Электромеханический многополюсный переключатель с импульсным управлением.

Введение

Электромеханический многополюсный переключатель, управляемый последовательностью импульсов.

В электротехнике переключатель шагов или реле шага, также известный как униселектор, – это электромеханическое устройство, которое переключает путь входного сигнала на один из нескольких возможных выходных путей, направляемый последовательностью электрических импульсов. Основное применение переключателей шагов заключалось в использовании в ранних автоматических телефонных станциях для маршрутизации телефонных вызовов. Позже они часто использовались в промышленных системах управления. Во время Второй мировой войны они применялись в японских шифровальных машинах, известных в США как CORAL, JADE и PURPLE. Криптоаналитики Блетчли-парка использовали униселекторы, приводимые в действие непрерывно вращающимся двигателем, а не серией импульсов, как в компьютере "Колосс", для криптоанализа немецких шифров "Лоренц". В униселекторе переключатель шагов перемещается только вдоль или вокруг одной оси, хотя несколько наборов контактов часто переключаются одновременно. В других типах, таких как переключатель Строугера, изобретенный Алмоном Брауном Строугером в 1888 году, механическое переключение происходит в двух направлениях, по сетке контактов.

Переключатели на одну ось

Переключатели шагового типа широко использовались в телефонии и промышленных системах управления, когда электромеханические технологии были на пике развития. Базовый переключатель шагового типа – это электрический роторный переключатель с одним (обычно входным) контактом и множеством (обычно выходных) контактов. Как и другие типичные роторные переключатели, один контакт соединяется с одним из множества контактов путем вращения контактного рычага, иногда называемого вытирателем, в требуемое положение. Переход из одного положения в другое называется шагом, отсюда и название механизма. В традиционной терминологии это однополюсный многопозиционный переключатель. Хотя некоторые переключатели имеют только один полюс (слой контактов), типичный переключатель имеет больше; в последнем случае все вытиратели выровнены и двигаются согласованно. Таким образом, один вход с несколькими проводами может быть подключен к одному из множества выходов на основе приема одного набора импульсов. В этой конфигурации вращающиеся контакты напоминали опоры головки в современном жестком диске. Многополюсные переключатели были распространены; некоторые имели до дюжины полюсов, хотя они встречались реже. Большинство переключателей имеют блок неподвижных контактов, охватывающий половину цилиндра, в то время как некоторые имеют только треть цилиндра. Типичный переключатель "полуцилиндра" имеет два набора вытирателей, расположенных друг напротив друга, а тип "треть цилиндра" – три набора, равномерно расположенных. Для любого заданного уровня соединены оба или все три вытирателя, поэтому не имеет значения, какой из двух (или трех) осуществляет соединение. Когда требовался доступ к большему количеству выходов, ротор имел два набора вытирателей, расположенных друг напротив друга, но со смещением по вертикали: в первой половине вращения осуществлялся доступ к одному набору выходов, а во второй половине вращения – к другому. Электромагнит перемещает (шагает) вытиратели в следующее положение при подаче импульса постоянного тока. Якорь магнита (с пружиной) приводит в действие собачку, которая передвигает храповик. Когда собачка достигает конца хода, она блокирует храповик, предотвращая перескок вытирателей. При отключении питания к катушке пружина возвращает собачку в исходное положение. Другая собачка, иногда называемая фиксирующей пружиной, установленная на раме, обеспечивает, чтобы вытиратели не двигались назад; контактное трение удерживает их на месте. Некоторые конструкции униселекторов шагают при подаче рабочего импульса, другие – при его снятии. В большинстве приложений, таких как телефония, желательно иметь возможность возвращать вытиратели в "исходное" положение – в начало вращения, к одному концу массива фиксированных контактов. Некоторые переключатели имеют кулачок, прикрепленный к валу вытирателя. Этот кулачок воздействует на набор контактов, когда вытиратель находится в исходном положении, то есть в начале диапазона вращения. Другие схемы использовали один уровень (полюс) контактов для возврата вытирателей в исходное положение, поэтому отдельные контакты для возврата не требовались. Типичные переключатели шагового типа имеют контакты, непосредственно управляемые якорем шагового магнита; эти контакты могут служить для замыкания цикла магнита ("самошаг") и перемещения вытирателей до тех пор, пока подается питание. Внешние схемы управления отключают питание, когда вытиратели достигают требуемого положения, которое может быть исходным. Большинство переключателей шагового типа вращают вытиратели только в одном направлении, но некоторые являются двунаправленными; последние имеют второй магнит для вращения вытирателей в другую сторону. Существует также разновидность, которая "заводит" пружину по мере последовательного перемещения вытирателя, а храповик удерживает вытиратели от возвращения в исходное положение. Когда схема больше не нужна, другой электромагнит освобождает удерживающую собачку; пружина затем возвращает вытиратели в исходное положение. Переключатели шагового типа были довольно шумными в работе (особенно при самошаге), поскольку их механизмы быстро ускорялись и останавливались для минимизации времени работы. Их звук можно сравнить со звуком некоторых щелчковых механизмов. Тем не менее, они были спроектированы для длительного срока службы при периодическом обслуживании и были достаточно надежными. Одноосные переключатели шагового типа иногда называют униселекторами.

