Выключатели света: история, типы и особенности устройства

Введение

Тип выключателя в электрической проводке

В электрической проводке выключатель света – это выключатель, наиболее часто используемый для управления электрическими лампами, постоянно подключенным оборудованием или электрическими розетками. Переносные лампы, такие как настольные лампы, могут иметь выключатель света, установленный на патроне, основании или на проводе. Ручные выключатели включения/выключения могут быть заменены диммерами, позволяющими регулировать яркость ламп, а также включать или выключать их, выключателями с таймером, выключателями, реагирующими на движение, и выключателями и диммерами с дистанционным управлением. Выключатели света также встречаются во фонарях, транспортных средствах и других устройствах.

История, культура, примеры и стиль

Первый выключатель света, использующий "технологию быстрого разрыва" (quick break technology), был изобретен Джоном Генри Холмсом в 1884 году в районе Шилдфилд города Ньюкасл-апон-Тайн. Выключатель с "быстрым разрывом" решил проблему возникновения электрической дуги на контактах выключателя при включении или выключении цепи. Дуга вызывала выщербления на одном контакте и накопление нагара на другом, что сокращало срок службы выключателя. Изобретение Холмса обеспечивало быстрое размыкание или замыкание контактов независимо от силы нажатия на механизм выключателя. Благодаря этому механизму "быстрого разрыва" времени для образования дуги было недостаточно, что обеспечивало длительный срок службы выключателя. Эта "технология быстрого разрыва" до сих пор используется почти в каждом обычном выключателе света в мире – их насчитываются миллиарды – а также во многих других типах электрических выключателей. Перекидной выключатель (toggle light switch) был изобретен Уильямом Дж. Ньютоном в 1916 году. Как элемент электрической или домашней проводки, установка выключателей света регулируется органами, отвечающими за безопасность и стандарты. Стандартные размеры настенного монтажного оборудования (коробок, подставок и т.п.) могут различаться в разных странах. Поскольку лицевые подставки должны закрывать это оборудование, эти стандарты определяют минимальные размеры всех настенных устройств. Следовательно, форма и размер коробок и подставок, а также их комплектация, варьируются от страны к стране. Размеры, механическая конструкция и даже общий внешний вид выключателей света медленно менялись с течением времени. Выключатели обычно остаются в рабочем состоянии на протяжении десятилетий, часто заменяются только при перепроводке части дома. Не редкость увидеть выключатели, которым уже больше века, но они все еще функционируют. Производители представляют различные новые формы и стили, но в основном вопросы декора и моды ограничиваются лицевыми или настенными подставками. Даже "современный" диммер с поворотной ручкой существует уже не менее сорока лет, и даже в новейших постройках преобладают привычные перекидные и кнопочные (rocker) выключатели.

The first light switch employing "quick break technology" was invented by John Henry Holmes in 1884 in the Shieldfield district of Newcastle upon Tyne. The "quick break" switch overcame the problem of a switch's contacts developing electric arcing whenever the circuit was opened or closed. Arcing would cause pitting on one contact and the build up of residue on the other, and the switch's useful life would be diminished. Holmes' invention ensured that the contacts would separate or come together very quickly, however much or little pressure was exerted by the user on the switch actuator. The action of this "quick break" mechanism meant that there was insufficient time for an arc to form, and the switch would thus have a long working life. This "quick break" technology is still in use in almost every ordinary light switch in the world today, numbering in the billions, as well as in many other forms of electric switch. The toggle light switch was invented in 1916 by William J. Newton. As a component of an electrical wiring or home wiring system, the installation of light switches is regulated by some authority concerned with safety and standards. In different countries the standard dimensions of the wall mounting hardware (boxes, plates, etc.) may differ. Since the face plates used must cover this hardware, these standards determine the minimum sizes of all wall mounted equipment. Hence, the shape and size of the boxes and face plates, as well as what is integrated, varies from country to country. The dimensions, mechanical designs, and even the general appearance of light switches have changed slowly over time. Switches typically remain in service for many decades, often being changed only when a portion of a house is rewired. It is not unusual to see century old light switches still in functional use. Manufacturers introduce various new forms and styles, but for the most part decoration and fashion concerns are limited to the face plates or wall plates. Even the "modern" dimmer switch with knob is at least forty years old, and in even the newest construction the familiar toggle and rocker switch formats predominate.

