Co należy wiedzieć o przełącznikach

Przełączniki są integralną częścią naszego codziennego życia, oferując zarówno różnorodność, jak i wszechobecność. Występują w niezliczonych postaciach, od maleńkich przycisków po masywne elementy sterujące i obejmują szereg funkcji. Na różnorodność tę wpływają takie czynniki jak działanie mechaniczne lub elektryczne oraz sterowanie ręczne lub elektroniczne. Często w grę wchodzą osobistye preferencje w zakresie estetyki i interfejsów użytkownika.

Przełączniki elektroniczne, oparte na takich technologiach jak BJT, MOSFET, IGBT i inne konstrukcje półprzewodnikowe, cieszą się coraz większym zainteresowaniem ze względu na spadające koszty i coraz większą liczbę funkcji, jednak przełączniki o działaniu mechanicznym są nadal najczęściej wybieranym rozwiązaniem. W tym artykule omówimy podstawy przełączników, ze szczególnym uwzględnieniem modeli obsługiwanych i uruchamianych fizycznie, aby zrozumieć, w jaki sposób łączą one formy i funkcje.

Podstawy przełączników

Punktem wyjścia przy doborze dowolnego przełącznika jest zrozumienie pojęć biegunów i położeń. Mówiąc najprościej, bieguny oznaczają liczbę obwodów, którymi może sterować pojedynczy przełącznik, podczas gdy położenia oznaczają, z ilu styków przełącznik może wybierać. Pojęcie to najlepiej można zrozumieć poprzez proste reprezentacje wizualne.

Ilustracja 1: diagram przełącznika jednobiegunowego ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST). (Źródło ilustracji: Same Sky)

W przypadku przełącznika zawierającego tylko jeden biegun i jedno położenie, trafnie określanego jako jednobiegunowy ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST), zapewnia on kontrolę nad pojedynczym obwodem, przy czym przełącznik może po prostu otwierać i zamykać pojedynczy styk. Porównajmy to teraz z przełącznikiem posiadającym jeden biegun, ale o konfiguracji dwupołożeniowej, zwanej jednobiegunową ze stykiem przełączanym (SPDT).

Ilustracja 2: diagram przełącznika jednobiegunowego ze stykiem przełączanym (SPDT). (Źródło ilustracji: Same Sky)

Przełącznik SPDT kontroluje pojedynczy obwód, chociaż przełącznik może zmieniać położenie między dwoma odrębnymi stykami. W przypadku SPDT przełącznik nie jest ograniczony tylko do otwierania i zamykania obwodu, lecz raczej do przekierowywania samego obwodu.

Ilustracja 3: diagram przełącznika dwubiegunowego ze stykami przełączanymi (DPDT). (Źródło ilustracji: Same Sky)

W przypadku przełącznika dwubiegunowego ze stykami przełączanymi (DPDT) pojedynczy przełącznik kontroluje dwa obwody, a każdy przełącznik w nim zmienia położenie między dwoma stykami. Chociaż SPST, SPDT, DPST i DPDT to najbardziej rozpowszechnione konfiguracje przełączników, nie ma teoretycznych ograniczeń co do liczby biegunów i położeń, jakie przełącznik może posiadać. Gdy istnieją więcej niż dwa bieguny lub położenia, litery „S” lub „D” zostają zastąpione oznaczeniami numerycznymi. Przykładowo, przełącznik zawierający cztery bieguny i pięć położeń może być oznaczony przez producenta jako 4P5T. Podobnie przełącznik dwubiegunowy z sześcioma położeniami może być oznaczony jako DP6T.

Kwestie do uwzględnienia przy doborze przełączników

Oprócz biegunów i położeń istnieje kilka innych cech przełączników, które należy wziąć pod uwagę podczas procesu doboru. Poniższa lista zawiera niektóre z bardziej powszechnych funkcji, ale nie jest w żadnym wypadku wyczerpująca.

