2.11 Переключатели

Переключатели являются важной составляющей в большинстве электронных схем. Изделия электроники используют такие электромеханические компоненты или для включения/отключения цепей, или для контроля вручную или механически.

В электромеханическом переключателе два электрических проводника замыкаются друг с другом с помощью механизма срабатывания. У переключателей есть два или более выводов, подключенных внутри к металлическим контактам, которые размыкаются или замыкаются человеком, работающим с выключателем, или внешним механическим действием.

Переключатели можно установить в устройство несколькими способами:

  • на печатной плате;
  • монтажом в панели с резьбовой втулкой (с резьбовыми соединениями или монтажными проушинами);
  • монтаж в панели с фиксацией (Snap-In).

Одним из критериев при классификации переключателей является классификация по способу включения и выключения контактов человеком. Существует большое разнообразие конструкций переключателей для различного применения. Наиболее традиционные из них представлены ниже.

ТАКТИЛЬНЫЕ КНОПКИ (МИКРОКНОПКИ)
Tact (Tactile) Switches

Эти переключатели небольшого размера устанавливаются на печатные платы и используются для замыкания электрической цепи при их нажатии человеком. При нажатии кнопки переключатель включает цепь, при отпускании — отключает. Тактильная кнопка является видом кнопочного переключателя мгновенного действия. Тактильные кнопки нормируются по величине усилия, необходимого для их нажатия, и, чаще всего, выполняются плоскими для удобного встраивания без выступов. Этот переключатель чувствителен к нажатиям. Щелчок кнопки позволяет человеку различать срабатывание при работе с переключателем. Контакт «купол» (см. «Терминология по переключателям»), который работает как подвижный контакт, выполнен из специальных материалов и имеет особенную форму для обеспечения надежного контакта в течение длительного периода работы.
Большинство клавиатур для настольных компьютеров или лэптопов имеют тактильные кнопки. Они также используются в бытовой электронной технике, звуковом оборудовании, средствах связи, модемах, технических средствах охраны, аварийном оборудовании, контрольных и измерительных приборах.

Рис. 2.54

DIP-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
DIP Switches

DIP-переключатели — малогабаритные компоненты, которые устанавливаются на печатные платы. Они так называются из-за схожести с внешним видом интегральных микросхем в DIP-корпусе. DIP-переключатель — это ручной переключатель с несколькими полюсами (от 2 до 12), заключенными в корпус.

DIP-переключатели могут иметь различные схемы: SPST (однополюсный, на одно направление), SPDT (однополюсный, на два направления), DPST (двухполюсный, на одно направление) и DPDT (двухполюсный, на два направления).

Они могут быть выполнены для монтажа в отверстия или поверхностного монтажа с нормальным шагом между цепями 0.1 дюйма (2.54 мм), с выводами типа «крыло чайки» или J-образными выводами.

Переключатели для поверхностного монтажа с нормальным шагом 0.05 дюйма (1.27 мм) называются переключателями с половинным шагом (Half Pitch).

Области применения DIP-переключателей: телекоммуникация, материнские платы компьютеров, дистанционный выбор частоты (в системах безопасности или охранной сигнализации) и другие электронные устройства, требующие настройки опций.

Рис. 2.55

КЛАВИШНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Rocker (Paddle) Switches

Название «клавишный» (Rocker) происходит от качательного (rocking) движения, которое происходит при нажатии кнопки.

Клавишные выключатели имеют кнопку, на которую для подключения или отключения электрической цепи можно нажимать с любого конца, как в качелях. Для замыкания контактов необходимо нажать на одну сторону выключателя, для размыкания — на другую. Рабочая кнопка четко показывает положение выключателя (вкл/выкл), что позволяет подтверждать его визуально во избежание неправильной работы. Эти компоненты часто используются в качестве двухпозиционных переключателей в главных блоках питания электронных устройств, в основном устройств автоматизации конторской работы и в другом оборудовании.

Лопаточный переключатель (Paddle) аналогичен клавишному переключателю, и отличается только исполнительным механизмом, который имеет вид лопатки.

