Διακόπτης

Διακόπτης ονομάζεται κάθε ηλεκτρικό εξάρτημα που μεταβάλλει τη δυνατότητα διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτό.

Αρχή λειτουργίας
Οι διακόπτες έχουν σημεία με τα οποία συνδέονται με το κύκλωμα τα οποία ονομάζονται ακροδέκτες. Κάθε διακόπτης έχει δύο καταστάσεις, την κατάσταση που είναι κλειστός και την κατάσταση που είναι ανοικτός. Όταν ένας διακόπτης είναι ανοικτός δεν επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ των ακροδεκτών του, ενώ όταν είναι κλειστός επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ των ακροδεκτών του. Ο διακόπτης διατηρεί την κατάσταση στην οποία βρίσκεται, ενώ αυτή μεταβάλλεται μόνο από εξωτερικούς του στοιχείου παράγοντες, όπως είναι το πάτημα ενός κουμπιού ή αλλαγή στο ηλεκτρικό πεδίο. Κάθε κλειστός διακόπτης μπορεί να ανοίξει, ενώ κάθε ανοικτός διακόπτης μπορεί να κλείσει.

Η αλλαγή της κατάστασης ενός διακόπτη γίνεται είτε μεταβάλλοντας την αγωγιμότητα ενός τμήματός του που παρεμβάλλεται μεταξύ των ακροδεκτών του είτε αλλάζοντας την απόσταση μεταξύ δύο αγώγιμων μερών του, που ονομάζονται επαφές. Συνήθως ο πρώτος τρόπος χρησιμοποιείται σε αυτόματους διακόπτες, ενώ ο δεύτερος σε χειροκίνητους. Σε αυτήν την περίπτωση μία επαφή είναι σταθερή στη θέση της, ενώ η άλλη μετακινείται μηχανικά.

Για να διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα μέσω ενός διακόπτη, πρέπει να είναι κλειστός και να εφαρμοστεί στους ακροδέκτες του διαφορά δυναμικού. Για να μη διέλθει ηλεκτρικό ρεύμα αρκεί να είναι ανοικτός, αν και είναι πιθανό όταν είναι κλειστός να μη διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, γιατί δεν υπάρχει τάση.

Χρήσεις
Ο διακόπτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για να απομονώσει τμήμα ενός κυκλώματος. Το κύκλωμα ονομάζεται κλειστό, όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, γιατί το σχέδιό του είναι μια κλειστή καμπύλη. Το κύκλωμα ονομάζεται ανοικτό, όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός, γιατί το σχέδιό του είναι μια ανοιχτή καμπύλη. Αυτή η ορολογία αντιτίθεται στην καθημερινή ορολογία η οποία περιγράφει το ίδιο φαινόμενο, για παράδειγμα λέμε άνοιξε το φως ή άνοιξε το διακόπτη και εννοούμε, στην ηλεκτρολογική ορολογία, κλείσε το κύκλωμα που παράγει φως.

Έτσι, οι διακόπτες επιτελούν τις εξής τρεις λειτουργίες:
Ανοίγουν σε εξαιρετικές περιπτώσεις ένα κύκλωμα, όπως για παράδειγμα ο γενικός διακόπτης ενός νοικοκυριού.
Κλείνουν σε εξαιρετικές περιπτώσεις ένα κύκλωμα, όπως για παράδειγμα ο συναγερμός ενός νοικοκυριού.
Δίνουν τη δυνατότητα επιλογής της κατάστασης ενός κυκλώματος, όπως για παράδειγμα ένα φωτιστικό σε κομοδίνο.

Επιπλέον, οι διακόπτες μεταφέρουν τις στοιχειώδεις πληροφορίες 0 ή ψευδής όταν είναι ανοιχτοί και 1 ή αληθής όταν είναι κλειστοί, όπως συμβαίνει στους υπολογιστές.

Ιδανικός διακόπτης

Ο ιδανικός διακόπτης μεταβάλλει ακαριαία την κατάστασή του και δε συμβαίνει καμία μετατροπή ενέργειας σε αυτόν. Η λειτουργία του διακόπτη είναι πλήρως ανεξάρτητη από το είδος του ηλεκτρικού ρεύματος που χρησιμοποιείται (συνεχές ή εναλλασσόμενο).

Στην πραγματικότητα όλοι οι διακόπτες έχουν ωμική αντίσταση, άρα και θερμικές απώλειες, όπως όλοι οι αγωγοί. Οι θερμικές απώλειες περιορίζονται, όπως και στους αγωγούς, χρησιμοποιώντας κατάλληλα υλικά και με βάση το μέγεθος και σχήμα του διακόπτη. 

