмент, контактирующий с щеткой, имеет аналогичное нарастание тока. Таким образом, хотя ток, проходящий через щетку, был более или менее постоянным, мгновенный ток, проходящий через два сегмента коммутатора, был пропорционален относительной площади контакта с щеткой.
Введение угольной щетки имело удобные побочные эффекты. Угольные щетки изнашиваются более равномерно, чем медные, а мягкий уголь вызывает гораздо меньшее повреждение сегментов коллектора. У углерода меньше искр по сравнению с медью, и по мере того, как углерод изнашивается, более высокое сопротивление углерода приводит к меньшему количеству проблем, связанных с скоплением пыли на сегментах коллектора.
Соотношение меди и углерода можно изменить для определенной цели. Щетки с более высоким содержанием меди лучше работают с очень низким напряжением и большим током, тогда как щетки с более высоким содержанием углерода лучше подходят для высокого напряжения и низкого тока. Щетки с высоким содержанием меди обычно выдерживают от 150 до 200 ампер на квадратный дюйм контактной поверхности, в то время как щетки с более высоким содержанием углерода выдерживают только от 40 до 70 ампер на квадратный дюйм. Более высокое сопротивление углерода также приводит к большему падению напряжения от 0,8 до 1,0 вольт на контакт или от 1,6 до 2,0 вольт на коммутаторе.
Щеткодержатели
Пружина обычно используется со щеткой, чтобы поддерживать постоянный контакт с коммутатором. По мере того как щетка и коммутатор изнашиваются, пружина постепенно толкает щетку вниз к коммутатору. В конце концов щетка изнашивается и становится достаточно тонкой, поэтому устойчивый контакт становится невозможным, или она перестает надежно удерживаться в держателе щетки, и поэтому щетку необходимо заменить.
Обычно гибкий силовой кабель прикрепляют непосредственно к щетке, потому что ток, протекающий через опорную пружину, может вызвать нагрев, что может привести к потере прочности металла и потере натяжения пружины.
Когда коммутируемый двигатель или генератор потребляет больше энергии, чем способна проводить одна щетка, узел из нескольких щеткодержателей устанавливается параллельно на поверхности очень большого коммутатора. Этот параллельный держатель распределяет ток равномерно по всем щеткам и позволяет осторожному оператору удалить неисправную щетку и заменить ее новой, даже если машина продолжает вращаться с полным питанием и под нагрузкой.
Высокомощное, сильноточное коммутируемое оборудование сейчас редко встречается из-за менее сложной конструкции генераторов переменного тока, которые позволяют слаботочной высоковольтной катушке вращающегося поля возбуждать сильноточные катушки статора с фиксированным положением. Это позволяет использовать в конструкции генератора очень маленькие одиночные щетки . В этом случае вращающиеся контакты представляют собой сплошные кольца, называемые контактными кольцами , и переключения не происходит.
Современные устройства, использующие угольные щетки, обычно имеют конструкцию, не требующую обслуживания, которая не требует регулировки в течение всего срока службы устройства, с использованием фиксированного гнезда держателя щеток и комбинированного узла щетка-пружина-кабель, который вставляется в гнездо. Изношенную щетку вынимают и вставляют новую.
Список современного оборудования, использующегося при прокладке сетей достаточно обширен, но «базовыми» устройствами в нем, особенно если речь идет о сетях с большим количеством клиентов, можно считать маршрутизаторы и коммутаторы. О первых мы достаточно подробно рассказали в прошлом материале, поэтому на этот раз поговорим о том, что такое коммутаторы, что делают эти сетевые узлы, а также какие отличия есть между их моделями.
Коммутаторы – что это такое?
Коммутатор (он же Ethernet Switch или просто «свитч») – это отдельный узел, служащий для объединения нескольких устройств в локальную сеть. В отличие от маршрутизатора, подключение производится исключительно по кабелю, то есть, устройство не обеспечивает развертывание беспроводной сети. Собственно, в связи с этим на его панели и располагается большое количество стандартных сетевых разъемов RJ45.
На первый взгляд эта особенность может показаться минусом, так как подключение по Wi-Fi, во-первых, гораздо удобнее, а, во-вторых, позволяет использовать даже такое оборудование, которое не имеет порта для проводного подключения (смартфоны, ультрабуки). На практике же, коммутаторы существуют параллельно с маршрутизаторами и решают несколько другие проблемы. В частности, они могут использоваться:
- Для организации сетевого подключения в тех случаях, когда требуется высокая стабильность и скорость, которую не всегда могут обеспечить беспроводные сети.
- При подключении большого числа пользователей, например, в крупном офисе, где Wi-Fi сеть может быть «зашумлена».
- При создании системы видеонаблюдения с большим количеством камер, передающих изображение на один основной компьютер.
