Slēdzis: no mehāniskajiem līdz elektroniskajiem un loģiskajiem vārtiem

Slēdzis ir ierīce, kas kontrolē elektriskās ķēdes plūsmu — tas ļauj vai pārtrauc strāvas ceļu. Ikdienā pazīstamākie ir mehāniskie slēdži (piemēram, sienas slēdzis vai dzelzceļa slēdzis), kurus cilvēks vai mehāniska ierīce pārslēdz no vienas pozīcijas uz citu. Ar terminu "slēdzis" parasti apzīmē elektrisko strāvu, taču slēdžu jēdziens ir plašāks un attiecināms arī uz signālu, gaisa vai šķidruma plūsmas kontroles ierīcēm. Turklāt lietojumos, kur nepieciešams liels pārslēgšanas ātrums vai daudzi slēgšanas punkti (piemēram, telefona dienestā), mehāniskos slēdžus aizstāj elektroniskie risinājumi, kurus var vadīt automātiski.

Slēdžu pamatveidi

Slēdžus var iedalīt vairākos galvenajos tipos:

• Mehāniskie slēdži: ieskaitot taustiņslēdžus (push-button), svira/slēdzis (toggle), slīdslēdžus (slide), rotācijas slēdžus (rotary), DIP slēdžus un reed slēdžus. Tie parasti fizikāli saliec vai saspiež kontaktus, lai nodrošinātu vai pārtrauktu ķēdi.
• Elektromehāniskie slēdži: releji, kurus vadot ar mazu strāvu vai spriegumu, tiek pārslēgti mehāniski, lai kontrolētu lielākus slodzes strāvas vai nodrošinātu galvanisko izolāciju.
• Elektroniskie (cietvielu) slēdži: pusvadītāju ierīces (piemēram, tranzistori, MOSFET, IGBT, SCR, triaki), kas pārslēdz elektrisko ceļu bez kustīgām detaļām. Tie atšķiras ar ātru darbību, ilgu mūžu un spēju darboties ar augstām frekvencēm.
• Loģiskie vārti: ja slēdzis tiek traktēts matemātiskā/loģiskā kontekstā, to sauc par vārtiem. Loģiskos vārtus izmanto digitālās shēmās, lai operētā ar bināriem signāliem.

Elektriskie un mehāniskie aspekti

Mehāniskie slēdži ir vienkārši lietojami un parasti lēti, taču tiem ir ierobežojumi: kontakti nolietojas, var rasties contact bounce (kontaktu atlecēšana) un tie parasti nespēj pārslēgt ļoti ātras vai ļoti lielas strāvas bez papildu aizsardzības. Slēdžu nozīmīgākie tehniskie parametri ir:

• Polaritāte un ceļa skaits: SPST, SPDT, DPDT u. c. — vienpolu un daudzpolu slēdžu konfigurācijas.
• Strāva un spriegums: maksimālā pieļaujamā slodze gan pastāvīgā, gan impulsa režīmā.
• Kontaktmateriāli: sudrabs, zelts vai citi sakausējumi, kas ietekmē pretestību, oksidēšanu un kontaktu nodilumu.
• Mūžs: mehāniskā un elektriskā dzīve — cik daudz atveru/aizvēršanu slēdzis izturēs.
• Drošība: aizsardzība pret īssavienojumiem, izolācija un sertifikāti (piem., mājsaimniecības slēdžu drošības prasības).

Elektroniskie slēdži un pusvadītāji

Elektroniskie slēdži izmanto pusvadītāju elementus, kas spēj pārslēgt strāvu ļoti ātri, kā arī integrēti ķēdēs tie aizstāj daudzas mehāniskas funkcijas. Galvenie veidi:

• BJT un MOSFET: izmanto gan zema sprieguma datu līmeņu pārslēgšanai, gan barošanai. MOSFET ir plaši izmantots jaudas pārslēgšanā (piem., motoru vadībai).
• IGBT: apvieno MOSFET un BJT īpašības, piemērots augstai spriegumam un jaudai (invertori, frekvences pārveidotāji).
• SCR un triaki: izmantojami strāvas kontrolei AC ķēdēs un augstas jaudas lietojumos.
• Analogās/elektroniskās slēdžu ķēdes: integrētas šūnas (piem., CD4053 tipa analogie slēdži) pārvieto signālus bez mehāniskām kustībām.
• Optoelektroniskie izolatori: nodrošina vadības signāla izolāciju no slodzes ķēdes, izmantojot gaismas staru starpā.