Рис. 2.56

ПОВОРОТНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Rotary Switches

Как видно из названия, поворотные переключатели срабатывают при вращении ручки. Выбор правильного положения позволяет осуществить требуемое соединение. Так как поворотные переключатели могут иметь различные положения, они разрешают соединять конкретную точку с одной из нескольких других точек в электронной цепи.

Рис. 2.57

Поворотный переключатель работает по принципу кручения рукоятки управления. Он имеет ряд выводов, расположенных вокруг ротора, каждый из которых выполняет роль контакта для любой электрической цепи, которая может быть подключена к ротору. Переключатель разделен на слои для возможности использования нескольких полюсов, и каждый из этих слоёв соответствует одному полюсу.

Поворотный переключатель может иметь несколько уровней для возможности управления несколькими цепями. Таким образом, поворотный переключатель имеет улучшенные характеристики полюсов и хода, по сравнению с простыми переключателями. Поворотные переключатели доступны в механическом исполнении, а также в виде цифровых запрограммированных переключателей (поворотные
DIP-переключатели).

ПОВОРОТНЫЕ DIP-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Rotary DIP Switches

Поворотные запрограммированные DIP-переключатели приводятся в действие вращающейся ручкой и имеют несколько положений покоя. Некоторые поворотные запрограммированные DIP-переключатели включаются с помощью отвертки или колесиками вручную. Поворотные DIP-переключатели имеют несколько электрических контактов. Их используют путём проворачивания ручки переключателя и установления напротив номера, напечатанного на корпусе. Изменение положения вращающейся ручки генерирует код канала (цепи) в двоичном формате.

В число стандартных форматов входят двоично-десятичный код с 10 положениями переключения (от 0 до 9) и шестнадцатеричная система исчисления с 16 положениями переключений (от 0 до 9, а также A, B, C, D, E и F).

Доступны выключатели с поверхностным монтажом, с монтажом в отверстия, а также выключатели с активацией сверху и сбоку.

Рис. 2.58

КНОПОЧНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Pushbutton Switches

Кнопочные выключатели — двухпозиционные устройства, приводящиеся в действие кнопкой, которая нажимается и отпускается. Большинство кнопочных переключателей имеет внутренний пружинный механизм, возвращающий кнопку в положение «выкл.» (ненажатое положение) в кратковременном режиме (Momentary).

Некоторые кнопочные переключатели фиксируются поочередно в положениях «вкл.» или «выкл.» (открытое и закрытое положение) при каждом нажатии кнопки.

Рис. 2.59

Кнопочные переключатели можно использовать для следующих режимов работы:

  • Кратковременный режим
    После отпускания кнопочный выключатель возвращается в свое исходное положение.
  • Поочередный режим
    При первом нажатии кнопки внутренний запирающий механизм сохраняет её положение. При последующем её нажатии механизм отпускает кнопку, и она возвращается в исходное положение.
  • Нажимно-вытяжной режим
    При нажатии кнопки внутренний запирающий механизм сохраняет её положение. Как только за кнопку тянут, блокировочный механизм отпирается, и кнопка возвращается в исходное положение.
  • Нажимно-запирающий режим
    При нажатии кнопки внутренний запирающий поворотно-сбрасывающий механизм сохраняет её положение. Как только кнопка проворачивается и блокировочный механизм отпирается, она возвращается в исходное положение.

Кнопочные выключатели можно устанавливать на печатной плате или на панели устройства с помощью резьбовых соединений или защелок (Snap-On).

ПОЛЗУНКОВЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Slide Switch

Ползунковый переключатель имеет рукоятку, с помощью которой можно размыкать и замыкать контакты путём ее перемещения вперед и назад. Это низковольтный переключатель, который часто имеет несколько полюсов и направлений и используется в качестве более экономного варианта выключателя с возможностью выбора различных состояний по сравнению с поворотными переключателями.

Ползунковые переключатели могут быть с вертикальной или горизонтальной рукояткой. При установке на печатной плате их можно устанавливать в отверстия или методом поверхностного монтажа. Ползунковые переключатели также можно устанавливать на панелях с помощью монтажных проушин или с помощью защёлок, с различными типами выводов (лепестки для пайки, быстроразъёмные соединения, монтаж проводов накруткой).