- На промышленных объектах, например, для подключения серии датчиков на разных этапах техпроцесса и сбором данных с них на диспетчерском пульте.
- Для использования провайдерами в качестве центрального узла при подключении отдельных абонентов к единому интернет-каналу, подведенному к многоквартирному дому.
Это далеко не полный список возможных вариантов. Например, в нем отсутствует использование в домашней сети, когда портов на роутере не достаточно для подключения всех основных устройств по проводу. Использовать сетевой свитч можно и в этом случае, но чаще всего здесь ему на смену приходит концентратор или, как его еще называют, хаб. На самом деле, в контексте данного материала разница между ними не очень важна, но именно на ней можно проще всего объяснить, за что отвечает коммутатор.
Принцип работы
Визуально, как и хаб, он отвечает за подключение нескольких устройств к одной сети, однако «внутри», на уровне логики передачи сигнала, он работает иначе.
В локальной сети все данные передаются кадрами (фреймами) – условными единицами информации, состоящими из двух частей: «кусочка» передаваемого файла и сервисной информации (в частности адреса «получателя»). В итоге из серии фреймов и формируется непрерывный поток – трафик. Самый простой пример – изображение с камеры наблюдения, транслируемое на пульт охраны.
Сетевой коммутатор или хаб в данном случае играют роль промежуточного звена, усиливающего сигнал и перенаправляющего кадры от передающего устройства к конкретному получателю. Подобный процесс именуется forwarding или, по-русски, ретрансляция.
Хаб принятый с одного из портов кадр ретранслирует на все остальные порты, «не разбираясь», кому он на самом деле предназначен, поскольку конечное устройство по сервисным данным само определит, нужно ему обработать поступивший фрейм или можно его проигнорировать. Основным минусом в данном случае является загрузка каналов «лишними» данными и сопутствующее снижение пропускной способности, возрастающее вместе с числом подключенных устройств, потому как к каждому из них постоянно будет направляться непрерывный поток кадров. Во многом по этой причине максимальное количество портов на хабе ограничивается 12.
Коммутатор можно назвать более «умным» устройством. В его внутренней памяти содержится матрица MAC-адресов всех подключенных устройств. Изначально она пуста, но во время работы автоматически заполняется, позволяя свитчу точно знать, к какому порту, какое устройство в данный момент подключено. Соответственно, при ретрансляции данных каждый фрейм не передается одновременно на все порты, а направляется исключительно от источника к получателю, не нагружая остальные каналы. Таким образом можно получить существенный прирост скорости передачи данных, а точнее, избежать ее ненужного падения даже при большом количестве клиентов и внушительных объемах передаваемых данных. Число стандартных RJ45-портов в свитчах может достигать 48, но во многих случаях одними ими узел не ограничивается и также оснащается дополнительными типами разъемов для подключения, например, оптического кабеля.
Виды свитчей
Итак, что делают и для чего нужны коммутаторы, разобрались, теперь стоит поговорить об их различиях. Их достаточно много, и по большинству ключевых характеристик устройства делятся на несколько групп.
-
– работают в полностью автоматическом режиме без необходимости и возможности воздействия со стороны пользователя. Хорошо подходят для небольших сетей, но в случае большого количества подключенных клиентов коммутатор может стать «бутылочным горлышком», ограничивающим пропускную способность. – поддерживают пользовательское управление через собственный сетевой интерфейс. Оптимальны для крупных компаний.
По классификации в соответствии с эталонной моделью сетевых коммуникаций Open System Interconnect (OSI):
- 2-го уровня – работают только в одном сегменте локальной сети и только с MAC-адресами.
- 3-го уровня – обеспечивают бóльшие возможности подключения за счет поддержки сетевых протоколов IPv4, IPv6, IPX, PPTP, PPPoE, VPN и других.
- 4-го уровня – самые производительные и «мощные» устройства, автоматически анализирующие передаваемые данные и опознающие IP-адреса, протоколы TCP/UDP и прочие параметры.
По типу коммутации:
- Store-and-Forward – полученный кадр получается полностью, проверяется на ошибки и передается далее.
- Cut-through – сквозная передача данных. Считывается только адрес назначения, файл не проверяется на ошибки, поэтому скорость передачи гораздо выше.
- Fragment-free – гибридный режим, в котором считывается адрес и только часть (64 байта) фрейма для проверки.
По ширине пропускания каждого порта:
- Симметричные – все порты имеют одинаковую полосу пропускания, например, строго 100Mbps или 1Gbps.
- Ассиметричные – модели, комбинирующие сразу несколько портов с разной пропускной способностью.
Это далеко не все, чем отличаются коммутаторы, но наиболее основные параметры. Собственно, ими и следует руководствоваться при подборе конкретной модели в соответствии с планируемым вариантом использования.
Читайте также: