Przyciski i przełączniki mechaniczne pozwalają spełnić krytyczne wymagania projektowe

Ekrany dotykowe i przełączniki membranowe mogą być stosowane w wizualnych i niskoprofilowych panelach sterujących. Jednak niektóre zastosowania wymuszają na projektantach zwrócenie uwagi na bezpieczeństwo, łatwość dostępu, przełączanie wysokich napięć lub prądów, znaną konfigurację przy włączaniu zasilania lub wytrzymałość. W takich sytuacjach często idealnym rozwiązaniem są przełączniki i przyciski mechaniczne, ale projektanci muszą dokonać starannego wyboru.

Istnieje mnóstwo typów przełączników mechanicznych różniących się kształtem, stylem, wielkością, funkcją, mocą i zachowaniem mechanicznym. W niniejszym artykule projektanci poznają sposoby doboru parametrów i najlepsze metody stosowania najnowszych urządzeń.

Który przełącznik lub przycisk?

Aby zdecydować, który przełącznik jest odpowiedni, należy najpierw określić wymagania dotyczące systemu. Aby dobrać przełącznik mechaniczny do danego zastosowania, należy najpierw znaleźć kształt przełącznika, który pasuje do potrzeb ergonomicznych i fizycznych, a następnie wybrać przełącznik o odpowiedniej specyfikacji elektrycznej i środowiskowej, który pasuje do wybranego kształtu.

Wyłącznik awaryjny

Dobrze znanym przykładem użycia w dziedzinie bezpieczeństwa jest przyciskowy wyłącznik awaryjny. Wiele systemów przemysłowych musi być wyposażonych w duży czerwony lub pomarańczowy przycisk z napisem „Wyłącznik awaryjny” dużymi, czytelnymi literami. Przycisk ten musi znajdować się w widocznym i łatwo dostępnym miejscu, jego naciśnięcie musi być łatwe, a także musi występować wyraźne wyczuwalne potwierdzenie zadziałania funkcji wyłączenia awaryjnego. Nieprzestrzeganie tego kryterium w niektórych środowiskach przemysłowych może być niebezpieczne.

Doskonałym rozwiązaniem dla tego zastosowania jest wyłącznik awaryjny Lumotast 16 firmy RAFI USA. Ten przycisk zwierny (NO) ma powszechnie znany duży, stożkowy kształt grzybka (ilustracja 1). Gdy operator naciśnie przycisk ręką, dwa srebrne styki stykają się, zatrzaskują i pozostają w styczności nawet po zdjęciu ręki z przycisku przez operatora. Aby zresetować przycisk do pozycji otwartej, należy obrócić główkę grzybka w dowolnym kierunku.

Ilustracja 1: wyłącznik awaryjny Lumotast 16 firmy RAFI USA jest prosty w montażu i bez problemu mieści się w standardowym otworze montażowym 16,2 mm. (Źródło ilustracji: RAFI)

Wyłącznik Lumotast 16 może obsługiwać prądy do 6A i moce do 250W oraz został zaprojektowany do pracy z wysoką niezawodnością. Wewnętrzna konstrukcja przełącznika zawiera trzy redundantne styki w układzie równoległym, więc jeśli jeden zestaw styków nie połączy się, dwa pozostałe zapewniają niezawodne zatrzymanie ruchu. Aby wizualnie potwierdzić połączenie styków, wyłącznik jest podłączony w taki sposób, że po aktywacji świeci jaskrawo czerwonym światłem. Przednia strona posiada stopień ochrony IP67, dzięki czemu nadaje się do większości trudnych środowisk przemysłowych.

Przycisk Lumotast 16 ma średnicę 30mm, dzięki czemu jest wystarczająco duży, aby można było go stosować w przemysłowych panelach sterujących, a jednocześnie wystarczająco mały, aby użyć go w ręcznych skrzynkach sterujących.

Aby zainstalować Lumotast 16, najpierw należy się upewnić, że pod miejscem, w którym będzie znajdował się wyłącznik, jest prześwit o głębokości montażowej 18mm. Wywiercić otwór montażowy o średnicy 16,2mm. Umieścić żółty kołnierz otworu montażowego z czarnym napisem „Emergency Stop” na otworze montażowym. Następnie umieścić wyłącznik Lumotast 16 w otworze montażowym i zabezpieczyć go za pomocą dołączonej pierścieniowej nakrętki montażowej. Podłączenie przewodów wykonuje się za pomocą dwóch standardowych męskich szybkozłączy na spodzie.

Odporność na wandalizm

Kolejną ważną funkcją przycisków mechanicznych jest zabezpieczenie przed wandalizmem. Wyłączniki antywandalowe muszą wytrzymać celowe próby naruszenia konstrukcji wyłącznika, takie jak wielokrotne uderzenia młotkiem lub próby podważenia wyłącznika.

Z myślą o zastosowaniach antywandalowych, firma E-Switch produkuje odporny na wandalizm podświetlany przełącznik przyciskowy SPDT PVA3H2B0SS3R1. Jest to przełącznik o znamionowym natężeniu 2A, napięciu 36V= oraz stopniu ochrony IP65. Wyposażono go w pierścień z podświetleniem RGB, a jego niski profil sprawia, że jest bardziej odporny na wandalizm (ilustracja 2).

Ilustracja 2: przełącznik PVA3 firmy E-Switch z kopertą podświetlaną kolorem czerwonym. Montuje się go niemal równo z panelem, dzięki czemu jest bardziej odporny na wandalizm w porównaniu przełącznikami o wyższych profilach. (Źródło ilustracji: E-Switch)

Omawiany przełącznik montuje się niemalże równo z dowolnym panelem z otworem 16mm. Należy się upewnić, że w miejscu montażu występuje wystarczający prześwit umożliwiający podłączenie styków pod spodem. Jest to przełącznik SPDT z czterema stykami, posiadający dodatkowe trzy styki dla diody LED podświetlenia RGB ze wspólną masą. W sumie daje to osiem połączeń, które należy wykonać pod panelem. Układ panelu należy zaplanować w taki sposób, aby umożliwić łatwe wykonanie wszystkich połączeń, bez stłaczania i zginania przewodów łączących.

Panel montażowy może mieć grubość od 1 do 8mm. Grubsze panele zapewniają jednak pewniejszą ochronę przed wandalizmem.

Należy wybrać odpowiednią konfigurację PVA3 do danego zastosowania: albo styk chwilowy, albo styk zatrzaskowy. Przełącznik jest uaktywniany poprzez wciśnięcie aktuatora do wnętrza korpusu przełącznika. Płaski aktuator znajdujący się w jednej płaszczyźnie z ramieniem przełącznika wskazuje, że przycisk jest aktywny, a aktuator znajdujący się wyżej wskazuje, że przycisk jest nieaktywny.

Aby zapewnić wzrokową informację zwrotną o stanie przełącznika, należy wykorzystać sygnały z mikrokontrolera lub programowalnego sterownika logicznego (PLC) do zaświecenia czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED w pierścieniu sygnalizacyjnym. Aby wygenerować niestandardowe kolory, należy podłączyć diody LED do wyjść z modulacją szerokości impulsu w mikrokontrolerze lub sterowniku PLC.

W celu zapewnienia dodatkowej odporności na wandalizm, przełącznik jest dostępny w wersji z korpusem i aktuatorem wykonanymi ze stali nierdzewnej lub niklowej.

Odczytywanie konfiguracji podczas rozruchu

Czasami przełączniki nie służą do sterowania przez użytkownika, lecz do prac rozwojowych lub konfigurowania „za kulisami”. Pamięci EEPROM lub flash mogą zapewnić nieulotne przechowywanie danych, które można odczytać podczas rozruchu, ale czasami konfigurację należy potwierdzić wizualnie przed włączeniem zasilania systemu. W takich sytuacjach programiści od lat polegają na popularnych 8-pozycyjnych przełącznikach DIP, takich jak A6FR-8101 firmy Omron Electronics (ilustracja 3).

