يُحوّل

مفاتيح كهربائية. من الأعلى، من اليسار إلى اليمين: قاطع الدائرة، مفتاح الزئبق ، مفتاح الرقاقة، مفتاح DIP ، مفتاح التثبيت السطحي، مفتاح القصب . من الأسفل، من اليسار إلى اليمين: مفتاح الحائط (  النمط الأمريكي)، مفتاح التبديل المصغر، مفتاح الخط، مفتاح الضغط، مفتاح التأرجح، المفتاح الصغير.

في الهندسة الكهربائية ، المفتاح هو عنصر كهربائي يُستخدم لفصل أو توصيل مسار التيار في الدائرة الكهربائية ، مما يؤدي إلى قطع التيار الكهربائي أو تحويله من موصل إلى آخر. [ 1 ] [ 2 ] النوع الأكثر شيوعًا من المفاتيح هو جهاز كهروميكانيكي يتكون من مجموعة واحدة أو أكثر من نقاط التلامس الكهربائية المتحركة المتصلة بدوائر خارجية. عندما تتلامس نقاط التلامس، يمر التيار بينها، بينما لا يمر التيار عندما تكون منفصلة.

تُصنع المفاتيح الكهربائية بأشكالٍ وتكويناتٍ متنوعة؛ فقد تحتوي على مجموعاتٍ متعددة من نقاط التلامس التي يتم التحكم بها بواسطة مقبضٍ أو مُشغّلٍ واحد، وقد تعمل نقاط التلامس في آنٍ واحد، أو بالتتابع، أو بالتناوب. يمكن تشغيل المفتاح يدويًا، كمفتاح الإضاءة أو زر لوحة المفاتيح، أو قد يعمل كعنصر استشعارٍ لتحديد موضع جزءٍ من آلة، أو مستوى سائل، أو ضغط، أو درجة حرارة، مثل منظم الحرارة . توجد أنواعٌ متخصصةٌ عديدة، مثل مفتاح التبديل ، والمفتاح الدوار ، ومفتاح الزئبق ، ومفتاح الضغط ، ومفتاح العكس ، والمرحل ، وقاطع الدائرة . من الاستخدامات الشائعة التحكم في الإضاءة، حيث يمكن توصيل عدة مفاتيح في دائرةٍ واحدةٍ لتسهيل التحكم في وحدات الإضاءة. يجب أن تتمتع المفاتيح في الدوائر عالية الطاقة بتصميمٍ خاصٍ لمنع حدوث شرارةٍ كهربائيةٍ مُدمرةٍ عند فتحها.

وصف

ثلاثة مفاتيح ضغط تعمل باللمس

أكثر أنواع المفاتيح شيوعًا هو جهاز كهروميكانيكي يُشغَّل يدويًا، ويحتوي على مجموعة أو أكثر من نقاط التلامس الكهربائية المتصلة بدوائر خارجية. يمكن أن تكون كل مجموعة من نقاط التلامس في إحدى حالتين: إما "مغلقة"، أي أن نقاط التلامس متلامسة ويتدفق التيار الكهربائي بينها، أو "مفتوحة"، أي أن نقاط التلامس منفصلة والمفتاح غير موصل للكهرباء. عادةً ما تكون آلية الانتقال بين هاتين الحالتين (مفتوحة أو مغلقة) (مع وجود أنواع أخرى من الآليات) إما "آلية تبديل " (تحريك المفتاح لتشغيل أو إيقاف التشغيل بشكل مستمر) أو " آلية لحظية " (الضغط للتشغيل والإفلات للإيقاف).

يمكن التحكم بالمفتاح مباشرةً بواسطة الإنسان كإشارة تحكم لنظام ما، مثل زر لوحة مفاتيح الكمبيوتر، أو للتحكم في تدفق الطاقة في دائرة كهربائية، مثل مفتاح الإضاءة . ويمكن استخدام المفاتيح التي تعمل تلقائيًا للتحكم في حركة الآلات، على سبيل المثال، للإشارة إلى أن باب المرآب قد وصل إلى وضع الفتح الكامل أو أن آلة التشغيل في وضع يسمح لها باستقبال قطعة عمل أخرى. ويمكن تشغيل المفاتيح بواسطة متغيرات العملية مثل الضغط ودرجة الحرارة والتدفق والتيار والجهد والقوة، حيث تعمل كمستشعرات في العملية وتُستخدم للتحكم التلقائي في النظام. على سبيل المثال، منظم الحرارة هو مفتاح يعمل بدرجة الحرارة ويُستخدم للتحكم في عملية التسخين. ويُسمى المفتاح الذي يتم تشغيله بواسطة دائرة كهربائية أخرى بالمرحل . ويمكن تشغيل المفاتيح الكبيرة عن بُعد بواسطة آلية محرك. وتُستخدم بعض المفاتيح لعزل الطاقة الكهربائية عن النظام، مما يوفر نقطة عزل مرئية يمكن قفلها إذا لزم الأمر لمنع التشغيل العرضي للآلة أثناء الصيانة، أو لمنع الصدمة الكهربائية.

المفتاح المثالي لا يُظهر أي انخفاض في الجهد عند إغلاقه، ولا توجد قيود على تصنيف الجهد أو التيار. كما أنه يتميز بزمن صعود وهبوط معدوم أثناء تغيير الحالة ، وينتقل بين حالتي التشغيل والإيقاف بسلاسة تامة.

لا ترقى المفاتيح العملية إلى مستوى هذا النموذج المثالي؛ فنتيجةً للخشونة وتراكم طبقات الأكسيد، تُظهر مقاومة تلامس ، وحدودًا على التيار والجهد اللذين يمكنها تحملهما، وزمن تبديل محدود، وما إلى ذلك. غالبًا ما يُستخدم المفتاح المثالي في تحليل الدوائر الكهربائية لأنه يُبسط نظام المعادلات المطلوب حله بشكل كبير، ولكن هذا قد يؤدي إلى حل أقل دقة. يتطلب تصميم الشبكات الكبيرة من المفاتيح، كما هو الحال في مقاسم الهاتف، معالجة نظرية لتأثيرات الخصائص غير المثالية.

