Wyłącznik krańcowy: co to jest, oznaczenia + zasady podłączania

Praktycznie wszystkie zautomatyzowane systemy zawierają takie urządzenie jak wyłącznik krańcowy, odpowiadający za ich wyłączenie po osiągnięciu przez część ruchomą określonego punktu. W systemach sterowania oświetleniem wyłączniki krańcowe są używane jako czujniki. W przypadku wystąpienia zaprogramowanych okoliczności generują sygnał.

Opowiemy wszystko o funkcjonalnym przeznaczeniu i odmianach krańcowych urządzeń wyłączających. W przedstawionym przez nas artykule opisano sprawdzone w praktyce schematy montażowe, wymieniono zasady podłączania. Podano cechy oznaczeń oraz porady dotyczące wyboru.

Czym są wyłączniki krańcowe?

Wyłączniki krańcowe to urządzenia elektrotechniczne przeznaczone do rozłączania i zamykania obwodu roboczego. Montuje się je na ruchomych mechanizmach w celu ograniczenia ich ruchu w określonych granicach. Funkcje wykonywane przez te urządzenia są identyczne jak w przypadku standardowego wyłącznika.

Wnętrze wyłączników krańcowych jest zamknięte w wytrzymałej obudowie, najczęściej metalowej. Wszystkie jego elementy są zoptymalizowane pod kątem łatwego montażu i łatwej orientacji w przestrzeni.

Jasne, różnokolorowe diody LED pozwalają kontrolować zasilanie i zadziałanie czujnika. Dwie pary styków, najczęściej występujące w wyłączniku krańcowym, umożliwiają kontrolę stanu jego podłączenia.

Jeśli przy zwartej parze po przesłaniu sygnału nie następuje jego powrót, wskazuje to na uszkodzenie kabla prowadzącego do wyłącznika. Po zadziałaniu czujnika do przesłania sygnału można użyć rozwartej pary styków.

Czułe czujniki są podstawą w systemach zabezpieczeń przed wyciekami. Po wykryciu wody, do której identyfikacji są przeznaczone, urządzenia nie tylko sygnalizują narastanie sytuacji awaryjnej w trybie dźwiękowym i świetlnym, ale także blokują pracę systemów, którymi transportowana jest woda.

Klasyfikacja według zasady działania

Wyróżnia się trzy główne grupy wyłączników krańcowych: mechaniczne, bezstykowe, magnetyczne. Główną funkcją wszystkich tych urządzeń jest automatyczne odłączanie pracującego mechanizmu w momencie osiągnięcia ustalonej pozycji przez jego część ruchomą. Wyłączniki te służą nie tylko do rozłączania obwodu, ale także do jego zamykania.

Praca łańcucha w czujnikach krańcowych koordynowana jest na dwa sposoby: bezpośrednim oddziaływaniem na ruchome styki oraz sterowaniem pozycyjnym. W pierwszym przypadku nazywane są stykowymi, w drugim — bezstykowymi. Przykładem stykowych wyłączników krańcowych są czujniki odpowiedzialne za zamykanie drzwi samochodowych.

Na zdjęciu przedstawiono konstrukcję wyłącznika krańcowego torowego. Jego głównymi elementami są: pokrywa (1), podstawa (2), styki (3), rolka (4), dźwignia (5), listwa uszczelniająca (6), wprowadzenie przewodu (7).

Czujniki tego typu mogą nie tylko włączać i wyłączać mechanizmy, ale także ustawiać położenie kontrolowanego obiektu. Należą do nich pływakowe wyłączniki, a także czujniki określające poziom paliwa. Sygnałem do ich zadziałania jest zmiana rezystancji odpowiadająca określonemu poziomowi cieczy.

Wadą czujników stykowych jest obecność mechanicznych ruchomych części, stosunkowo krótka żywotność ze względu na nieskuteczną ochronę przed wilgocią i kurzem. Zaletą jest prosta konstrukcja, montaż i eksploatacja. Znacznie bardziej niezawodne pod względem ochrony przed czynnikami zewnętrznymi są wyłączniki bezstykowe. Ich żywotność jest również dłuższa.