Όταν ένας διακόπτης μεταβάλλει την κατάσταση του μπορεί να προκληθεί σπινθήρας. Ο πιο συνηθισμένος τρόπος κατάπνιξης της αναπήδησης που προκαλούν το σπινθηρισμό (όταν συμβαίνει) είναι η χρήση ενός δισταθούς πολυδονητή τύπου RS (RS flip-flop). Σπινθήρες μπορεί να προκληθούν ακόμη και όταν είναι κλειστός ο διακόπτης, αν το μονωτικό υλικό του διακόπτη (ο αέρας) έχει μικρότερη διηλεκτρική αντοχή από αυτήν που χρειάζεται για να αντέξει τη διαφορά δυναμικού στις επαφές. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπιστεί αλλάζοντας το μονωτικό υλικό με άλλο ισχυρότερο, όπως λάδι, ή χρησιμοποιώντας πυκνωτή αν πρόκειται για συνεχές ρεύμα. 

Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι οι επαφές του διακόπτη, όταν είναι ανοιχτός, μπορούν να λειτουργήσουν ως πυκνωτής. Αυτό διορθώνεται προσαρμόζοντας το σχήμα του διακόπτη, την απόσταση των επαφών και τη διηλεκτρική σταθερά του μονωτή.

Είδη διακοπτών

Ανάλογα με τη χρήση τους υπάρχουν τα εξής είδη διακοπτών:

Απλός διακόπτης:Είναι ο διακόπτης δύο ακροδεκτών και των δύο βασικών καταστάσεων ανοιχτός και κλειστός. Αποτελεί το πιο απλό και σημαντικό παράδειγμα διακόπτη. Παράδειγμα τέτοιου διακόπτη είναι ο διακόπτης ενός επιτραπέζιου φωτιστικού.
Αποζεύκτης:Διακόπτης ο οποίος ελέγχει την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε μία ηλεκτρική εγκατάσταση ή σε ένα μέρος της από το δίκτυο ηλεκτροδότησης. Ελέγχει ταυτόχρονα όλες τις φάσεις που χρησιμοποιούνται σε αυτό το μέρος της εγκατάστασης. Συνήθως αμέσως μετά τον αποζεύκτη τοποθετείται η ασφάλεια. Υπάρχουν και περιπτώσεις όπου αυτά τα δύο εξαρτήματα είναι συνενωμένα σε έναν ασφαλειαποζεύκτη, ή για σχετικά μικρότερες τάσεις σε μικροαυτόματο.
Μεταγωγός:Ο μεταγωγός έχει τρεις ακροδέκτες και δύο καταστάσεις. Έχει τρεις επαφές και κάθε φορά συνδέει μία μετακινούμενη επαφή με μία από τις άλλες δύο σταθερές επαφές. Χαρακτηριστικό γνώρισμα είναι ότι πάντα μπορεί να διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Ηλεκτρονόμος (ρελέ):Ανοίγει ή κλείνει ένα κύκλωμα κάτω από τον έλεγχο ενός άλλου ηλεκτρικού κυκλώματος.

Ως διακόπτες επίσης λειτουργούν:
Φωτοκύτταρο: Λειτουργεί ως διακόπτης του οποίου η κατάσταση εξαρτάται από την ύπαρξη φωτός ή τον εντοπισμό κίνησης.
Τρανζίστορ: Λειτουργεί ως διακόπτης ανάλογα με τη διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται σε δύο άλλους του ακροδέκτες.
Στοιχείο μεταβλητής αντίστασης(ονομάζεται και μεταβλητή αντίσταση): Αυξάνοντας την αντίσταση, μειώνεται η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν η αντίσταση γίνει πολύ μεγάλη, η ένταση γίνεται αμελητέα, δηλαδή ουσιαστικά δεν υπάρχει ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτή η κατάσταση μπορεί να χαρακτηριστεί ως ανοιχτός διακόπτης. Ένα απλό παράδειγμα είναι το ποτενσιόμετρο.

Υπάρχουν και άλλα ηλεκτρικά στοιχεία και μικρά κυκλώματα που λειτουργούν σαν διακόπτες, όπως πολλοί αισθητήρες και στοιχεία της ηλεκτρονικής.