جهات الاتصال

مفتاح تبديل في وضع "التشغيل"

في أبسط الحالات، يتكون المفتاح من قطعتين موصلتين، غالباً من المعدن ، تُسميان نقاط التلامس ، متصلتين بدائرة كهربائية خارجية، تتلامسان لإكمال الدائرة، وتنفصلان لفتحها. يُختار مادة نقاط التلامس لمقاومتها للتآكل، لأن معظم المعادن تُكوّن أكاسيد عازلة تمنع المفتاح من العمل. كما تُختار مواد نقاط التلامس بناءً على التوصيل الكهربائي ، والصلابة (مقاومة التآكل الاحتكاكي)، والقوة الميكانيكية، وانخفاض التكلفة والسمية. يُحدد تكوّن طبقات الأكسيد على سطح التلامس، بالإضافة إلى خشونة السطح وضغط التلامس، مقاومة التلامس وتيار التبلل للمفتاح الميكانيكي. أحياناً تُطلى نقاط التلامس بمعادن نبيلة ، نظراً لتوصيلها الممتاز ومقاومتها للتآكل. وقد تُصمم بحيث تحتك ببعضها لتنظيف أي شوائب. تُستخدم أحياناً موصلات غير معدنية، مثل البلاستيك الموصل. ولمنع تكوّن الأكاسيد العازلة، قد يُحدد حد أدنى لتيار التبلل لتصميم مفتاح معين.

مصطلحات الاتصال

مفتاح سكين ثلاثي الأقطاب أحادي الرمية (TPST أو 3PST) يُستخدم لتقصير ملفات توربينات الرياح ثلاثية الأطوار لأغراض الكبح . يظهر المفتاح هنا في وضع الفتح.

في مجال الإلكترونيات، تُصنَّف المفاتيح وفقًا لترتيب نقاط التلامس فيها. يُقال إن زوجًا من نقاط التلامس " مغلق " عندما يمر التيار من أحدهما إلى الآخر. أما عندما تفصل بينهما فجوة هوائية عازلة ، فيُقال إنهما " مفتوحان "، ولا يمر التيار بينهما عند الفولتية العادية. [ 3 ] كما يُستخدم مصطلحا " توصيل " لإغلاق نقاط التلامس و" فصل " لفتحها على نطاق واسع.

يُستخدم مصطلحا " القطب " و " الرمية " لوصف أنواع تلامس المفاتيح. يُشير عدد " القطب " إلى عدد المفاتيح المنفصلة كهربائيًا والتي يتم التحكم بها بواسطة مُشغّل مادي واحد. على سبيل المثال، يحتوي مفتاح " القطبين " على مجموعتين منفصلتين ومتوازيتين من التلامسات التي تفتح وتغلق في وقت واحد عبر نفس الآلية. أما عدد " الرميات " فيُشير إلى عدد مسارات التوصيل المختلفة، بخلاف "الفتح"، التي يُمكن للمفتاح اعتمادها لكل قطب. يحتوي مفتاح الرمية الواحدة على زوج واحد من التلامسات التي يُمكن أن تكون إما مغلقة أو مفتوحة. بينما يحتوي مفتاح الرميتين على تلامس يُمكن توصيله بأحد تلامسين آخرين، ويحتوي مفتاح الرمية الثلاثية على تلامس يُمكن توصيله بأحد ثلاثة تلامسات أخرى، وهكذا. [ 4 ]

في المفتاح الذي تبقى فيه نقاط التلامس في حالة واحدة ما لم يتم تشغيله، مثل مفتاح الضغط ، يمكن أن تكون نقاط التلامس إما مفتوحة عادةً (مختصرة بـ " NO " أو " NO " أو NO) حتى يتم إغلاقها بتشغيل المفتاح، أو مغلقة عادةً (" NC " أو " NC " أو NC) [ ملاحظة 1 ] وتُفتح بفعل تشغيل المفتاح. يُسمى المفتاح الذي يحتوي على كلا النوعين من نقاط التلامس مفتاح تحويل أو مفتاح ثنائي الاتجاه . قد يكون هذا النوع " توصيل قبل الفصل " (" MBB " أو دائرة قصر) الذي يوصل الدائرتين مؤقتًا، أو قد يكون " فصل قبل التوصيل " (" BBM " أو دائرة عدم قصر) الذي يفصل إحدى الدائرتين قبل إغلاق الأخرى.

أدت هذه المصطلحات إلى ظهور اختصارات لأنواع المفاتيح المستخدمة في صناعة الإلكترونيات ، مثل " أحادي القطب، أحادي الاتجاه " (SPST) (أبسط أنواع المفاتيح، يعمل إما "تشغيل" أو "إيقاف") أو " أحادي القطب، ثنائي الاتجاه " (SPDT)، الذي يربط أحد طرفي المفتاح بالطرف المشترك. في توصيلات الطاقة الكهربائية (أي  توصيلات المنازل والمباني التي يقوم بها فنيو الكهرباء )، تتضمن الأسماء عادةً اللاحقة "-way" ؛ ومع ذلك، تختلف هذه المصطلحات بين الإنجليزية البريطانية والأمريكية (أي أن مصطلحي "ثنائي الاتجاه " و" ثلاثي الاتجاه " يُستخدمان بمعانٍ مختلفة).  

المواصفات والاختصارات الإلكترونيةتوسيع مفهوم الاختصاراسم الأسلاك الكهربائية البريطانيةاسم الأسلاك الكهربائية الأمريكيةوصفتخطيطيالرمز IEC 60617
SPST (1P1T)عمود واحد، رمية واحدةطريقة واحدةثنائي الاتجاهمفتاح تشغيل/إيقاف بسيط: يكون الطرفان إما متصلين ببعضهما أو منفصلين عن بعضهما. مثال على ذلك مفتاح الإضاءة .
SPST-NO

النموذج أ [ 5 ]

قطب واحد، رمية واحدة، مفتوح عادةًمفتاح تشغيل/إيقاف بسيط. يكون طرفا المفتاح غير متصلين (مفتوحين) في الوضع الطبيعي، ويُغلقان عند تفعيل المفتاح. ومن الأمثلة على ذلك مفتاح الضغط .
SPST-NC النموذج ب [ 5 ]قطب واحد، رمية واحدة، مغلق عادةًمفتاح تشغيل/إيقاف بسيط. يكون طرفا المفتاح متصلين ببعضهما عادةً (مغلقين) ويكونان مفتوحين عند تشغيل المفتاح. مثال على ذلك مفتاح الضغط .
نموذج SPDT ج [ 5 ]عمود واحد، رمي مزدوجثنائي الاتجاهثلاثي الاتجاهاتمفتاح تحويل بسيط من نوع "قطع قبل التوصيل": يتم توصيل C (COM، مشترك) إما بـ L1 أو بـ L2.
شركة SPCO SPTTتغيير القطب الأحادي أو القطب الأحادي، إيقاف مركزي أو القطب الأحادي، رمي ثلاثي  يشبه مفتاح SPDT . يستخدم بعض الموردين مفتاح SPCO/SPTT للمفاتيح ذات وضع الإيقاف الثابت في المنتصف، ومفتاح SPDT للمفاتيح التي لا تحتوي على هذا الوضع. 
    مفتاح تسلسلي أو مفتاح ثنائي الدائرة 
DPST (2P1T)عمود مزدوج، رمية واحدةعمود مزدوجعمود مزدوجيعادل مفتاحين أحاديي القطب أحاديي القطب يتم التحكم فيهما بواسطة آلية واحدة.
DPDT (2P2T)عمود مزدوج، رمية مزدوجةيعادل مفتاحين من نوع SPDT يتم التحكم فيهما بواسطة آلية واحدة.
DPCOتغيير القطب المزدوج أو القطب المزدوج، إيقاف التشغيل المركزي  يُعادل هذا التصميم تخطيطيًا مفتاح DPDT . يستخدم بعض الموردين مفتاح DPCO للمفاتيح ذات الوضع المركزي الثابت، ومفتاح DPDT للمفاتيح ذات الوضع المركزي الثابت. يمكن أن يكون مفتاح DPDT/DPCO ذو الوضع المركزي "مُطفأً" في المنتصف، أي غير متصل بالخطين L1 أو L2، أو "مُشغَّلاً"، أي متصل بالخطين L1 وL2 في آنٍ واحد. يُشار عادةً إلى وضعيات هذه المفاتيح بـ "تشغيل-إيقاف-تشغيل" و"تشغيل-تشغيل-تشغيل" على التوالي. 
 مفتاح تحويل رباعي الاتجاهاتمفتاح وسيطمفتاح رباعي الاتجاهاتمفتاح ثنائي القطب ثنائي الرمية (DPDT) موصل داخليًا لتطبيقات عكس القطبية: حيث يتم إخراج أربعة أسلاك فقط بدلاً من ستة خارج غلاف المفتاح. يُسمى أيضًا مفتاح التقاطع أو مفتاح التبديل أو مفتاح العكس.
2P6Tعمودان، ستة رمياتمفتاح تحويل مزود بـ COM (مشترك)، والذي يمكن توصيله بـ L1 أو L2 أو L3 أو L4 أو L5 أو L6؛ مع مفتاح ثان (2P، قطبين) يتم التحكم فيه بواسطة آلية واحدة. 

يمكن وصف المفاتيح ذات الأقطاب أو الرميات المتعددة باستبدال الحرف "S" أو "D" برقم (مثل 3PST، SP4T، إلخ)، أو في بعض الحالات بالحرف "T" (للدلالة على "ثلاثي") أو "Q" (للدلالة على "رباعي"). في بقية هذا المقال، سيتم استخدام المصطلحات SPST و SPDT والمفتاح الوسيط لتجنب أي لبس.

ارتداد التلامس

ارتداد

لقطة من جهاز راسم الإشارة تُظهر تقلبات الجهد الناتجة عن مفتاح يتأرجح بين حالتي التشغيل والإيقاف (حتى أنه يتأرجح فوق V<sub> high </sub> وتحت V<sub> low</sub> ) عدة مرات خلال 2.6 مللي ثانية قبل أن يستقر.

يُعدّ ارتداد التلامس (المعروف أيضًا باسم الاهتزاز ) مشكلة شائعة في المفاتيح الميكانيكية والمرحلات وموصلات البطاريات ، وينشأ نتيجةً لظاهرة مقاومة التلامس الكهربائي عند نقاط التماس. عادةً ما تُصنع موصلات المفاتيح والمرحلات من معادن مرنة. عند تلامس الموصلات، يعمل زخمها ومرونتها معًا على ارتدادها عن بعضها مرةً أو أكثر قبل أن تستقر. والنتيجة هي تيار كهربائي نابض سريع بدلًا من انتقال سلس من الصفر إلى التيار الكامل. عادةً ما يكون هذا التأثير ضئيلًا في دوائر الإشارة منخفضة التيار، ولكنه يصبح بالغ الأهمية في دوائر الطاقة حيث تتسبب تيارات البدء العالية خلال فترات الارتداد في تسخين موضعي وتآكل القوس الكهربائي ولحام الموصلات. كما أنه يُسبب مشاكل في بعض الدوائر التناظرية والمنطقية التي تستجيب بسرعة كافية لتفسير نبضات التشغيل والإيقاف بشكل خاطئ على أنها تدفق بيانات. [ 6 ] في تصميم الموصلات الدقيقة، يُعدّ التحكم في بنية السطح ( خشونة السطح ) وتقليل تكوّن طبقات التخميل على الأسطح المعدنية أمرًا أساسيًا في كبح الاهتزاز.

في دوائر الطاقة ذات التيار العالي، يكون لارتداد التلامس عواقب وخيمة تفوق أخطاء الإشارة. فعندما تُغلق التلامسات تحت جهد عالٍ، يُحدث الارتداد تفريغات قوسية متكررة بين الأسطح الفاصلة. وخلال كل فترة ارتداد، ترتفع مقاومة التلامس بشكل حاد، بينما قد يصل تيار البدء إلى عدة آلاف من الأمبيرات. ويمكن أن يصل تبديد الطاقة اللحظي الناتج (P  =  I²R) المُركّز عند نقطة التلامس إلى مئات الكيلوواط في غضون أجزاء من الثانية، مما يُسبب انصهارًا موضعيًا ولحامًا للتلامس. وتُعد هذه الآلية بالغة الأهمية في أنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS) وموصلات المركبات الكهربائية التي تعمل بجهد 400  فولت وما فوق، حيث تُستخدم دوائر الشحن المسبق للحد من تيار البدء كحل بديل لمشاكل فيزياء التلامس غير الكافية.

في آلة هاموند الموسيقية ، تُضغط عدة أسلاك معًا أسفل مفاتيح البيانو في لوحات المفاتيح. يُعرف ارتدادها وإغلاقها غير المتزامن للمفاتيح باسم "نقرة هاموند" ، وتوجد مقطوعات موسيقية تستخدم هذه الخاصية وتُبرزها. تحتوي بعض الآلات الإلكترونية على نسخة قابلة للتبديل من هذا التأثير الصوتي. [ 7 ]

إزالة الارتداد

مرشح ارتداد مفتاح SPST باستخدام مشغل شميت ومكثف

يمكن التخلص من آثار ارتداد الكرة عند الاحتكاك عن طريق:

تُعرف جميع هذه الطرق باسم "إزالة الارتداد".

تحليل الأعطال

تتعطل نقاط التلامس في المفاتيح الميكانيكية من خلال عدة آليات تراكمية تتفاعل أثناء فترة الخدمة:

يحدث التآكل الناتج عن القوس الكهربائي عندما يتبخر القوس الكهربائي المتشكل عند انفصال نقاط التلامس، ناقلاً معه مادة التلامس. ومع مرور آلاف العمليات، يؤدي ذلك إلى حدوث تنقر، وفقدان المادة، وزيادة مقاومة التلامس.

موصلات من سبائك الفضة مصنفة لتحمل تيار مستمر يصل إلى 6000 أمبير بعد التلف الناتج عن تآكل القوس الكهربائي.

ينتج اللحام التلامسي عن ارتداد نقاط التلامس تحت تأثير تيار بدء التشغيل العالي. خلال كل فترة ارتداد، ترتفع مقاومة التلامس بشكل حاد - من قيمة نموذجية في حالة الإغلاق تبلغ 0.2  ملي أوم إلى قيم تتجاوز 30  ملي أوم [ 9 ] - بينما قد يصل تيار بدء التشغيل إلى عدة آلاف من الأمبيرات. يؤدي تبديد الطاقة اللحظي الناتج (P  =  I²R) والمتركز عند نقطة التلامس إلى انصهار موضعي ولحام دائم لنقاط التلامس. [ 10 ]

يؤدي التنافر الكهروديناميكي الناتج عن تيارات قصر الدائرة إلى تباعد نقاط التلامس بفعل قوى كهرومغناطيسية تتناسب طرديًا مع مربع التيار. في نقاط التلامس المعدنية الصلبة، تحد هذه القوى من قدرة تحمل قصر الدائرة. وقد لوحظ أن نقاط التلامس النحاسية تنفصل عند 10  كيلو أمبير، مما يؤدي إلى استمرار حدوث شرارة كهربائية ولحام عند إعادة التوصيل. [ 10 ]

تُعالج الموصلات المركبة من المعدن السائل (CLMC) القائمة على الغالينستان ثلاثة من آليات الفشل هذه في آنٍ واحد من خلال آلية ميكانيكية-كهربائية مُقترنة: إذ يحتفظ الهيكل المعدني الحراري المرن (شبكة من أسلاك الموليبدينوم أو التنجستن) بالغالينستان بفعل قوى الشعرية، مما يحافظ على سطح تلامس سائل خلال دورات الإغلاق والفتح. وهذا يُزيل ارتداد التلامس والتحامه؛ كما يُزيل التوزيع المنتظم للتيار عبر السطح السائل قوى التنافر الكهروديناميكية؛ ويمنع السطح السائل ذاتي الاستعادة التآكل الدائم الناتج عن القوس الكهربائي لنقاط التلامس الصلبة. [ 11 ] [ 10 ] [ 12 ]

CLMC بعد 200000 دورة تبديل عند 600  أمبير، 660  فولت تيار متردد (IEC  60947 AC-4 duty) - لا يوجد تآكل قوس كهربائي أو لحام مرئي.

الأقواس والتبريد

عندما تكون الطاقة المُبدَّلة كبيرة بما يكفي، يكون تدفق الإلكترونات عبر نقاط تلامس المفتاح المفتوح كافيًا لتأيين جزيئات الهواء عبر الفجوة الصغيرة بين نقاط التلامس عند فتح المفتاح، مُشكِّلًا بلازما غازية ، تُعرف أيضًا بالقوس الكهربائي . تتميز البلازما بمقاومة منخفضة، ما يسمح لها بالحفاظ على تدفق الطاقة حتى مع ازدياد المسافة الفاصلة بين نقاط تلامس المفتاح تدريجيًا. كما أن البلازما شديدة الحرارة، وقادرة على تآكل الأسطح المعدنية لنقاط تلامس المفتاح (وينطبق الأمر نفسه على مفاتيح التفريغ). يُسبب تقوس التيار الكهربائي تدهورًا كبيرًا في نقاط التلامس، فضلًا عن تداخل كهرومغناطيسي كبير ، ما يستدعي استخدام أساليب لكبح القوس الكهربائي . [ 13 ]

عندما يكون الجهد مرتفعًا بدرجة كافية، قد يتشكل قوس كهربائي عند إغلاق المفتاح واقتراب نقاط التلامس. إذا كان فرق الجهد كافيًا لتجاوز جهد انهيار الهواء الفاصل بين نقاط التلامس، يتشكل قوس كهربائي يستمر حتى يُغلق المفتاح تمامًا وتتلامس أسطحه.