Ориентация

Направление, которое обозначает состояние "включено", также различается в разных странах. В США, Канаде, европейских странах, России и других странах обычно состояние "включено" у переключателя соответствует положению "вверх", а во многих других странах, таких как Великобритания, Индия, Австралия, Новая Зеландия (страны Содружества), Ирландия и Китай – положению "вниз". (В схемах с несколькими переключателями соответствие между положением отдельного переключателя и включенным или выключенным состоянием освещения зависит от положения других переключателей в цепи.)

Дизайн

Выключатели могут быть одинарными или многоклавишными, предназначенными для использования в помещении или на улице. Дополнительные опции могут включать диммеры, защиту от внешних воздействий, защиту от погодных условий и обеспечение безопасности. В жилых и небольших коммерческих системах освещения выключатель напрямую управляет цепью, питающей светильники. В более крупных системах освещения, например, на складах или в системах наружного освещения, требуемый ток может быть слишком высоким для ручного выключателя. В таких системах выключатели света управляют осветительными контакторами – реле, которое позволяет ручному выключателю работать с меньшим током и использовать проводку меньшего сечения, чем требуется в основной цепи освещения. В Великобритании не рекомендуется (хотя и не запрещено) устанавливать 13-амперные розетки стандарта BS 1363 на цепь освещения, но часто устанавливают 2-амперные или 5-амперные розетки стандарта BS 546 на цепи освещения, чтобы обеспечить управление напольными или настольными лампами с выключателей света в комнате. В североамериканских стационарных и мобильных домах гостиные и спальни часто оснащаются переключаемой розеткой для напольной или настольной лампы. Такие розетки называют розетками с коммутацией или полунапряженными розетками.

Нажмите кнопку

Выключатель света с кнопочным управлением имеет две кнопки: одна замыкает контакты, а другая размыкает. Нажатие на выступающую кнопку замыкает или размыкает контакты и при этом выталкивает ранее нажатую кнопку, позволяя изменить состояние. В США кнопки обычно были черного цвета, а кнопка "включить" часто имела белую перламутровую (настоящую или имитированную) инкрустацию для обозначения ее функции. По традиции, выключатель устанавливали кнопкой "включить" вверх. Сегодня на рынке можно приобрести реплики выключателей с кнопочным управлением для придания винтажного или аутентичного вида.

Перевернуть

Механизм переключения обеспечивает действие "щелчка" за счет геометрии "за мертвой точкой". Дизайн был запатентован в 1916 году Уильямом Дж. Ньютоном и Моррисом Голдбергом. Однополюсные выключатели с подсветкой получают питание для встроенного источника света (обычно "неоновой" лампы) от тока, проходящего через контролируемые ими лампы. Такие выключатели нормально работают с лампами накаливания, галогенными лампами и неэлектронными люминесцентными светильниками, поскольку небольшой ток, необходимый для питания источника света выключателя, слишком мал, чтобы вызвать видимое свечение от устройств, управляемых этим выключателем. Однако, если они управляют только компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) и/или светодиодными лампами, небольшое количество тока, необходимое для питания источника света внутри выключателя, также медленно заряжает внутренний входной конденсатор в электронном балласте КЛЛ или светодиода, пока напряжение на нем не достигнет уровня, при котором происходит кратковременный разряд через КЛЛ. Этот цикл может повторяться бесконечно, вызывая периодическое кратковременное мигание ламп (и подсветки внутри выключателя) в положении "выключено".

Рокер

Альтернативой переключателю с рычагом является переключатель-качалка. Большие выключатели такого типа в США обычно известны как выключатели стиля "декоратор" или "Decora". "Decora" является торговой маркой компании Leviton, и в последние годы этот термин в США стал общеупотребимым для обозначения любого выключателя-качалки, независимо от производителя. Выключатели этого типа устанавливаются почти заподлицо со стенной пластиной и активируются путем "раскачивания" плоского широкого рычага, а не нажатия короткого выступающего элемента вверх или вниз. В Европе, Бразилии, Гонконге, Малайзии, Сингапуре и Индии этот тип выключателей практически универсален, а выключатели с рычагом считаются устаревшими.