Διακόπτες δικτύων ισχύος

Διακόπτες Μέσης και Υψηλής Τάσεως

Στα δίκτυα εναλλασσομένου ρεύματος μέσης τάσεως (1-22kV) και υψηλής/υπερυψηλής τάσεως (66-400kV) οι διακόπτες ταξινομούνται ως εξής:
 Αποζεύκτες-γειωτές: Οι αποζεύκτες δεν έχουν δυνατότητα διακοπής ή αποκατάστασης αξιόλογου ρεύματος, όμως έχουν μεγάλη απόσταση μεταξύ των επαφών και εξασφαλίζουν (σε συνεργασία με τους γειωτές) ότι ένα κύκλωμα είναι ασφαλές ώστε να εργασθεί προσωπικό σε αυτό. Οι γειωτές είναι διακόπτες με ανάλογα χαρακτηριστικά με τους αποζεύκτες, με τους οποίους αλληλομανδαλώνονται και εξασφαλίζουν ότι όταν ο αποζεύκτης είναι ανοικτός, το κύκλωμα συνδέεται στη γείωση.
 Διακόπτες φορτίου: Έχουν δυνατότητα διακοπής μόνο του κανονικού ρεύματος λειτουργίας ενώ μπορούν να κλείσουν χωρίς βλάβη ακόμα και αν υπάρχει βραχυκύκλωμα. Είναι εφοδιασμένοι με ελατήριο για την γρήγορη απομάκρυνση των επαφών. Αποτελούν μέσα χειρισμού και χρησιμοποιούνται για χειρισμό ηλεκτροκινητήρων, ζεύξη αναχωρήσεων γραμμών, συγχρονισμένη σύνδεση ηλεκτρογεννητριών κλπ.
 Διακόπτες ισχύος ή αυτόματοι: Οι διακόπτες ισχύος αποτελούν μέσα προστασίας και σπανίως χρησιμοποιούνται για χειρισμούς. Έχουν δυνατότητα ταχείας διακοπής του πολύ μεγάλου ρεύματος που ρέει στα δίκτυα ΜΤ και ΥΤ σε περίπτωση βραχυκυκλώματος, μέσω ειδικών διατάξεων που σβήνουν το τόξο που σχηματίζεται ανάμεσα στις επαφές τους. Οι συνηθέστεροι τύποι σήμερα είναι οι διακόπτες πτωχού ελαίου και οι διακόπτες SF6. Οι διακόπτες ισχύος διαθέτουν ισχυρότατο ελατήριο το οποίο εξασφαλίζει την ταχεία απομάκρυνση των επαφών εντός ελάχιστου χρόνου, κάτω των 5 ms. Αν ο μηχανισμός του ελατηρίου ενεργοποιηθεί και ο διακόπτης ανοίξει, πρέπει να οπλίσει εκ νέου, πράγμα που επιτυγχάνεται με χρήση ηλεκτροκινητήρα ή βοηθητικού χειροστροφάλου.

Διακόπτες χαμηλής τάσης

Στα δίκτυα ΧΤ (τυπικά έως 1000V) δεν υπάρχει ιδιαίτερη κατηγορία αποζευκτών, διότι αφενός είναι δυνατή η εργασία προσωπικού υπό τάση, αφετέρου δε οι διακόπτες φορτίου εξασφαλίζουν επαρκή απόζευξη. Υπάρχουν μόνο διακόπτες φορτίου (χειρισμού) και διακόπτες ισχύος (προστασίας) ή αυτόματοι. Αυτοί έχουν τις ίδιες βασικές ιδιότητες με τους αντίστοιχους διακόπτες μέσης τάσης αλλά είναι πολύ απλούστεροι και φθηνότεροι. Σε απλές εγκαταστάσεις και για ρεύματα μέχρι 100A χρησιμοποιούνται οι λεγόμενοι μικροαυτόματοι, οι οποίοι είναι ιδιαίτερα χαμηλού κόστους.

Εκτός από απλές εφαρμογές (οικιακές, φωτισμός κλπ) στις περισσότερες περιπτώσεις ο χειρισμός και έλεγχος των φορτίων γίνεται με ηλεκτρονόμους (ρελέ) ισχύος αντί για απλούς χειροκίνητους διακόπτες. Ο λόγος είναι ότι οι ηλεκτρονόμοι συνεργάζονται άμεσα με συστήματα αυτοματισμού, από τα απλούστερα με πιεστικούς διακόπτες START-STOP μέχρι προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές (PLC) και περίπλοκα συστήματα αυτομάτου ελέγχου.

Παραπομπές

Βιβλιογραφία
 
 EN 60934:2001 "Circuit-breakers for equipment (CBE)" (IEC 60934:2000)
 EN 60947 "Low-voltage switchgear and controlgear", parts 1 to 5 (IEC 60947)
 EN 60898-1:2003 "Electrical accessories - Circuit breakers for overcurrent protection for household and similar installations -- Part 1: Circuit-breakers for a.c. operation" (IEC 60898-1:2002)

Ηλεκτρολογία
Αλληλεπίδραση ανθρώπου-μηχανής