في كلتا الحالتين، تتمثل الطريقة القياسية لتقليل تشكل القوس الكهربائي ومنع تلف نقاط التلامس في استخدام آلية تبديل سريعة الحركة، تعتمد عادةً على آلية نقطة انعطاف تعمل بنابض لضمان حركة سريعة لنقاط تلامس المفتاح، بغض النظر عن سرعة تشغيل المستخدم للمفتاح. يؤدي تحريك ذراع التحكم في المفتاح إلى تطبيق شد على نابض حتى الوصول إلى نقطة انعطاف، فتُفتح نقاط التلامس أو تُغلق فجأة عند تحرير شد النابض.

مع ازدياد الطاقة المُبدَّلة، تُستخدم طرق أخرى لتقليل أو منع تكوّن القوس الكهربائي. البلازما ساخنة وترتفع بفعل تيارات الحمل الحراري . يمكن إخماد القوس الكهربائي بسلسلة من الشفرات غير الموصلة التي تمتد بين نقاط تلامس المفتاح، ومع ارتفاع القوس، يزداد طوله مُشكِّلاً نتوءات ترتفع في الفراغات بين الشفرات، حتى يصبح القوس طويلاً جدًا بحيث لا يمكن استدامته فينطفئ. يمكن استخدام جهاز نفخ لضخ دفعة مفاجئة عالية السرعة من الغاز عبر نقاط تلامس المفتاح، مما يُطيل طول القوس بسرعة لإخماده فورًا.

غالباً ما تحتوي المفاتيح الكبيرة جداً على نقاط تلامس محاطة بمادة أخرى غير الهواء لإخماد القوس الكهربائي بسرعة أكبر. على سبيل المثال، قد تعمل نقاط التلامس في فراغ، أو مغمورة في زيت معدني ، أو في سداسي فلوريد الكبريت .

في خدمة التيار المتردد، يمر التيار دوريًا بنقطة الصفر؛ مما يُصعّب استمرار القوس الكهربائي عند فتح الدائرة. قد تُصنّف الشركات المصنّعة المفاتيح بجهد أو تيار أقل عند استخدامها في  دوائر التيار المستمر.

تبديل الطاقة

عند تصميم مفتاح كهربائي لتبديل طاقة كبيرة، يجب مراعاة حالته الانتقالية وقدرته على تحمل تيارات التشغيل المستمرة. عندما يكون المفتاح في وضع التشغيل، تكون مقاومته قريبة من الصفر، ويقل فقد الطاقة في نقاط التلامس بشكل ملحوظ. أما عندما يكون في وضع الإيقاف، فتكون مقاومته عالية للغاية، ويقل فقد الطاقة في نقاط التلامس بشكل أكبر. مع ذلك، عند تحريك المفتاح، يجب أن تمر المقاومة بحالة ينخفض ​​فيها فقد الطاقة في المفتاح لفترة وجيزة إلى ربع قدرة الحمل المقدرة (أو أكثر إذا لم يكن الحمل مقاوميًا بحتًا).

لهذا السبب، تحتوي مفاتيح الطاقة المصممة لقطع تيار الحمل على آليات زنبركية للتأكد من أن الانتقال بين التشغيل والإيقاف يكون قصيرًا قدر الإمكان بغض النظر عن سرعة تحريك المستخدم للمفتاح.

تأتي مفاتيح الطاقة عادةً بنوعين. مفتاح التشغيل/الإيقاف اللحظي (كما هو الحال في مؤشر الليزر ) يكون عادةً على شكل زر، ولا يُغلق الدائرة إلا عند الضغط عليه. أما مفتاح التشغيل/الإيقاف العادي (كما هو الحال في المصباح اليدوي ) فيتميز بخاصية التشغيل/الإيقاف المستمر. وتجمع المفاتيح ثنائية الوظيفة بين هاتين الخاصيتين.

الأحمال الحثية

عند إيقاف تشغيل حمل حثي قوي، مثل محرك كهربائي ، لا يمكن للتيار أن ينخفض ​​إلى الصفر فورًا؛ إذ ستحدث شرارة كهربائية عبر نقاط التلامس المفتوحة. يجب أن تكون مفاتيح الأحمال الحثية مصممة لتحمل هذه الحالات. ستتسبب الشرارة في تداخل كهرومغناطيسي إذا لم يتم كبحها؛ ويمكن لدائرة تخميد مكونة من مقاومة ومكثف موصولين على التوالي أن تكبح الشرارة. [ 14 ]

الأحمال المتوهجة

مفتاح حائط مصنف "T" (حيث يشير الحرف T إلى سلك التنجستن ) [ 15 ] مناسب للأحمال المتوهجة

عند تشغيل المصباح المتوهج ، يسحب تيارًا عاليًا عند بدء التشغيل ، يصل إلى حوالي عشرة أضعاف تيار التشغيل المستمر؛ ومع ارتفاع درجة حرارة الفتيل، تزداد مقاومته وينخفض ​​التيار إلى قيمة ثابتة. ويمكن للمفتاح المصمم لحمل مصباح متوهج أن يتحمل هذا التيار العالي عند بدء التشغيل. [ 15 ]

تيار الترطيب

تيار التبليل هو الحد الأدنى من التيار اللازم لتدفقه عبر مفتاح ميكانيكي أثناء تشغيله لاختراق أي طبقة أكسدة قد تكون قد ترسبت على نقاط تلامس المفتاح. [ 16 ] تتشكل طبقة الأكسدة غالبًا في المناطق ذات الرطوبة العالية . يُعد توفير كمية كافية من تيار التبليل خطوة حاسمة في تصميم الأنظمة التي تستخدم مفاتيح حساسة ذات ضغط تلامس منخفض كمدخلات استشعار. قد يؤدي عدم القيام بذلك إلى بقاء المفاتيح "مفتوحة" كهربائيًا بسبب أكسدة نقاط التلامس.