Stepping switches were widely used in telephony and industrial control systems when electromechanical technology was paramount. A basic stepping switch is an electrically operated rotary switch with a single (typically input) terminal, and multiple (typically output) terminals. Like other typical rotary switches, the single terminal connects to one of the multiple terminals by rotating a contact arm, sometimes called a wiper, to the desired position. Moving from one position to the next is called stepping, hence the name of the mechanism. Using traditional terminology, this is a single pole, multi position switch. While some stepping switches have only one pole (layer of contacts), a typical switch has more; in the latter case, all wipers are aligned and move together. Hence, one input with multiple wires could be connected to one of multiple outputs, based on the receipt of a single set of pulses. In this configuration, the rotating contacts resembled the head support arms in a modern hard disk drive. Multipole switches were common; some had perhaps as many as a dozen poles, but those were less common. Most switches have a bank of stationary contacts extending over half a cylinder, while some have only a third of a cylinder. The typical "half cylinder" switch has two sets of wiper contacts opposite each other, while the "third of a cylinder" type has three sets, equally spaced. For any given level, both or all three wipers are connected, so it makes no difference which of the two (or three) is connecting. When access to more outlets was required, the rotor had two sets of wipers opposite each other but offset vertically: on the first half rotation one set of outlets was accessed; the second set of outlets was accessed on the second half rotation. An electromagnet advances (steps) the wipers to the next position when fed with a pulse of DC. The magnet's armature (spring loaded) operates a pawl that advances a ratchet. When the pawl reaches its full stroke, it blocks the ratchet so it and the wipers will not overshoot. When power to the coil disconnects, the spring retracts the pawl. Another pawl, sometimes called a detent spring, pivoted on the frame ensures that the wipers do not move backward; contact friction keeps them in place. Some uniselector designs step on application of the operate pulse; others step on its removal. In most applications, such as telephony, it is desirable to be able to return the wipers to a "home" position; this is at the beginning of rotation, at one end of the array of fixed contacts. Some switches have a cam attached to the wiper shaft. This cam operates a set of contacts when the wiper is at home position, which is at the beginning of the span of rotation. Other circuit designs used one level (pole) of the contacts to home the wipers, so the separate homing contacts were not needed. Typical stepping switches have contacts directly operated by the stepping magnet's armature; these contacts can serve to make the magnet cycle ("self step") and advance the wipers as long as power is applied. The external control circuits remove power when the wipers reach the desired position; that could be the home position. Most stepping switches rotate the wipers in only one direction, but some are bidirectional; the latter have a second magnet to rotate the wipers the other way. A third variety "winds" a spring as the wiper steps progressively, and a ratchet holds the wipers from returning to home position. When the circuit is no longer needed, another electromagnet releases the holding pawl; the spring then returns the wipers to their home position. Stepping switches were quite noisy in operation (especially when self stepping), because their mechanisms accelerated and stopped quickly to minimize operating time. One could compare their sound to that of some snap action mechanisms. Nevertheless, they were engineered for long life, given periodic maintenance; they were quite reliable. Single axis stepping switches are sometimes known as uniselectors.

Двухосный переключатель

Немного сложнее был двухосевой переключатель (также называемый переключателем Строугера или двухпозиционным селектором в Великобритании). Обычно компактная группа щеток могла подключаться к одному из 100 (или 200) различных фиксированных контактов, расположенных в десяти ярусах. В режиме ожидания щетки были разъединены с фиксированными контактами. Щетки перемещались вверх и вниз по вертикальному валу и вращались в контактный блок для установления соединения. Внутренняя пружина вертикального вала возвращала щетки в исходное положение внизу. Этот тип имел две шаговые катушки с храповиками и зубчатыми колесами – одну для подъема щеток к нужным ярусам контактов, а другую для вращения щеток в этих ярусах. Они широко использовались в телефонной коммутации с десятью ярусами по десять контактов. Катушки обычно приводились в действие электрическими импульсами, получаемыми от дискового телефонного аппарата. В двухпозиционном селекторе, при наборе цифры, щетки поднимались по ярусам, а затем автоматически вращались (самоходом) в выбранный ярус, пока не находили свободный выход на следующую ступень коммутации. Последние две набранные цифры управляли конечным переключателем (окончательным селектором в Великобритании). Предпоследняя цифра заставляла щетки подниматься вверх, а последняя – вращаться в ярусе к линии вызываемого абонента. Если линия была свободна, на нее подавалось напряжение звонка, а вызывающему абоненту передавался сигнал вызова. Другим вариантом двухосевого переключателя был переключатель Stromberg Carlson X Y, который был широко распространен на телефонных станциях на западе США. Это был плоский механизм, в котором подвижные контакты перемещались как вбок, так и вперед-назад. Он был достаточно надежным и мог обслуживаться персоналом с минимальной подготовкой.

Приложения

Переключатели применяются в самых разных областях, помимо телефонных систем. Соединяя несколько последовательно, при этом высший выход одного подключается к шаговому контакту следующего, можно построить счетчик. Или, подавая на шаговый контакт непрерывный импульсный сигнал через реле и управляя реле от собственного выхода переключателя, можно заставить его автоматически искать первую обесточенную линию (или запитанную, в зависимости от того, реле нормально разомкнуто или нормально замкнуто). Их также можно использовать в качестве демультиплексора, позволяя двум входным линиям управлять несколькими выходными устройствами. Одна входная линия переключает переключатель до выбора нужного устройства, а другая затем подает на него питание. Существует множество других возможных применений. Такие переключатели использовались в ряде японских шифровальных машин во время Второй мировой войны: CORAL, JADE, PURPLE (эти названия были даны американцами). Британская машина для дешифровки Colossus использовала роторные переключатели, которые применялись для взлома немецкого шифра Lorenz.