Австралийские качающие переключатели

В Австралии и Новой Зеландии почти повсеместно используется небольшой качающийся переключатель в виде переключательного механизма, который монтируется сзади в стенную пластину, прикрепляемую через монтажные ушки, как показано на фотографии слева. Немного большая "защитная пластина", поставляемая вместе со стенной пластиной или приобретаемая отдельно, затем защелкивается поверх сборки, служа дополнительным изоляционным барьером, закрывающим глубоко утопленные крепежные винты настенной пластины, которые "глубоко установлены" для предотвращения случайного контакта человека. "Защитную пластину" можно снять без использования инструментов, например, при покраске стен. Хотя в Австралии широко доступны более крупные переключатели в стиле "декоратор", преимущество меньших механизмов заключается в том, что на стенные пластины можно установить от одного до шести отдельных переключателей или других механизмов соответствующего размера, таких как диммеры и индикаторные лампы, в том же пространстве, которое занял бы один (или два) переключателя большего размера. Поскольку механизмы небольшие, их также можно монтировать в "архитравные" пластины для установки в местах, где невозможно установить стенную пластину "стандартного" размера. Пример показан на фотографии справа. Все переключательные механизмы не имеют открытых металлических частей, требующих заземления. Хотя переключатели, стенные пластины и защитные пластины разных производителей обычно не взаимозаменяемы, переключательные механизмы этого типа доступны в Австралии с 1951 года. Система модулей Keystone для низковольтных электрических разъемов (запатентована в 1975 году) внешне несколько похожа на эти модули, но конструкция креплений Keystone отличается, и модули Keystone можно снять без инструмента. (Похожая система, но с более крупными переключателями, используется в Италии.) Как показано на фотографии разборки, привод переключателя поворачивается в двух отверстиях по бокам пластикового корпуса переключателя. Приводная планка скользит в двух пазах внутри привода, прижимаемая пружиной сжатия к выемке в общем контактном стержне. Общий контактный стержень свободно качается на небольшом стержне, приваренном к общему выводу. Однако из-за давления, создаваемого пружиной сжатия, общий стержень всегда прижимается к одному из двух контактов. При перемещении привода механическая энергия накапливается в пружине сжатия до тех пор, пока привод не пройдет свою среднюю позицию. В этот момент общий контактный стержень под действием пружины сжатия через приводную планку принудительно отклоняется в противоположном направлении, разрывая соединение с существующим контактом и замыкая соединение с другим контактом. Общий контактный стержень изготовлен из меди с вставкой из более твердого контактного металла на нижней стороне. Он может свободно перемещаться вдоль, но его боковое перемещение ограничено конструкцией литого пластикового корпуса. Винтовые клеммы полые и позволяют вставлять до трех проводов сечением 1 мм² (CSA), скрученных вместе, на глубину до 5 мм и фиксировать их винтом. Винты контактных клемм установлены под небольшим углом для облегчения доступа отвертки после установки переключательного механизма в стенную пластину, перед креплением пластины к стене. Также показана соединительная клемма "петля". Эта клемма не участвует в работе переключателя, но, поскольку есть свободное место, она предусмотрена в качестве изолированной клеммы для соединения других проводов, если это необходимо (например, нейтральных проводов). Каждый австралийский качающийся переключатель на самом деле является однополюсным переключателем с двойным переключением (SPDT), также известным как "переключатель с переключением", и имеет три клеммы. Переключатель той же конструкции также используется на австралийских стенных пластинах розеток. В настоящее время найти какой-либо другой тип переключателя в австралийских домах крайне редко, хотя австралийский стандарт электропроводки AS 3112 не запрещает другие типы. Хотя существует множество вариантов австралийских конструкций и защитных пластин, некоторые дизайнеры и ремонтники могут импортировать переключатели британского и европейского дизайна, когда им требуется определенная отделка. Однако, хотя стандартные австралийские настенные пластины имеют те же размеры, что и используемые в Северной Америке, они отличаются по размерам от используемых в Великобритании или Европе. Переключатели (и другие механизмы) этой австралийской серии в настоящее время доступны в Великобритании (и других странах) вместе со стенными пластинами, соответствующими стандартам монтажа этих стран. В 1960-х годах австралийские качающиеся переключатели в течение короткого времени экспортировались в Соединенные Штаты. Хотя переключатели имели достаточный номинал для использования в цепях на 120 В и имели преимущества в компактности и отличительном внешнем виде, они не смогли закрепиться на американском рынке.