المشغل

الجزء المتحرك الذي يطبق قوة التشغيل على نقاط التلامس يسمى المشغل ، وقد يكون مفتاح تبديل أو دوللي ، أو مفتاح هزاز ، أو زر ضغط ، أو أي نوع من أنواع الوصلات الميكانيكية (انظر الصورة).

مفاتيح متحيزة

يحتفظ المفتاح عادةً بوضعه المحدد بعد تشغيله. أما المفتاح ذو التحيز، فيحتوي على آلية تُحركه إلى وضع آخر عند تحريره. يُعد مفتاح الضغط اللحظي نوعًا من المفاتيح ذات التحيز. النوع الأكثر شيوعًا هو مفتاح "الضغط للتوصيل" (أو المفتاح المفتوح عادةً أو NO)، الذي يُوصل الدائرة عند الضغط على الزر وينقطع عند تحريره. كل مفتاح في لوحة مفاتيح الكمبيوتر، على سبيل المثال، هو مفتاح "ضغط للتوصيل" مفتوح عادةً. من ناحية أخرى، يقطع مفتاح "الضغط للفصل" (أو المفتاح المغلق عادةً أو NC) الدائرة عند الضغط على الزر ويُوصلها عند تحريره. مثال على مفتاح "الضغط للفصل" هو الزر المستخدم لفتح باب مُغلق بواسطة مغناطيس كهربائي . يتم التحكم في المصباح الداخلي للثلاجة المنزلية بواسطة مفتاح يبقى مفتوحًا عند إغلاق الباب.

مفتاح دوار

مفتاح دوار مكدس بثلاث طبقات. يمكن تكديس أي عدد من عناصر التبديل بهذه الطريقة، باستخدام عمود أطول وفواصل تباعد إضافية بين كل عنصر تبديل.

يعمل المفتاح الدوار بحركة دورانية لمقبض التشغيل، وله وضعان على الأقل. قد يكون أحد وضعي المفتاح أو أكثر لحظيًا (يعمل بنابض)، مما يتطلب من المستخدم تثبيت المفتاح في الوضع المطلوب. أما الأوضاع الأخرى، فقد تحتوي على آلية تثبيت تُبقي المفتاح في الوضع عند تحريره. قد يحتوي المفتاح الدوار على مستويات أو "أسطح" متعددة لتمكينه من التحكم في دوائر كهربائية متعددة.

يتكون أحد أنواع المفاتيح الدوارة من محور أو "دوار" مزود بذراع تلامس أو "شعاع" يبرز من سطحه كالكامة. ويحتوي على مجموعة من الأطراف مرتبة بشكل دائري حول الدوار، حيث يعمل كل طرف كنقطة تلامس للشعاع، ومن خلاله يمكن توصيل أي دائرة كهربائية مختلفة بالدوار. يُصمم المفتاح على شكل طبقات للسماح باستخدام أقطاب متعددة، حيث تُعادل كل طبقة قطبًا واحدًا. عادةً ما يحتوي هذا النوع من المفاتيح على آلية تثبيت تسمح له بالانتقال بسلاسة من وضع تشغيل إلى آخر دون التوقف في وضع وسيط. وبالتالي، يوفر المفتاح الدوار إمكانيات أكبر من حيث عدد الأقطاب ونطاق الحركة مقارنةً بالمفاتيح الأبسط.

تستخدم أنواع أخرى آلية كامة لتشغيل مجموعات متعددة مستقلة من نقاط التلامس.

استُخدمت المفاتيح الدوارة كمحددات للقنوات في أجهزة استقبال التلفزيون حتى أوائل سبعينيات القرن الماضي، وكمحددات للنطاق في معدات القياس الكهربائي، وكمحددات للنطاقات في أجهزة الراديو متعددة النطاقات، ولأغراض مماثلة أخرى. في الصناعة، تُستخدم المفاتيح الدوارة للتحكم في أجهزة القياس، ومفاتيح التوزيع ، أو في دوائر التحكم. على سبيل المثال، قد تحتوي رافعة علوية يتم التحكم فيها لاسلكيًا على مفتاح دوار كبير متعدد الدوائر لنقل إشارات التحكم السلكية من أدوات التحكم اليدوية المحلية في الكابينة إلى مخارج جهاز استقبال التحكم عن بُعد.

مفتاح تبديل

مفتاح تبديل DIP بأربعة مداخل ومخارج
مجموعة من مفاتيح التبديل على اللوحة الأمامية لجهاز كمبيوتر صغير من نوع Data General Nova
مفاتيح تبديل ذات غطاء مشترك تمنع بعض التركيبات المحظورة

مفتاح التبديل أو مفتاح التأرجح هو نوع من المفاتيح الكهربائية التي يتم تشغيلها يدويًا بواسطة ذراع ميكانيكي أو مقبض أو آلية تأرجح.

تتوفر المفاتيح التبديلية بأشكال وأحجام متنوعة، وتُستخدم في تطبيقات عديدة. صُممت العديد منها لتوفير التشغيل المتزامن لمجموعات متعددة من نقاط التلامس الكهربائية ، أو للتحكم في كميات كبيرة من التيار الكهربائي أو جهد الشبكة .