Wyłączniki krańcowe mechaniczne

Sterowanie wyłącznikami krańcowymi tego rodzaju odbywa się za pomocą rolki lub dźwigni. Zadziałają one, gdy mechanizm sterujący w postaci kółka, przycisku lub dźwigni doświadczy mechanicznego oddziaływania.

Przy tym następuje zmiana położenia styków – mogą się one zamknąć lub otworzyć. Procesowi towarzyszy sygnał – sterujący lub ostrzegawczy.

Najczęściej wyłączniki krańcowe mają dwa styki – otwarty i zamknięty. Istnieją pojedyncze urządzenia krańcowe, ale występują rzadko. W każdym przypadku styki znajdują się w obudowie każdego, a schemat roboczy z ich numerami jest przedstawiony na panelu.

Konstrukcja rolkowych WK (wyłączników krańcowych) przewiduje wyłączenie poprzez naciśnięcie mechanizmu wykonawczego na przycisk w postaci małego trzpienia. Ponieważ jest on połączony z ruchomymi stykami, w momencie zetknięcia następuje rozwieranie obwodu zasilającego.

Różnica w wyłącznikach dźwigniowych polega na tym, że ich ruchome styki za pomocą cięgła lub przez trzpień są połączone z małą dźwignią. Działanie następuje, gdy mechanizm wykonawczy naciska na tę dźwignię.

Na zdjęciu mechaniczny mikroprzełącznik krańcowy KW4-3Z-3 z listwą dociskową. Różni się od standardowego wielkością skoku elementu roboczego. Stosuje się go w obrabiarkach CNC, drukarkach 3D.

Oprócz standardowych wyłączników krańcowych istnieją również mikrowyłączniki. Działają na tej samej zasadzie, ale ich regulacja podczas montażu wymaga większej precyzji ze względu na niewielki skok. Aby zwiększyć skok roboczy, stosuje się taki zabieg, jak włączenie do obwodu elementu pośredniego – dźwigni z rolką.

Ten typ wyłączników stosuje się zarówno w produkcji, jak i w domu. W konstrukcji windy wykorzystano dużą liczbę wyłączników krańcowych.

Wśród nich znajduje się wyłącznik w postaci czujnika ograniczającego minimalną i maksymalną wysokość skoku windy, sygnalizującego zerwanie liny, wysyłającego sygnał o otwarciu drzwi i wykonującego wiele innych działań. Na drzwiach w wielu mieszkaniach znajdują się mikrowyłączniki, które włączają światło w pokoju po ich otwarciu.

W samochodach takie mechaniczne czujniki krańcowe są włączane do obwodów sygnalizacji i oświetlenia. Ich cechą charakterystyczną jest obecność jednego wejścia z podłączonym do niego potencjałem dodatnim. Obudową jest zacisk ujemny, dociskany do metalowego elementu na karoserii samochodu, wolnego od farby.

Z masą samochodu ten element jest połączony kablem. Głównym warunkiem jest to, że wyłącznik nie może stykać się z mokrą powierzchnią. Czujniki krańcowe podłącza się podczas montażu alarmu samochodowego, korzystając ze schematu. Ich wyjścia można montować zarówno na drzwiach, jak i w kabinie na oprawach oświetleniowych.

Aby włączanie następowało przy otwieraniu drzwi, a wyłączanie przy ich zamykaniu, wykonuje się zwarcie do plusa. Przy obecności podświetlenia sufitu kabiny i drzwi stosuje się blok wyłączników krańcowych, pełniący różne funkcje. W wyniku zadziałania bloku ważne czujniki są blokowane przy próbie otwarcia zamków.

Cechy wyłączników bezstykowych

Jedną z odmian wyłączników krańcowych jest ich modyfikacja bezstykowa (BWK). Komunikacja urządzeń jest ustawiona tak, aby zadziałały, gdy w strefę czułości wejdzie określony obiekt.

Te wyłączniki krańcowe są ustawiane na konkretny materiał i zadany rozmiar. Gdy tylko przedmiot o takich parametrach wejdzie w strefę czułości, zmienia się amplituda drgań generatora.

W samym urządzeniu nie ma ruchomych części, ani nie ma mechanicznego kontaktu między przedmiotem oddziaływania a ustawionym na niego elementem wyłącznika.

BWK składa się z następujących części:

• elementu czujnikowego;
• klucza mocy;
• komponentu analizującego sygnał.