In Australia and New Zealand, a small rocker switch is almost universally used, in the form of a switch mechanism, which is mounted from behind into a wall plate—attaching via mounting lugs, as shown in the photo on the left. A slightly larger "cover plate", supplied with the wall plate, or additional to it, then clips over the assembly, as an additional insulating barrier covering the deep set wall plate mounting screws which are "deep set" to prevent inadvertent human contact. The "cover plate" can be removed without the use of tools, such as when wall painting is required. While larger "decorator" style switches are readily available in Australia, the advantage of the smaller mechanisms is that wall plates are available to mount from one to six individual switch mechanisms, or other correspondingly sized "mechanisms" such as dimmers and indicator lights in the same space as one (or two) switches of larger design could be mounted. Since the mechanisms are small, they can also be mounted into "architrave" plates, for mounting in positions where it is not possible to mount a "standard" sized wall plate. An example is shown in the picture below on the right. All of the switch mechanisms have no exposed metal parts requiring grounding (earthing). While switches, wall plates, and cover plates from different manufacturers tend not to be interchangeable, switch mechanisms of this type have been available in Australia since 1951. The keystone module system for extra low voltage electrical jacks (patented in 1975) is somewhat similar in appearance to these modules, but the design of the keystone mountings are different, and keystone modules can be removed without a tool. (A similar system, but with bigger switches, is used in Italy.) As shown in the disassembly photo, the switch actuator pivots in two holes in the sides of the plastic switch body. An actuator bar slides in two grooves inside the actuator, pressed down by a compression spring into a notch in the common contact bar. The common contact bar is free to rock on a small diameter rod, welded to the common terminal. However, because of the pressure applied by the compression spring, the common contact bar will always be held against one of the two contacts. When the actuator is moved, mechanical energy is stored in the compression spring until the actuator passes its mid position. At that time, the common contact bar is forced in the opposite direction by the compression spring, acting via the actuator bar, thus breaking the connection with the existing contact and making connection with the other contact. The common contact bar is made of copper, with an inlay of harder contact metal on the underside. While it is free to move the required distance lengthwise, it is constrained from moving sideways by the construction of the molded plastic body. The screw terminals are hollow and allow up to at least three 1 mm (CSA) wires, twisted together, to be inserted to a depth of up to and secured with a set screw. The contact terminal set screws are installed at a slight angle to allow easier screwdriver access after the switch mechanism has been installed into a wall plate before fixing the wall plate to the wall. Also shown is a "loop" connection terminal. This terminal plays no part in the action of the switch but, because there is available space, it is provided as an insulated terminal for joining other wires, if required (such as the neutral wires). Each Australian rocker switch mechanism is actually a single pole, double throw (SPDT) Switch, also known as a "two way switch", and has three terminals. A switch of basically the same design is also used on Australian power outlet wall plates. It is now extremely rare to find any other type of switch in Australian homes, although the Australian Wiring Standard AS 3112 does not forbid other types. While many variations of Australian designs and cover plates are available, some designers and renovators may import UK and European designed switches when they desire a particular finish. However, while standard Australian wall mounting plates have the same dimensions as those used in North America, they have different dimensions from those used in the UK or Europe. Switches (and other mechanisms) of this Australian design series are currently available in the UK (and other countries), together with wall plates appropriate to the mounting standards of the countries concerned. For a short time, Australian rocker switches were exported to the United States in the 1960s. Although the switches had adequate ratings for usage on 120 V circuits and had advantages of compactness and distinctive appearance, they failed to establish themselves in the American market.

Устойчивый к вмешательству

В тех случаях, когда схемы освещения не должны быть случайно отключены, например, управление освещением в коридорах и санузлах общественных зданий, таких как школы, может быть установлен выключатель, защищенный от несанкционированного доступа. Для его работы требуется ключ, что препятствует случайному или намеренному отключению.

Класс напряжения

В североамериканских коммерческих и промышленных осветительных системах освещение, подключенное к трехфазным цепям 480Y/277 В, использует напряжения, превышающие номинальное напряжение стандартных выключателей на 120 В.

Ртутный выключатель

Примерно в середине 20-го века появились "тихие" выключатели, использующие ртуть для замыкания контакта, чтобы избежать громкого щелчка, издаваемого пружинными переключателями, которые в то время были распространены. Один из типов ртутных выключателей света использует герметичную стеклянную колбу, которая наклоняется рычагом, заставляя каплю жидкой металлической ртути перетекать с одного конца на другой, соединяя пару контактов и замыкая цепь. Другой тип ртутного выключателя использует металлическое колесо с изолятором, разделяющим его на две половины, в котором есть отверстие, позволяющее ртути соединять обе стороны колеса только в одном положении. Некоторые из этих выключателей также оснащались неоновой лампой, подключенной параллельно контактам, и, следовательно, последовательно с электрической нагрузкой. Это заставляло индикатор слабо светиться в выключенном состоянии, облегчая поиск выключателя в темноте. К 1970-м годам получили широкое распространение другие типы тихих выключателей, не требующие ртути (и, следовательно, более простые и дешевые в производстве), постепенно вытесняя как традиционные "щелкающие" переключатели, так и тихие ртутные выключатели.

