Podstawy przełączników dotykowych

Przełącznik dotykowy jest dobrze znanym typem przełącznika elektrycznego, który podobnie jak jego odpowiedniki mechaniczne, zamyka lub przerywa obwód elektryczny poprzez ręczne uruchomienie. Jego narodziny sięgają początku lat 80. XX wieku, kiedy to pojawił się w postaci przełącznika membranowego czy też drukowanego, z przeznaczeniem do klawiatur i bloków klawiszowych. Ten rodzaj przełączników początkowo spotkał się z niechęcią użytkowników wynikającą z niskiej wydajności i braku wyczuwalnego potwierdzenia. Jednak pod koniec lat 80. w projektach pojawiły się lepiej przyjęte wersje z metalowymi kopułkami, które zapewniały lepiej wyczuwalne potwierdzenie, niezawodność aktywacji i zwiększoną trwałość. Zmiany te zaowocowały opracowaniem przełączników dotykowych, które są obecnie powszechnie używane i dostępne w wielu zastosowaniach konsumenckich i komercyjnych.

Jak wspomniano powyżej, kluczowym wyróżnikiem przełączników dotykowych jest to, że po przyłożeniu nacisku do aktuatora, zapewnia on poczucie „kliknięcia” lub haptyczną odpowiedź, sygnalizując, że przełącznik został pomyślnie przełączony. Jako urządzenie działania chwilowego, przełącznik bez nacisku użytkownika zostaje zwolniony, a przepływ prądu przerwany. Przełączniki dotykowe powszechnie występują jako urządzenia zwierne, jednak są również dostępne w wersjach rozwiernych, gdzie przepływ prądu jest wyłączany po naciśnięciu aktuatora i włączany po jego zwolnieniu.

Ilustracja 1: przykład typowych przełączników dotykowych (źródło ilustracji: Same Sky)

Przełącznik dotykowy czy przyciskowy?

Dwa rodzaje przełączników, które często nam się mylą lub ich nazwy są używane zamiennie, to przełączniki dotykowe i przełączniki przyciskowe. Przełączniki przyciskowe, chociaż są podobne w swoim charakterze i działaniu do przełączników dotykowych, działają poprzez wciśnięcie aktuatora o określoną odległość, co włącza przepływ prądu. Jego ponowne wciśnięcie przepływ ten zatrzymuje. Natomiast przełączniki dotykowe włączają i wyłączają przepływ prądu, gdy aktuator zostanie wciśnięty i przytrzymany przy minimalnym skoku.

Przełącznikami chwilowymi są wszystkie przełączniki dotykowe, ale tylko niektóre przełączniki przyciskowe. Przełączniki dotykowe zazwyczaj mają obudowy o mniejszych rozmiarach niż przełączniki przyciskowe, a także ogólnie niższe wartości napięcia i natężenia prądu. Ich kluczowym czynnikiem wyróżniającym w porównaniu z przełącznikami przyciskowymi jest też dźwiękowe lub haptyczne potwierdzenie zadziałania. Oprócz tego, przełączniki przyciskowe mogą występować w wariantach do montażu tablicowego lub na płytce drukowanej, podczas gdy przełączniki dotykowe są przeznaczone tylko do bezpośredniego montażu na płytce drukowanej. Więcej informacji o przełącznikach przyciskowych można znaleźć w artykule Podstawy przełączników przyciskowych w witrynie firmy Same Sky.

Podstawowa budowa i zasada działania

Jedną z kluczowych kwestii, która świadczy o prostocie i wytrzymałości przełącznika dotykowego w porównaniu z innymi przełącznikami mechanicznymi, jest ograniczona liczba wewnętrznych komponentów potrzebnych do osiągnięcia zamierzonej funkcji. Typowy przełącznik dotykowy zwykle składa się z czterech wymienionych poniżej części:

1. Górna pokrywa: chroni wewnętrzny mechanizm przełącznika i może być wykonana z metalu lub innych materiałów, w zależności od zamierzonej funkcji. Pokrywy mogą dodatkowo posiadać zacisk uziemienia chroniący przełącznik przed wyładowaniami elektrostatycznymi.
2. Trzpień ruchomy: ten umieszczony pod pokrywą i na górnej części kopułki styku trzpień ruchomy jest elementem naciskanym przez użytkownika w celu wygięcia kopułki, co powoduje uaktywnienie przełącznika. Trzpienie ruchome mogą być płaskie lub podniesione.
3. Kopułka stykowa: ten zaokrąglony komponent dopasowuje się do podstawy i po zetknięciu się z trzpieniem zmienia kształt. Ten proces uginania generuje słyszalne i haptyczne kliknięcie podczas łączenia dwóch stałych styków w podstawie w celu zamknięcia obwodu. Po usunięciu przyłożonego do kopułki stykowej nacisku, kopułka powraca do pierwotnego kształtu i rozłącza obwód. Haptyczne i dźwiękowe potwierdzenie zadziałania przełącznika zależy od materiałów użytych do wykonania kopułki stykowej i trzpienia ruchomego (metal, guma itp.).
4. Podstawa z formowanej żywicy: ostatni komponent przełącznika zawiera zaciski i styki umożliwiające podłączenie przełącznika do płytki drukowanej.