• Rozmiar: jak wspomniano wcześniej, przełączniki są dostępne w wielu kształtach i rozmiarach. Od przełączników mniejszych od ziarnka ryżu po takie, które są zbyt duże, aby można je było przełączać ręcznie - rozmiar zazwyczaj zależy od zamierzonego zastosowania. W warunkach przemysłowych, gdy w grę wchodzą rękawice lub precyzyjne ruchy są utrudnione, często stosuje się większe przełączniki. Natomiast w kompaktowych urządzeniach wbudowanych zwykle poszukuje się najmniejszego możliwego przełącznika.
• Stan domyślny: większość przełączników nie ma wstępnie zdefiniowanego stanu, ale istnieją przełączniki monostabilne, które zwykle wykazują wstępnie ustawiony stan, określane jako zwierne (NO), albo rozwierne (NC).
• Pozycje: ten parametr określa liczbę przełączników wbudowanych w pojedyncze urządzenie. Może się zdarzyć, że pojęcie to zostanie błędnie użyte zamiast „położeń”, ale należy pamiętać, że pozycje oznaczają oddzielne przełączniki w tym samym urządzeniu, z których każdy może działać niezależnie.
• Montaż: jak każdy komponent elektroniczny, przełączniki oferują różne konfiguracje montażowe. Typy przeznaczone do montażu powierzchniowego i przewlekanego są zwykle kojarzone z mniejszymi przełącznikami na płytkach drukowanych, podczas gdy przełączniki do montażu tablicowego i do montażu na szynie DIN są zwykle większe. Kluczowym czynnikiem zarówno w przypadku montażu powierzchniowego, jak i konfiguracji z montażem przewlekanym jest parametr znany jako „raster”, oznaczający odległość separacji odprowadzeń. W kontekście przełączników do montażu przewlekanego, raster ma szczególne znaczenie, gdyż odpowiedni raster umożliwia zastosowanie na płytkach prototypowych.

Ilustracja 4: zastosowanie przełącznika do montażu przewlekanego na płytce prototypowej. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Uruchamianie: Oprócz rozróżnienia między uruchamianiem ręcznym i elektronicznym, przełączniki oferują różne metody aktuacji. Może to obejmować aktuację ręczną lub przy użyciu małych wkrętaków lub narzędzi. Jednak najczęstszą opcją będzie wybór pomiędzy podniesionym lub płaskim poziomem aktuatora.
• Prąd i napięcie znamionowe: przełączniki charakteryzują się szerokim zakresem napięć i prądów znamionowych od kilku do setek, a nawet tysięcy woltów i amperów. Zawsze należy sprawdzić, czy przełącznik jest w stanie wytrzymać zarówno oczekiwane wartości prądu, jak i napięcia w zamierzonym zastosowaniu.
• Czynniki środowiskowe: zwykle odnoszą się one do stopnia ochrony lub klasy IP, która określa poziom ochrony przełączników przed pyłami i cieczami. Jednak niektóre przełączniki mogą mieć zwiększoną wrażliwość na drgania lub być wyposażone w funkcje wandaloodporności.

Rodzaje przełączników mechanicznych

Przedstawione poniżej typy przełączników są obsługiwane i uruchamiane mechanicznie i są spotykane powszechnie, choć nie wyłącznie, w mniejszych, przenośnych lub wbudowanych systemach.

• Przełączniki DIP: dostępne w obudowach do montażu przewlekanego lub powierzchniowego, przełączniki DIP są najczęściej zestawem przełączników jednobiegunowych ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST). Dobrze pasują do płytek prototypowych i gotowych produktów, umożliwiając częściowo permanentne ustawianie. Występują w postaciach klawiszowych, suwakowych i obrotowych oraz służą do ustawiania opcji w urządzeniach, szczególnie w zastosowaniach przemysłowych i zestawach rozwojowych. Przełączniki DIP oferują więcej opcji niż mostki i są łatwe w obsłudze, ale nie mogą służyć do częstych regulacji.

Ilustracja 5: przykładowy przełącznik DIP. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Przełączniki obrotowe DIP: jako podgrupa przełączników DIP, pozwalają one na wybieranie dyskretnych opcji (zwykle spośród 4 do 16 pozycji) w formacie obrotowym i są wyposażone w płaskie lub podniesione pokrętło. Podobnie do liniowych przełączników DIP, są one dostępne w wersji do montażu przewlekanego lub powierzchniowego. Jednak w przeciwieństwie do liniowych przełączników DIP, mogą one wyprowadzać sygnały w formacie BCD lub szesnastkowym. Chociaż są niewielkie i łatwe w obsłudze, umożliwiają one wyprowadzenie jednego sygnału i nie są przeznaczone do ciągłego używania.

Ilustracja 6: przykładowy przełącznik obrotowy DIP. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Przełączniki suwakowe: powszechnie uznawane za przełączniki zasilania, przełączniki suwakowe są obsługiwane poprzez przesuwanie aktuatora. Są to zwykle przełączniki jednobiegunowe ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST) i mogą być używane z dużą częstością. Niektóre mają wiele biegunów lub położeń, co może utrudniać precyzyjne ustawienie pozycji. I chociaż oferują one większe możliwości niż przełączniki DIP, to nadal charakteryzują się niską mocą i umożliwiają zwykle montaż powierzchniowy lub przewlekany na płytkach drukowanych. Niekiedy służą one jako bardziej dostępne przełączniki DIP w elektronice użytkowej, chociaż uzyskanie kompromisu między łatwością użycia i unikaniem przypadkowego uruchomienia może stanowić wyzwanie.