Odległość, na której urządzenie zaczyna działać, jest określana na podstawie modyfikacji czujnika i wymagań procesu. Wyeliminowanie z niego zarówno elementów ruchomych, jak i trących znacznie zwiększa niezawodność działania tych urządzeń.

Czujniki bezstykowe, zwane również czujnikami zbliżeniowymi, mają szerokie możliwości funkcjonalne. Istnieją dwie kategorie – wyłączniki i czujniki położenia.

Pierwszym zadaniem BWC jest wykrycie położenia przedmiotu. Ponadto czujnik wykonuje liczenie, pozycjonowanie, rozdzielanie, sortowanie obiektów. Może kontrolować prędkość, przemieszczenie, obliczać kąt obrotu, korygować przekoszenie oraz wykonywać wiele innych działań.

W warunkach domowych bezkontaktowe wyłączniki są obecnie używane głównie do organizacji sterowania oświetleniem. Jednak w dziedzinie aranżacji systemów “Inteligentnego domu” mają one znacznie większy zakres zastosowań i o wiele więcej perspektyw.

Wrażliwe urządzenia są stosowane w przemyśle, w branży transportowej, jako element automatyzacji, w przetwórstwie ropy naftowej. Ze względu na zasadę wykrywania zbliżających się obiektów rozróżnia się BWC indukcyjne, pojemnościowe, optyczne, ultradźwiękowe.

Indukcyjne czujniki bezkontaktowe

Są dostrojone do materiałów zarówno metalicznych, jak i amorficznych. Wśród reagujących na metal są warianty magnetyczne, ferromagnetyczne. Wewnątrz czujnika znajduje się rdzeń — metalowy lub namagnesowany.

Wyłącznik może otrzymywać zasilanie z dużym rozrzutem wartości napięcia — od 10 V przy prądzie stałym, od 264 V przy prądzie zmiennym. Wytworzenie sygnału wyjściowego następuje przy 0,2 A w przypadku prądu stałego i 0,5 A przy zmiennym.

Jeśli opisać konstrukcję takiego czujnika bardziej szczegółowo, składa się ona z przetwornika, który zawiera miedzianą cewkę umieszczoną w ferrytowej misce. Jej funkcją jest przekierowanie wektora linii elektromagnetycznych na część czołową wyłącznika.

Oscylator w układzie może być zarówno ze stałą opornością ujemną, jak i dowolnego innego typu. Linie pola magnetycznego są zorientowane prostopadle względem kierunku prądu płynącego przez zwoje namagnesowanego rdzenia.

Zmienne pole siłowe jest spowodowane zmiennym napięciem na zaciskach rdzenia. Następnym ważnym elementem jest generator sygnału, tworzący histerezy i zakres działania sygnału sterującego. W jego skład wchodzi detektor sterowany przerzutnikiem.

Na schemacie przedstawiono indukcyjny wyłącznik ruchu w działaniu. Jego głównym elementem jest cewka indukcyjna, zasilana z generatora.

Kluczowym momentem działania indukcyjnego wyłącznika krańcowego są zmiany zachodzące przy zbliżaniu lub oddalaniu obiektu. Gdy tylko próg napięcia przekracza dopuszczalną wartość, czujnik zadziała poprzez włączenie przerzutnika, który otwiera klucz.

Pojemnościowe bezkontaktowe wyłączniki krańcowe

Po pojawieniu się obiektu obwód wibratora urządzenia pojemnościowego uruchamia się, ustawiane są parametry czasu. W miarę zbliżania się przedmiotu do czujnika rośnie jego pojemność, a częstotliwość wytwarzana przez multiwibrator maleje.

Gdy próg częstotliwości zostanie przekroczony, urządzenie wyłączy się. Na tej zasadzie działa wiele modeli czujników ruchu, które wyłączają i włączają żarówki przy wykrywaniu obiektu w strefie czułości.

Schemat strukturalny czujnika pojemnościowego jest podobny do przyrządu indukcyjnego: w obu modelach występuje generator i detektor.

Zasada działania wyłącznika krańcowego typu pojemnościowego opiera się na zmianie pojemności elementu odbiorczego — kondensatora. W takich czujnikach operacja przełączania rozpoczyna się, gdy w ich pole wejdą obiekty dielektryczne i metalowe.

