Stikalo – definicija: električna in elektronska stikala ter logična vrata

Razumejte stikala: definicija, vrste (električna, elektronska) in logična vrata ter njihov pomen pri preklopu, avtomatizaciji in delovanju računalnikov.

Stikalo je naprava, ki prekine ali vzpostavi pretok toka v električnem tokokrogu. Najbolj osnovna naloga stikala je preusmerjanje ali vklop/izklop električnega kraja: npr. fizično odmikati en prevodnik od drugega, s čimer se tok ustavi, ali ga znova povezati, s čimer tok teče. Pogosto se z besedo "stikalo" nanašamo na naprave za preklapljanje električne energije v najrazličnejših napravah in inštalacijah. V sistemih, kjer je potrebno obdelovati več povezav hkrati (na primer v telefonska omrežja), so bila zgodnejša mehanska stikala nadomeščena z elektronskimi in digitalnimi rešitvami, ki jih je mogoče upravljati avtomatsko in centralno.

Vrste stikal (mehanska in elektronska)

Mehanska stikala vključujejo enostavne gospodinjske tipe (vklop/izklop luči), vtičnice, tipala (gumbi, tipke), obračalna (rotary), drsna, dvopoložajna, rele in odklopnike. Mehanska stikala običajno vsebujejo premične kontakte, ki se dotikajo ali ločijo; materiali kontaktov, konstrukcija in zaščita proti iskrjenju vplivajo na zanesljivost in življenjsko dobo. Pomembni parametri so nazivna napetost in tok, število preklopov (življenjska doba), odpornost stika in hitrost delovanja. Pri preklapljanju večjih moči je treba upoštevati tudi nastanek električnega loka (iskrenje) in ga zadušiti z ustrezno zaščito ali konstrukcijo (npr. ločilni odklopnik, izklopne komore).

Elektronska stikalna (tranzistorska) in polprevodniška stikala nimajo premičnih delov. Sem spadajo elementi, kot so dioda, BJT, MOSFET, IGBT, tiristorji (SCR), TRIAC in solid-state relays (SSRs). Ti elementi se obnašajo kot stikala v analognih in digitalnih vezjih: v vodilnem stanju imajo majhno upornost (tok teče), v zapornem stanju pa zelo visoko upornost. Elektronska stikala omogočajo veliko večjo hitrost preklapljanja, daljšo življenjsko dobo brez mehanske obrabe in lažje upravljanje z zahtevanimi logičnimi signali. So ključna v močnem pretvarjanju energije (usmerniki, vektorji), regulaciji motorjev in hitrem digitalnem preklapljanju.

Specifikacije in problemi pri preklapljanju

• Nazivna napetost in tok: stikalo mora biti izbrano glede na maksimalne vrednosti, ki jih bo prenašalo.
• Preklopna hitrost: mehanska stikala so počasnejša; polprevodniška stikala omogočajo mikro- do nanosekundne preklope.
• Kontaktni odboj (bounce): pri mehanskih stikalih se ob zapiranju kontakti pogosto kratko odbijejo, kar povzroči več preklopov v zelo kratkem času. To lahko moti digitalne vezja, zato se uporablja debouncing (RC filtriranje, programska logika ali Schmittov sprožilec).
• Preklopna izguba in odvod toplote: polprevodniška stikala imajo upornost v vodenju (Rds(on) pri MOSFETih) in v prehodnih procesih nastane izguba moči, zato je potrebna ustrezna termična obravnava.
• Obraba in vzdržljivost: mehanska stikala se obrabljajo; polprevodniški elementi se lahko poškodujejo zaradi preobremenitev ali temperaturnih nihanj.

Logična stikala in logična vrata

V matematični in digitalni logiki se koncept stikala formalno predstavi kot vrata. Logična vrata izvajajo osnovne booleovske operacije nad logičnimi signali (bit vrednostmi). V najpreprostejših primerih argumenti vhodov nadzorujejo stanje izhoda po vnaprej določenih pravilih:

• NOT (negacija): izhod je nasprotje vhoda.
• AND: izhod je 1, če so vsi vhodi 1.
• OR: izhod je 1, če je vsaj eden od vhodov 1.
• NAND, NOR: negacije AND in OR; sta univerzalna (sama zmoreta zgraditi katerokoli drugo logično funkcijo).
• XOR (izključujoči OR): izhod je 1, če je število visokih vhodov liho.

Logična vrata so v strojni opremi pogosto realizirana s polprevodniškimi elementi (npr. CMOS, TTL). Z združevanjem mnogih takih vrat nastanejo kompleksne funkcije in gradniki računalnikov: aritmetične enote, pomnilniki, registi in krmilne enote. Tako je med drugim osnovna ideja računalnika, da je računalnik sestavljen iz velikega števila elektronskih stikal, ki delujejo kot logična vrata.

Implementacija logičnih vrat

Logična vrata se lahko realizirajo na več nivojih:

• Diskretni tranzistorji: posamezna vrata sestavljena iz nekaj tranzistorjev (pogosto v izobraževalnih vezjih).
• Integrirana vezja (IC): specializirani čipi z enim ali več vrati (npr. 7400 serija TTL, CMOS 4000 serija).
• Programabilne logične matrike (PLA), FPGA: omogočajo konfiguracijo veliko logičnih vrat in vezij v eni napravi.

Ključni parametri logičnih vrat so hitrost (propagacijska zamuda), poraba energije, toleranca nivojev vhodnih signalov (fan-in) in število izhodov, ki jih lahko vozijo (fan-out).

Uporaba in varnost

Stikala so prisotna v vsakdanjih in industrijskih aplikacijah: razsvetljava, nadzor motorjev, komunikacijski sistemi, računalniki, avtomobilske električne sisteme, zaščitni in varnostni krogi. Pri izbiri stikala je treba upoštevati:

• ustrezno nazivno napetost in tok,
• vrsto toka (AC ali DC), saj DC lažje povzroči vztrajen oblok,
• stopnjo zaščite proti vlagi in prahu (IP-rating),
• varovalne zahteve (odklopniki, varovalke, zemeljska zaščita),
• ustrezno ozemljitev in izolacijo pri stiku z nevarnimi napetostmi.

Na koncu je pomembno razumeti razliko med fizičnim pomenom stikala (naprava, ki spreminja pot toka) in matematično ali logično interpretacijo (vrata, ki izvajajo booleovske operacije). V obeh pogledih gre za osnovni koncept: nadzor pretoka — bodisi toka v električnem krogu bodisi informacij (bitov) v logičnem vezju.

Drugi pomeni

Beseda "preklopiti" lahko pomeni tudi zamenjati dve stvari. Na primer, na železniški progi se lahko proga včasih razdeli na dva različna tira. Če vlak vozi po eni progi in prestopi na drugo, je pravkar preklopil.

Stikalo v železniškem sistemu (v tem primeru podzemni železnici).

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je stikalo?

V: Katera je najpogostejša vrsta stikala?

V: Kaj običajno pomeni izraz "stikalo"?

V: Zakaj so mehanska stikala pri aplikacijah, kjer je potrebno več kot eno stikalo, nadomestila elektronska stikala?

V: Kako se imenuje stikalo, kadar se uporablja v matematični obliki?

V: Kako so argumenti predstavljeni v logiki?

V: Kakšna je osnovna ideja računalnika?

Išči po črki