Ilustracja 7: przykładowy przełącznik suwakowy. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Przełączniki dotykowe: znane z charakterystycznego kliknięcia przełączniki dotykowe to małe, przyciski monostabilne przeznaczone do obsługi sygnałów o niskim napięciu i niskim natężeniu prądu. Swoje skromne możliwości elektroniczne kompensują solidnością, oferując długie okresy użytkowania liczone w setkach tysięcy, a nawet dziesiątkach milionów przełączeń. Chociaż zazwyczaj są jednobiegunowe, mogą również charakteryzować się wieloma położeniami i wysokim stopniem ochrony IP. Mają szerokie zastosowanie w elektronice użytkowej, na przykład w kontrolerach gier, pilotach zdalnego sterowania, bramach garażowych i różnych zastosowaniach przemysłowych, co decyduje o ich popularności ze względu na niewielkie rozmiary i trwałość.

Ilustracja 8: przykładowy przełącznik dotykowy. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Przełączniki kołyskowe: przełączniki kołyskowe mają punkt obrotu na środku, i przełączają między dwiema opcjami, zwykle nie są monostabilne. Powszechnie służą jako przełączniki zasilania obwodów wysokiego napięcia, a niektóre są wyposażone w diody LED lub żarówki sygnalizujące stan przełącznika. Mogą mieć stopień ochrony IP umożliwiający pracę w trudnych warunkach. Prosty interfejs i sposób działania sprawiają, że są one popularne w elektronice użytkowej, pomimo nieco wyższego kosztu ze względu na rozmiary i funkcje. W warunkach przemysłowych uzupełniają one przełączniki dwustabilne i mogą mieć osłony zapobiegające przypadkowemu uruchomieniu.

Ilustracja 9: przykładowy przełącznik kołyskowy. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Przełączniki przyciskowe: przełączniki przyciskowe, często nazywane przyciskami, umożliwiają proste uruchamianie i wyłączanie. Mogą być monostabilne, mieć różne kształty i często zawierają zintegrowane diody LED w celu oświetlenia lub sygnalizacji stanu przełącznika. Obsługują szeroki zakres napięć i prądów, zwykle są montowane na płytkach drukowanych lub tablicach. Łatwość obsługi pozwala na stosowanie w miejscach publicznych, w których stale przebywają użytkownicy. Przyciski mogą być wykonane w wersji wzmocnionej, antywandalowej oraz o wysokim stopniu ochrony IP, idealnym do stosowania w trudnych warunkach, takich jak windy czy metro. Jednak ich rozmiar, opcje diod LED i materiały mogą prowadzić do wyższych kosztów w porównaniu z prostszymi i mniejszymi modelami przełączników przyciskowych.

Ilustracja 10: przykładowy przełącznik przyciskowy. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Przełączniki dwustabilne: przełączniki dwustabilne są znane ze swojej wydłużonej dźwigni, dzięki czemu mogą być łatwo obsługiwane przez pracowników noszących rękawice lub w sytuacjach z ograniczoną możliwością precyzyjnych ruchów. Widoczna dźwignia zapewnia wyraźne wizualne informacje zwrotne, eliminując potrzebę stosowania dodatkowych diod LED, a jej duży zakres ruchu gwarantuje pewne przełączanie. Mogą mieć one różną liczbę biegunów i położeń, choć rzadziej są konfigurowane jako przełączniki monostabilne. Przełączniki dwustabilne są cenione za łatwe uruchamianie, szybką informację zwrotną i integrację zabezpieczeń, dzięki czemu dobrze nadają się do zastosowań przemysłowych i naukowych. Ze względu na krytyczne zastosowania w samolotach, oprzyrządowaniu sterującym i sprzęcie medycznym, ich koszt jest zwykle wyższy.

Ilustracja 11: przykładowy przełącznik dwustabilny. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Przełączniki są podstawowymi elementami odgrywającymi kluczową rolę w układach elektronicznych i elektrycznych. W tym artykule przedstawiono kompleksowy przegląd kluczowych aspektów dotyczących przełączników, w tym ich typów, działania, zastosowań i kwestii, które należy uwzględnić. Dobór odpowiedniego przełącznika może znacząco wpłynąć na funkcjonalność i niezawodność systemu, zarówno w użytkowych urządzeniach elektronicznych, jak i skomplikowanych projektach przemysłowych. Firma Same Sky oferuje szereg rozwiązań przełączników gotowych sprostać różnym potrzebom przełączania.