Ilustracja 2: budowa typowego przełącznika dotykowego (źródło ilustracji: Same Sky)

Najważniejsze zalety i specyfikacje

Dobór właściwego przełącznika dotykowego to coś więcej niż tylko ocena specyfikacji na arkuszu danych produktu. Poza kilkoma ogólnymi funkcjami i zaletami, takimi jak działanie chwilowe, niższa moc i prąd znamionowy, solidność wynikająca z mniejszej liczby komponentów ruchomych oraz niższe koszty, na dobór komponentów może mieć duży wpływ haptyczne i dźwiękowe potwierdzenie zadziałania przełącznika dotykowego. Określenie jakości tego parametru może być bardzo trudne, ponieważ siła potrzebna do aktywacji przełącznika oraz potwierdzenie haptyczne będą się różnić w zależności od zamierzonego zastosowania i funkcji. Na przykład przełącznik dotykowy używany w zastosowaniach motoryzacyjnych może wymagać większej siły uruchamiania w porównaniu z przełącznikiem używanym w domu lub biurze, aby uniknąć przypadkowej aktywacji na skutek drgań. Często najlepszym sposobem określenia właściwych cech przełącznika jest prototypowanie i testowanie.

Wobec powyższego przedstawiamy kilka kluczowych specyfikacji, o których należy pamiętać podczas doboru:

• Napięcie znamionowe: maksymalne napięcie, które przełącznik może wytrzymać w pozycji zwartej lub rozwartej.
• Prąd znamionowy: maksymalny prąd w amperach, jaki przełącznik może wytrzymać zanim ulegnie uszkodzeniu.
• Siła aktywacji (lub siła robocza): siła lub nacisk (wyrażone w jednostce gram-siła lub gf) potrzebne do uruchomienia aktuatora na przełączniku.
• Ugięcie (lub skok aktuatora): całkowita długość skoku wciśniętego przełącznika.
• Siła styku: siła lub nacisk (wyrażone w gramach) wymagane do połączenia zacisków przez przełącznik.
• Wysokość aktuatora: wysokość aktuatora nad korpusem przełącznika. (Patrz ilustracja 3)
• Zakres czasu eksploatacji: oczekiwany czas działania przełącznika w normalnych warunkach pracy.
• Zakres temperatur: temperatury robocze, w których przełącznik będzie działać zgodnie ze specyfikacją.
• Typ montażu: metoda stosowana do montażu przełącznika na płytce drukowanej - przewlekany lub powierzchniowy.
• Stopień ochrony IP: odniesienie do międzynarodowej normy, która określa stopień ochrony przełącznika (lub innego produktu) przed wnikaniem kurzu i płynów. Patrz artykuł przełączniki dotykowe IP67 firmy Same Sky.

Ilustracja 3: typowe wysokości aktuatorów przełączników dotykowych (źródło ilustracji: Same Sky)

Oprzewodowanie przełącznika dotykowego

Większość przełączników dotykowych zawiera cztery wtyki, które zapewniają stabilność podczas montażu na płytce drukowanej. Te cztery wtyki są połączone wewnętrznie w dwa zestawy. Chociaż technicznie do podłączenia potrzebne są tylko dwa przewody, najlepiej jest używać wszystkich dostępnych wtyków. Istnieją również modele przełączników dotykowych tylko z dwoma dostępnymi wtykami oraz modele 5-wtykowe, które w bardzo niewielkiej obudowie oferują możliwość sterowania podobnego do dżojstika.

Ilustracja 4: typowa konfiguracja 4-wtykowego przełącznika dotykowego (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Ze względu na niewielkie rozmiary, niewielką wysokość i długi okres eksploatacji przełączniki dotykowe zaspokajają wiele potrzeb w zakresie różnych produktów konsumenckich i przemysłowych, w tym nowszych zastosowań w technologii urządzeń ubieralnych i nie tylko. Gdy dane zastosowanie wymaga przełącznika chwilowego o niskim poborze energii, najodpowiedniejszym wyborem pozostają przełączniki dotykowe, a dodatkową korzyścią z ich zastosowania będzie dotykowe i dźwiękowe potwierdzenie zadziałania. Dla ułatwienia procesu doboru firma Same Sky oferuje linię przełączników dotykowych z kompaktowymi obudowami, szeroką gamą aktuatorów o różnych wysokościach i z wieloma opcjami konfiguracji.