Ilustracja 3: seria A6FR przełączników DIP firmy Omron z krótkimi aktuatorami, zwanych również przełącznikami fortepianowymi, jest przeznaczona do montażu przewlekanego w gnieździe lub na płytce drukowanej. (Źródło ilustracji: Omron)

Wspomnianych przełączników DIP używa się, gdy konfiguracja systemu lub parametry rozruchu muszą być ustawione przed podaniem zasilania do systemu. Przełączniki DIP można co prawda przestawiać palcami, jednak końcówka długopisu zapewnia łatwiejszą kontrolę. Przełączniki te są dostępne z krótkimi lub długimi aktuatorami i można je montować w 16-wtykowych gniazdach DIP lub lutować bezpośrednio w płytce drukowanej. W przeciwieństwie do starszych konstrukcji, przełączników DIP A6FR wykorzystuje podwójne styki suwakowe, aby zapewnić wysoką niezawodność otwierania lub zamykania połączeń. Omawiane przełączniki DIP charakteryzują się znamionowym prądem 25mA przy napięciu 24V=, dzięki czemu są odpowiednie do obwodów cyfrowych.

Sterowanie wysokimi napięciami i prądami

Czasami potrzebne jest proste, sprzętowe sterowanie napięciem i prądem. Aby przełącznik z miękką membraną mógł sterować dużą mocą, wymagany jest obwód interfejsu, który mógłby niepotrzebnie skomplikować działanie, zwłaszcza jeśli sterowanie nie jest zależne od innych układów. W takich sytuacjach przełącznik kołyskowy może zapewnić bezpieczne i wysoce niezawodne sterowanie napięciami i prądami.

Na przykład firma E-Switch produkuje wytrzymały podświetlany przełącznik kołyskowy zasilania RA811C1121 (ilustracja 4). Może on obsługiwać prąd 16A przy 125V~.

Ilustracja 4: seria RA8 przełączników kołyskowych firmy E-Switch jest wyposażona w plastikowy separator, który chroni dwa zaciski przed przypadkowym zwarciem. Seria ta oferuje szeroką gamę opcji, w tym różne kolory, zaciski proste lub pod kątem prostym oraz różne konfiguracje przełączników. (Źródło ilustracji: E-Switch)

Seria RA8 firmy E-Switch montowana jest w otworze prostokątnym 19 x 13mm. Przełączniki kołyskowe są łatwe w użyciu, lecz najtrudniejszą częścią prototypowania może być wykonanie prostokątnego otworu, w którym można zatrzasnąć przełącznik kołyskowy. Popularną techniką jest użycie wiertła o szerokości nieco mniejszej niż szerokość prostokątnego otworu, w tym przypadku 13mm. Najpierw należy ołówkiem narysować prostokątny otwór, a następnie wywiercić w panelu dwa sąsiadujące ze sobą otwory, uważając, aby nie wyjść poza linie ołówka. Następnie za pomocą metalowego pilnika wykonać prostokątny otwór, eliminując jednocześnie wszelkie ostre krawędzie.

Przełącznik RA8 można stosować w niesprzyjających środowiskach przemysłowych. Jego zakres temperatur pracy wynosi od -20 do +85°C, a zastosowanie kołpaka wykonanego z PVC pozwala uzyskać stopień ochrony IP54. Rezystancja zestykowa 30mΩ minimalizuje nagrzewanie przy wysokich napięciach.

Podczas pracy z przełącznikami wysokiego napięcia należy pamiętać o oddzieleniu poszczególnych połączeń, aby uniknąć przypadkowych zwarć. W przełączniku RA8 jest to ułatwione dzięki plastikowemu separatorowi, który fizycznie oddziela od siebie zaciski.

Mimo że stanowczo odradza się podłączania zacisków pod napięciem, czasami w środowisku produkcyjnym nie można tego uniknąć. Wprawdzie przełącznik RA8 pozwala zmniejszyć prawdopodobieństwo wypadku podczas podłączania przewodów pod napięciem, należy jednak zachować wszelkie środki ostrożności, w tym założyć izolowane rękawice.

Podsumowanie

Przełączniki mechaniczne są odpowiednie w pewnych sytuacjach, między innymi w przypadku sterowania wysokimi napięciami, ochrony, bezpieczeństwa, łatwości dostępu lub ich kombinacji. Dostępnych jest wiele opcji dla przełączników mechanicznych, a właściwy dobór może zapewnić spokój ducha zarówno projektantowi, jak i klientowi końcowemu.