Oprócz generatora wytwarzającego pole elektryczne, w ich konstrukcji znajdują się takie podstawowe części jak demodulator. Pełni on rolę przetwornika amplitudy drgań wysokiej częstotliwości z jednoczesną zmianą napięcia. Kolejnym ważnym elementem jest wyzwalacz (przerzutnik), odpowiedzialny za określony poziom sygnału, przełączanie i zależność histerezową.

W celu podniesienia sygnału wejściowego do ustalonej wartości, w schemat pojemnościowego wyłącznika krańcowego włącza się wzmacniacz. Za kontrolę ustawienia i pracy przyrządu odpowiada wskaźnik LED.

Przed wilgocią i przedostawaniem się cząstek stałych chroni wyłącznik element taki jak kompaund (masa zalewowa). Obudowa z tworzywa sztucznego lub mosiądzu chroni wszystko, co znajduje się w jej wnętrzu, przed uszkodzeniami mechanicznymi. W zestawie znajdują się również elementy mocujące.

Element przełączający w tym przyrządzie znajduje się na kondensatorze i jest płytką współpracującą z wibratorem. Rolę elementu progowego pełni komparator połączony z wibratorem. Ten z kolei jest podłączony do przetwornika częstotliwości i napięcia.

Pojemnościowe wyłączniki krańcowe reagują na materiały stałe, sproszkowane, ciekłe, zarówno przewodzące prąd elektryczny, jak i nieprzewodzące.

Różnica między modelami pojemnościowymi a indukcyjnymi polega na tym, że pierwsze reagują na wilgotność powietrza i zmianę gęstości. Drugie są niewrażliwe na takie oddziaływania.

Budowa wyłączników ultradźwiękowych

Konstrukcja ultradźwiękowych wyłączników krańcowych przewiduje obecność kwarcowych nadajników dźwięku, formujących fale impulsowe o częstotliwości 100–500 kHz, oraz odbiornika, którego ustawienia odpowiadają określonej częstotliwości.

Przy zmianie amplitudy fal dźwiękowych w wyniku manewrów poruszającego się obiektu, mikrowyłącznik BWK rejestruje nowe wartości i na tej podstawie steruje sygnałami wyjściowymi.

Zasada działania czujników ultradźwiękowych opiera się na zmianie czasu, w jakim fala dźwiękowa przemieszcza się od czujnika do kontrolowanego obiektu. Zasięg detekcji takich urządzeń jest dość duży – do 10 m. Dużą ich zaletą jest to, że mogą wykryć przedmiot o dowolnym kształcie i kolorze, który odbija dźwięk.

Działanie tego czujnika ultradźwiękowego opiera się na prostej zasadzie: gdy na jedną jego nóżkę pada sygnał, druga odbiera impuls o długości równej odległości do przedmiotu.

Takie czujniki stosuje się do wykrywania przedmiotów o płaskiej powierzchni, ustawionej prostopadle do linii środkowej detekcji.

Niedokładności w ich działaniu mogą być spowodowane przez:

1. Nagłe, silne prądy powietrza, które wzmacniają lub osłabiają falę.
2. Gwałtowna zmiana temperatury. Przy dużej ilości ciepła emitowanego przez przedmiot zmienia się prędkość propagowanych fal.
3. Odchylenie kąta między płaszczyzną poziomą przedmiotu a osią czujnika od pionu. Jeśli błąd ten przekracza 10°, czujnik nie zadziała.
4. Kanciaste kształty obiektu. W takim przypadku jego detekcja jest bardzo utrudniona.

Drgania rozchodzą się w ośrodkach stałych, gazowych i ciekłych, a prędkość zależy od odpowiednich parametrów. Czujniki ultradźwiękowe nie mają ruchomych części, więc nie ma zależności między liczbą cykli a żywotnością urządzenia. Charakteryzują się podwyższoną odpornością na wszelkiego rodzaju wpływy zewnętrzne.

Optyczne urządzenia bezdotykowe

Bezdotykowe wyłączniki krańcowe tego typu kontrolują przedmioty, zarówno te przesłaniające promieniowanie, jak i je odbijające. Gdy obiekt znajdzie się w przestrzeni między wyłącznikiem a źródłem światła, czujnik przerywa strumień światła. Element odpowiedzialny za to działanie może być przekaźnikowy lub półprzewodnikowy. Zasięg reagowania rozciąga się do 150 m.