Elektronisko slēdžu priekšrocības: ātrums, ilgs darba mūžs, bez kontatku atlecēšanas un bieži mazāks elektriskais troksnis. Trūkumi: nepieciešama termiskā vadība, aizsardzība pret pārspriegumu un elektromagnētiskā savietojamība.

Loģiskie vārti un digitālās sistēmas

Slēdzi var skatīt kā loģisku elementu — vārtiem — kad tas ievēro bināras vērtības (1/0, ieslēgts/izslēgts). Loģikā argumentus attēlo ar signālu līmeņiem, un loģiskie vārti (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR) veic pamata darbības, no kurām veidojas sarežģītākas digitālās funkcijas. Elektronisko vārtu izmantošana, lai darbotos kā loģisko vārtu sistēma, ir datora pamatideja — dators ir milzīgs daudzumu elektronisku slēdžu kopums, kas veic loģikas operācijas un datu apstrādi.

Loģisko vārtu realizācija var būt dažāda: no diskrētiem tranzistoriem līdz integrētām TTL vai CMOS mikročipiem. CMOS tehnoloģija ir dominējošā mūsdienu digitālajās IC, jo tai ir zems tukšgaitas enerģijas patēriņš un laba skalējamība.

Praktiskie apsvērumi un piemēri

• Debauns un programmatūras debauns: mehāniskie taustiņslēdži rada kontaktu atlecēšanu; to bieži risina ar RC ķēdēm vai programmatūras filtriem mikrokontrolieros.
• Induktīvo slodžu aizsardzība: releju vai tranzistoru vadības ķēdēs izmanto blakuskondensatorus, diodes (flyback diode) vai snubber ķēdes, lai samazinātu pārsprieguma impulsus.
• Izolācija: ja nepieciešama drošība vai trokšņu atdalīšana, izmanto optorelejas vai transformatorus/galvaniskos atdalītājus.
• Vadība: slēdžus var pārslēgt manuāli vai automātiski (sensoru signāli, elektronika, programmējamie loģikas kontrolieri — PLC).
• Pielietojumi: no vienkāršiem mājsaimniecības slēdžiem un gaismas slēgumiem līdz sarežģītām datu tīklu iekārtām, barošanas regulēšanas moduļiem un automatizētām rūpniecības sistēmām.

Kopsavilkums

Slēdzis ir fundamentāla ierīce gan mehānikā, gan elektronikā — tas var būt vienkāršs mehānisks elements vai ātra un precīza pusvadītāju ierīce. Kad slēdzi interpretē matemātiski vai digitāli, tas kļūst par vārtiem, un šis skatījums ir pamats mūsdienu datoru un elektronikas arhitektūrām. Izvēloties slēdzi konkrētam pielietojumam, svarīgi novērtēt strāvu, spriegumu, ātrumu, mūžu, drošību un nepieciešamo vadības veidu.

Citas nozīmes

Vārds "pārslēgties" var nozīmēt arī mainīt starp divām lietām. Piemēram, uz dzelzceļa līnijas dažreiz sliežu ceļš var sadalīties divās dažādās sliedēs. Ja vilciens brauc pa vienu sliežu ceļu un pārslēdzas uz otru, tas tikko ir pārslēdzies.

Vilcienu sistēmas (šeit - metro) slēdzis.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir slēdzis?

J: Kāds ir visizplatītākais slēdža veids?

J: Ko parasti nozīmē termins "slēdzis"?

J: Kāpēc mehāniskos slēdžus ir aizstājuši elektroniskie slēdži lietojumos, kur nepieciešams vairāk nekā viens slēdzis?

J: Kā sauc slēdzi, ja to izmanto matemātiskā formā?

J: Kā loģikā tiek attēloti argumenti?

J: Kāda ir datora pamatideja?

Meklēt pēc burta