Сцепные цепи или шнуры

В подвалах или подсобных помещениях домов иногда устанавливают выключатель света, объединенный со светильником. Выключатель приводится в действие при помощи цепочки или шнура. Также возможно, чтобы выключатель, управляемый шнуром, был отделен от светильника, что особенно часто встречается в британских ванных комнатах. До 2001 года британские правила электропроводки требовали, чтобы все выключатели в ванных комнатах приводились в действие тяговыми шнурами.

Установленный кабель питания

Этот тип выключателя монтируется на шнуре питания, как посередине, так и на конце. Он легкий и в основном используется для маломощных устройств, таких как настольные лампы, настольные вентиляторы, радиоприемники и многие другие приборы с низким энергопотреблением. Обычно это однополюсные выключатели, но они также могут быть двухполюсными. Устанавливаться они могут как посередине между вилкой и прибором, так и на конце кабеля. Существуют также более сложные выключатели для шнуров, например, с несколькими режимами переключения (для ламп с несколькими лампами или вентиляторов с несколькими скоростями – в этом случае они имеют один вход и два или более выхода), регуляторы и диммеры (диммеры для освещения, электрические подушки и матрасы или некоторые вентиляторы с несколькими скоростями). Некоторые старые обогреватели также могут использовать такие выключатели, но с более высоким номиналом. Обычно их номинальный ток составляет от 0,5 А, что в основном ограничивает их использование маломощными лампами при сетевом напряжении, до 6 или даже 10 А (например, для обогревателей). Более высокие номинальные токи также позволяют использовать их в приложениях с высоким током, но низким напряжением (6–24 В).

Выключатель диммера

Диммерный выключатель, более правильно называемый регулятором яркости, содержит твердотельную схему, позволяющую изменять яркость за счет снижения среднего напряжения, подаваемого на лампу.

Электрические переключатели

В принципе, легко проектировать бесшумные переключатели, в которых механические контакты не управляют током напрямую, а лишь подают сигнал твердотельному устройству, такому как тиристор, для замыкания цепи. Было создано и представлено на рынке множество вариантов этой конструкции. Устройства с "сенсорной панелью" можно активировать прикосновением или простым взмахом руки рядом с выключателем. Сенсорные выключатели не имеют движущихся частей и электронным способом коммутируют световую цепь. По состоянию на 1986 год они оставались специализированными устройствами. Электронные переключатели обеспечивают гибкость в отношении различных интерфейсов управления, таких как сенсорные панели, мягкие кнопки, датчики давления или освещенности, интерактивные сенсорные экраны (которые широко используются в авиации для управления освещением) и другие. В общественных зданиях, таких как больницы, часто экономят энергию, используя выключатели с датчиками движения, также известные как датчики присутствия. Датчики присутствия также могут использоваться в жилых помещениях, например, в ванных комнатах, гаражах и коридорах. Беспроводной выключатель обеспечивает дистанционное управление освещением с помощью ручного передатчика. Хотя управляющее устройство может быть выделенным для этой цели, все чаще такие выключатели управляются технологиями (например, Bluetooth или Wi-Fi), которые теперь доступны в смартфонах. Дистанционное управление освещением по проводной сети также возможно, например, с помощью сигнализации X10 по линиям электропитания.

Многостороннее переключение

Два или более выключателя света могут быть соединены между собой для управления освещением, например, с двух концов длинного коридора или с площадок в верхней и нижней частях лестничного марша. Многопозиционное переключение выполняется с помощью специальных выключателей, имеющих дополнительные контакты.

Материалы

Ранние выключатели изготавливались из фарфора для поверхностного монтажа и работали как поворотные выключатели с поворотным механизмом. Позднее для изготовления стали использовать более прочные бакелит и эбонит. Сегодня их делают из современных пластиков, таких как поликарбонат или огнестойкий АБС. Некоторые выключатели могут быть изготовлены из других пластиков, например, полиамида, полипропилена или ПВХ, но в основном это касается выключателей с проводочным подключением (например, выключателей ночных ламп), главным образом из-за снижения веса. Большинство таких выключателей не используются в устройствах большой мощности (в основном в настольных лампах, настольных вентиляторах и некоторых радиоприемниках), как правило, до 2 ампер. В некоторых случаях, особенно в больницах и других общественных местах, видимые части выключателей света изготавливаются из антимикробных материалов, таких как медь, для предотвращения распространения инфекций.