To jest zdjęcie optycznego czujnika krańcowego. Określa on położenie punktów krańcowych ruchu części ruchomych w drukarkach 3D, obrabiarkach CNC.

Czujniki zbliżeniowe działają w szerokim zakresie temperatur – od -60 do +150°C. Wytrzymują ciśnienie około 500 atm, mogą być eksploatowane w środowisku agresywnym, a nawet w atmosferze zwiększonego zagrożenia wybuchem.

Magnetyczne odmiany krańcowe

Ten typ wyłączników, zwany inaczej pływakowymi lub kontaktronami, stopniowo wypiera modele mechaniczne. Ich styki zmieniają położenie, gdy znajdują się w pewnej odległości od magnesu. W tym momencie do obwodu sterowania wysyłany jest sygnał.

W wyłączniku kontaktronowym znajduje się jeden lub dwa styki wykonane ze specjalnego materiału – ferromagnetyka. Magnetyczny wyłącznik krańcowy charakteryzuje się małymi wymiarami. Umieszcza się go w obudowie z tworzywa sztucznego lub szkła, a w obwodzie elektrycznym montuje się go w jego przerwie.

Styki w takim przełączniku mogą być otwarte, zamknięte, przełączane. W urządzeniach pierwszego rodzaju styk przy zadziałaniu zamyka się. Styki normalnie zamknięte rozwierają się w podobnych okolicznościach, a przełączane zachowują się w zależności od sytuacji.

Wybór modelu zależy od konkretnych okoliczności. Czujniki kontaktronowe stosuje się w konstrukcji bram przesuwnych. Za ich pomocą realizowane jest zatrzymanie konstrukcji po osiągnięciu przez nią skrajnego położenia przy otwieraniu lub zamykaniu.

Niektórne modele pływakowe stosuje się jako część alarmu ochrony przy wejściu do domu. Gdy drzwi są zamknięte, obwód jest zamknięty z powodu oddziaływania pola magnetycznego na wyłącznik krańcowy. Otwierające się drzwi powodują przemieszczenie magnesu i rozwarcie styku, co uruchamia alarm.

Podczas montażu magnesów należy uwzględnić ich biegunowość. Przy nieprawidłowym montażu nie będą spełniać przypisanych im funkcji.

Fakt, że w tej konstrukcji nie ma mechanicznego styku, jest jej zaletą, zwiększającą trwałość. Charakteryzują się najprostszą strukturą, opartą na oddziaływaniu styków sterowanych magnetycznie ze zwykłym magnesem.

Zasady i specyfika podłączania

Choć same wyłączniki krańcowe są skonstruowane dość prosto, używa się ich w urządzeniach ze złożonymi obwodami elektrycznymi. W związku z tym ich podłączenie powinno być wykonywane przez specjalistów i ściśle według schematów zasadniczych, w oparciu o specyfikę techniki.

Rozważmy przykład podłączenia prostego mechanicznego przełącznika w drukarce 3D. Jest to potrzebne, aby ustawić skrajne współrzędne dla jej wózka. Podłączany wyłącznik krańcowy ma 3 styki — COM, NO, NC. W stanie rozwartym czujnika pierwszy i ostatni styk znajdują się pod napięciem +5V. Drugi styk (NO) jest uziemiony.

Na schemacie styki COM (1) i NO (2) są w stanie zamkniętym, a COM i NC (3) są rozwarte. Gdy wózek drukarki osiągnie skrajne położenie, styki COM i NC łączą się i następuje jego odbicie o 2 mm.

Czujnik podłącza się za pomocą dwóch przewodów — czerwonego i czarnego. Gdy urządzenie zadziała, powinien rozlegnąć się typowy klik. Wyłącznik wskaźnikowy podłącza się według tego samego schematu, ale ma on trzeci przewód — zielony.

O jego zadziałaniu sygnalizuje zapalona dioda LED i klik. Jego złącza na płycie mają oznaczenia: dla przewodu czerwonego V (+5 V), dla czarnego — G (masa), dla zielonego — S (sygnał).