يشير مصطلح "مفتاح التبديل" إلى نوع من الآليات أو المفاصل التي تتكون من ذراعين متوازيين تقريبًا، متصلين بمحور يشبه الكوع. مع ذلك، يُستخدم مصطلح "مفتاح التبديل" لوصف أي مفتاح ذي مقبض قصير وآلية إغلاق سريعة وواضحة، سواءً احتوى على آلية تبديل فعلية أم لا. وبالمثل، يُطلق على المفتاح الذي يُسمع عنده صوت طقطقة واضح اسم "مفتاح تشغيل/إيقاف إيجابي". [ 17 ] يُستخدم هذا النوع من المفاتيح بشكل شائع لتشغيل وإطفاء المصابيح أو الأجهزة الكهربائية الأخرى. ويمكن ربط عدة مفاتيح تبديل ميكانيكيًا لمنع تركيبات غير مسموح بها.

في بعض السياقات، ولا سيما في مجال الحوسبة ، يُفهم مفتاح التبديل، أو عملية التبديل، بمعنى مختلف عن المفتاح الميكانيكي أو البرمجي الذي يتناوب بين حالتين في كل مرة يُفعّل فيها، بغض النظر عن تركيبه الميكانيكي. [ 18 ] على سبيل المثال، يؤدي الضغط على مفتاح Caps Lock في الحاسوب إلى كتابة جميع الأحرف بأحرف كبيرة؛ والضغط عليه مرة أخرى يعيدها إلى أحرف صغيرة. [ 18 ]

أنواع خاصة

فتح مفتاح العوامة لمضخة المياه العكرة

يمكن تصميم المفاتيح للاستجابة لأي نوع من المؤثرات الميكانيكية، مثل الاهتزاز (مفتاح الاهتزاز)، والميل، وضغط الهواء، ومستوى السائل ( مفتاح العوامة )، وتدوير المفتاح ( مفتاح التشغيل )، والحركة الخطية أو الدورانية ( مفتاح الحد أو المفتاح الصغير )، أو وجود مجال مغناطيسي ( مفتاح القصب ). يتم تشغيل العديد من المفاتيح تلقائيًا بتغيرات في بعض الظروف البيئية أو بحركة الآلات. يُستخدم مفتاح الحد، على سبيل المثال، في أدوات الآلات لربط التشغيل بالوضع الصحيح للأدوات. في أنظمة التدفئة أو التبريد، يضمن مفتاح الشراع تدفق الهواء الكافي في القناة. تستجيب مفاتيح الضغط لضغط السائل.

مفتاح ميل الزئبق

يتكون مفتاح الزئبق من قطرة زئبق داخل مصباح زجاجي مزود باثنين أو أكثر من نقاط التلامس. تمر نقطتا التلامس عبر الزجاج، وتتصلان ببعضهما البعض بواسطة الزئبق عندما يميل المصباح ليتدحرج الزئبق عليهما.

يتفوق هذا النوع من المفاتيح على مفتاح الميل الكروي في الأداء، إذ لا تتأثر وصلة المعدن السائل بالأوساخ والحطام والأكسدة، كما أنها تبلل نقاط التلامس مما يضمن مقاومة منخفضة للغاية وتوصيلًا سلسًا دون ارتداد، ولا تؤثر الحركة والاهتزاز على جودة التوصيل. ويمكن استخدام هذه الأنواع في الأعمال الدقيقة.

ويمكن استخدامه أيضًا في الأماكن التي يكون فيها حدوث الشرارة الكهربائية أمرًا خطيرًا (مثل وجود أبخرة متفجرة) حيث أن الوحدة بأكملها محكمة الإغلاق.

مفتاح السكين

مفتاح فصل عالي الجهد يُستخدم في محطات التحويل الكهربائية. تُستخدم هذه المفاتيح في الغالب لعزل الدوائر الكهربائية، وعادةً لا تفصل تيار الحمل. تتوفر مفاتيح الجهد العالي لأعلى جهود النقل، حتى مليون  فولت. يعمل هذا المفتاح بشكل متزامن بحيث يتم فصل جميع الأطوار الثلاثة في آن واحد.

تتكون مفاتيح السكين من شفرة معدنية مسطحة، مثبتة بمفصل من أحد طرفيها، مع مقبض عازل للتشغيل، وموصل ثابت. عند إغلاق المفتاح، يمر التيار عبر المفصل والشفرة، ثم عبر الموصل الثابت. عادةً ما تكون هذه المفاتيح غير مغلفة. تُصنع الشفرة والموصلات عادةً من النحاس أو الفولاذ أو النحاس الأصفر ، حسب التطبيق. قد تُدعم الموصلات الثابتة بنابض. يمكن تشغيل عدة شفرات متوازية في الوقت نفسه بواسطة مقبض واحد. يمكن تركيب الأجزاء على قاعدة عازلة مزودة بأطراف للتوصيل، أو يمكن تثبيتها مباشرةً بلوحة مفاتيح معزولة في مجموعة كبيرة. نظرًا لأن الموصلات الكهربائية مكشوفة، يُستخدم هذا المفتاح فقط في الأماكن التي لا يمكن للأشخاص لمسه فيها عن طريق الخطأ، أو عندما يكون الجهد منخفضًا جدًا بحيث لا يشكل خطرًا.

تُصنع مفاتيح السكين بأحجام متنوعة، بدءًا من المفاتيح الصغيرة جدًا وصولًا إلى الأجهزة الكبيرة التي تُستخدم لنقل آلاف الأمبيرات. وفي مجال نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية، تُستخدم المفاتيح التي تعمل بشكل جماعي في الدوائر الكهربائية حتى أعلى الفولتيات.

من عيوب مفتاح السكين بطء سرعة فتحه وقرب المشغل من الأجزاء الكهربائية المكشوفة. تُستخدم مفاتيح الفصل الآمنة المغلفة بالمعدن لعزل الدوائر في توزيع الطاقة الصناعية. في بعض الأحيان، تُزود هذه المفاتيح بشفرات مساعدة زنبركية تحمل التيار الكامل للحظات أثناء الفتح، ثم تنفصل بسرعة لإخماد القوس الكهربائي.