Takimi samymi literami oznaczone są złącza również w wyłączniku optycznym. Będzie on dokładniej kontrolować pracę wózka, ale może dawać błędy przy zapyleniu i świetle słonecznym. Zadziałanie pary optycznej towarzyszy włączeniu diody elektroluminescencyjnej i odbywa się całkowicie bezgłośnie.

Konwersja wyłączników krańcowych jest szeroko stosowana przez stolarzy, montując je w szafach przesuwnych. Podłączenie wykonuje się zgodnie z instrukcją dołączoną do każdego modelu. Na schemacie wskazane jest miejsce mocowania plastikowej konstrukcji z przyciskiem. Dla drzwi środkowych należy zamontować go tak, aby nie przeszkadzał w prawidłowym przesuwaniu innych drzwi segmentu po prowadnicach.

Na schematach przedstawiono kolejność podłączania wyłączników krańcowych dla drzwi przesuwnych w szafach (wariant b) i dla drzwi uchylnych (wariant a)

W przypadku montażu wyłącznika krańcowego dla drzwi uchylnych, mocuje się go za pomocą wkrętów wewnątrz szafy. W stanie zamkniętym drzwi naciskają przycisk, rozwierają obwód i oświetlenie nie działa. W stanie otwartym drzwi zwalniają przycisk i włącza się oświetlenie.

Oznaczenia wyłączników krańcowych

Każde z tych urządzeń łączeniowych ma odpowiednie oznaczenie. Odczytywując je, można uzyskać wszystkie informacje o konkretnym modelu wyłącznika krańcowego. Jeśli widnieje na nim napis WU222M, oznacza to, że mamy do czynienia z wyłącznikiem krańcowym serii WU222. Element ruchomy to ulepszona dźwignia.

Na tym schemacie strukturalnym przedstawiono symbol graficzny wyłącznika krańcowego przeznaczonego do pracy w obwodach sterowania zasilanych prądem przemiennym i stałym o maksymalnym napięciu 660 V

Szczegółowo odczytamy dla przykładu oznaczenie wyłącznika WP 15M4221-54U2. Jest on wyposażony w jeden ruchomy element czynny serii 15. Posiada jeden zestyk zwierający i jeden rozwierający, wyposażony w popychacz z rolką.

Poziom ochrony to IP54 od strony napędu, «U» oznacza wykonanie klimatyczne, a cyfra 2 – kategorię umieszczenia. Produkt jest zgodny z TU U 31.2-25019584-005-2004.

Wiodący producenci w segmencie

Takie czujniki produkuje wiele firm. W ich gronie są uznani liderzy. Wśród nich niemiecka firma Sick, jako główny producent tego typu wyrobów wysokiej jakości. Firma Autonics dostarcza na rynek wyłączniki krańcowe bezstykowe typu indukcyjnego i pojemnościowego.

Bezstykowe czujniki wysokiej jakości produkuje rosyjska firma «TEKO». Wyróżniają się bardzo wysoką szczelnością (IP 68). Te wyłączniki krańcowe działają w najbardziej niebezpiecznych środowiskach, w tym wybuchowych, dostępne są różne metody montażu.

Cieszą się popularnością wyłączniki krańcowe ukraińskiego producenta «Promfaktor». Tutaj produkuje się wyłączniki i przełączniki krańcowe WP, PP, WU. Gwarancja, pod warunkiem przestrzegania wszystkich zasad eksploatacji, wynosi 3 lata.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Wideo #1. Popularnie o wyłączniku krańcowym:

Wideo #2. Instalacja WK na domowej robocie maszynie CNC.

Przeznaczenie wyłączników krańcowych może być bardzo różne. Stosuje się je zarówno w skomplikowanych systemach przemysłowych, jak i w gospodarstwie domowym, aby zwiększyć nasz komfort. Najważniejsze, aby ich podłączenie do obwodu elektrycznego wykonać dopiero po całkowitym odłączeniu napięcia.

Proszę pisać komentarze w bloku znajdującym się poniżej. Być może podzieli się Pan/Pani informacjami, które będą przydatne dla odwiedzających stronę. Proszę zamieszczać posty z rekomendacjami, publikować zdjęcia na temat, zadawać pytania.