مفتاح عكس الحركة

يحتوي مفتاح DPDT على ستة أطراف، ولكن نظرًا لأن عكس القطبية يُعد استخدامًا شائعًا جدًا لمفاتيح DPDT، فإن بعض أنواعها مُصممة داخليًا خصيصًا لعكس القطبية. تحتوي هذه المفاتيح المتقاطعة على أربعة أطراف فقط بدلًا من ستة. اثنان منها مدخلان واثنان مخرجان. عند توصيلها ببطارية أو أي مصدر تيار مستمر آخر، يختار المفتاح الرباعي بين القطبية العادية أو المعكوسة. يمكن أيضًا استخدام هذه المفاتيح كمفاتيح وسيطة في نظام تحويل متعدد الاتجاهات للتحكم في المصابيح بأكثر من مفتاحين.

مفاتيح التمرير

المفاتيح المنزلقة هي مفاتيح ميكانيكية تستخدم منزلقًا يتحرك (ينزلق) من الوضع المفتوح (إيقاف التشغيل) إلى الوضع المغلق (تشغيل التشغيل).

مفاتيح إلكترونية

انتشر مصطلح "المفتاح" منذ ذلك الحين ليشمل مجموعة متنوعة من الإلكترونيات الصلبة التي تؤدي وظيفة التبديل، ولكنها تُتحكم إلكترونيًا بواسطة أجهزة فعالة بدلاً من التحكم الميكانيكي البحت. وقد صُنفت هذه الأنواع في مقال " المفتاح الإلكتروني" . أما المفاتيح الكهروميكانيكية (مثل المرحل التقليدي ، والمفتاح الكهروميكانيكي المتقاطع ، ومفتاح ستروجر ) فتُمثل حلقة وصل بين هذه التصنيفات.

مفاتيح أخرى

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. يُستخدم الاختصار NC (لـ "مغلق عادةً") أيضًا بمعنى " غير متصل " في سياق موصل أو دبابيس الأجزاء.

مراجع

  1. "Switch" . القاموس الحر . فارلكس. 2008. تم الاسترجاع في 27-12-2008 .
  2. "Switch". قاموس التراث الأمريكي، طبعة الكليات . هوتون ميفلين. 1979. ص 1301. 
  3. "ما هو المفتاح الكهربائي؟: أساسيات المفاتيح" . حلول أجهزة ووحدات أومرون - الأمريكتان . مؤرشف من الأصل بتاريخ 4 يناير 2026. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 فبراير 2026 . 
  4. مفتاح الترددات اللاسلكية ( مؤرشف بتاريخ ٢٣ أبريل ٢٠١١ في أرشيف الإنترنت) شرح من هيرلي  - جنرال مايكروويف
  5. 1 2 3 "دليل مهندس المرحلات، الطبعة الخامسة، الفصل 1.6 من إعداد RSIA (المعروفة سابقًا باسم NARM)" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2017-07-05.
  6. ووكر، بي إم بي، قاموس تشامبرز للعلوم والتكنولوجيا ، إدنبرة، 1988، رقم ISBN 1-85296-150-3
  7. مميزات جهاز تكنكس E-33
  8. US 7686864 ، سميرنوف، يو.؛ سكوروخود، ف.؛ تشيرنيشوف، س.، "طريقة تصنيع موصل مركب من المعدن السائل"، صدرت في 30 مارس 2010 
  9. شركة أومرون. "ورقة بيانات مرحلات الطاقة المستمرة G9EC-1" . رقم الكتالوج J188-E1-03.
  10. 1 2 3 بيليايف، في إل (1984). Zhidkometallicheskie kompozitsionnye kontakty i ikh ispolzovanie v mnogoampernykh elektricheskikh apparatakh (أطروحة). موسكو: مي.
  11. سميرنوف، يو.؛ وآخرون (2002). "غرفة تفريغ عالية التيار مع موصلات معدنية سائلة مركبة". إليكتروتكنيكا (2): 25-28 . 
  12. US 7686864 ، سميرنوف، يو.؛ سكوروخود، ف.؛ تشيرنيشوف، س.، "طريقة لتصنيع موصل مركب من المعدن السائل"، نُشر في 30 مارس 2010 
  13. "ملاحظة المختبر رقم 105: عمر التلامس - القوس الكهربائي غير المُثبَّط مقابل القوس الكهربائي المُثبَّط " ( ملف PDF ) . تقنيات كبح القوس الكهربائي. أبريل 2011. مؤرشف من الأصل في 3 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه في 5 فبراير 2012 . (3.6 ميجابايت)
  14. "مكثفات كورنيل دوبيلير - CDE (الإنجليزية - الولايات المتحدة)" (ملف PDF) . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 15 فبراير 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 أكتوبر 2017 .
  15. 1 2 فاردو، ستيفن؛ باتريك، ديل (2009-01-01). تكنولوجيا أنظمة الطاقة الكهربائية . دار فيرمونت للنشر، ص 337. ISBN  978-0-88173-586-4أُرشف من المصدر الأصلي بتاريخ 24 ديسمبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 يناير 2015 .
  16. غريغوري ك. ماكميلان (محرر) دليل أجهزة التحكم والأدوات الصناعية/العمليات (الطبعة الخامسة) (ماكجرو هيل، 1999) ISBN 0-07-012582-1الصفحة 7.26
  17. غلادستون، برنارد (1978). الدليل الكامل لإصلاح المنزل من صحيفة نيويورك تايمز . تايمز بوكس. ص 399. ISBN  978-0-8129-0892-3تمت أرشفة النسخة الأصلية بتاريخ 29-03-2014 .
  18. 1 2 "ما هو مفتاح التبديل؟" . موقع Computer Hope . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 فبراير 2026 .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزوسائط متعلقة بالمفاتيح الكهربائية على ويكيميديا ​​كومنز