Ползунковые переключатели используются в различных сферах, включая бытовые электронные устройства, компьютерные серверы, периферийные устройства, инструменты, устройства безопасности, испытательное и измерительное оборудование.

 

Рис. 2.60

РЫЧАЖНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Toggle Switches

Рычажные переключатели имеют рукоятку переключения, которая при её перемещении вверх/вниз или влево/вправо коммутирует электрическую цепь. Этот переключатель называется так потому, что для его включения необходимо переключить рычаг, а для выключения — переключить рычаг обратно.

Слово «рычаг» — отсылка к виду механизма или соединения, состоящего из двух плеч, которые находятся практически на одной линии и соединены с помощью коленчатого стержня.
Рычажные переключатели приводятся в действие рычагом, установленным под углом в одно, два или несколько положений.

Рис. 2.61

Большинство рычажных переключателей приходит в состояние покоя в любом из положений рычага, в то время как другие имеют внутренний пружинный механизм, который возвращает рычаг в определенное исходное положение. Этот режим называется кратковременным (Momentary).

Рычажные переключатели используются в ряде сфер общего применения и доступны в различных исполнениях, имеют разные размеры и характеристики. Многие варианты исполнения способны выдерживать коммутирующее напряжение в 250 ВА (переменного тока) при токах в 1 А. Составные рычажные переключатели могут быть механически взаимно блокированы во избежание недопустимого применения.

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ С ДАТЧИКОМ
Detector Switch

Переключатели с датчиком используются для обнаружения внутренних механических движений и преобразования их или механических действий человека, таких как, к примеру, закрытие телефона-раскладушки, в электронные сигналы. В некоторых сферах применения переключатели с датчиком начали использоваться в качестве замены кодирующих устройств как более доступное решение. Функциональными особенностями этих переключателей являются длинный ход, тонкий профиль, компактность, малый вес, различные углы срабатывания и возможность поверхностного монтажа.

Переключатели с датчиками используются в различных устройствах (автомобилях, принтерах, бытовой электронике) для обнаружения приводных механизмов, таких как блокирующие механизмы в различных положениях, а также отключающие и выключающие механизмы. Существуют также пыле- и водонепроницаемые выключатели с датчиком, которые используются в автомобильной промышленности и во влажных средах.

Рис. 2.62

ТРАДИЦИОННЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (МИКРОВЫКЛЮЧАТЕЛИ)
Basic Switches (Micro Switches)

Традиционный переключатель имеет очень маленький контактный зазор и механизм мгновенного действия с высокоточным определением положения. Он имеет структуру контактов, которая позволяет коммутировать при заданном виде движения с заданным усилием. Они закрыты в корпусе с исполнительным механизмом снаружи корпуса.

Рис. 2.63

Так как контакты замыкаются мгновенно, дуга между ними не может существовать в течение длительного времени, что позволяет выполнять коммутацию больших токов в компактном корпусе и снизить возможные повреждения контактов, что обеспечивает более высокую износостойкость. Контактный зазор равен 0.25, 0.5, 1 или 1.8 мм. Стандартное значение контактного зазора составляет 0.5 мм. Чем меньше контактный зазор переключающего механизма, тем выше чувствительность и износостойкость выключателя. Переключатель с большим контактным зазором отличается высокой вибростойкостью, ударопрочностью и коммутационной способностью, но имеет более низкую чувствительность, четкость работы и прочность.

КОНЦЕВЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Limit Switches

Некоторые традиционные переключатели разработаны специально для того, чтобы срабатывать от движения механизма, а не из-за вмешательства оператора. Эти переключатели, которые срабатывают от движения, обычно называются ограничительными (концевыми), так как они часто используются для ограничения движения механизма путём отключения питания, если этот механизм продвинулся слишком далеко.

Концевой переключатель используется, к примеру, в станках для блокировки работы при неверном положении инструмента.

Концевой переключатель заключен в корпус для защиты встроенного стандартного переключателя от внешних воздействий, воды, масла, газа и пыли.

Концевые переключатели разработаны для сфер применения, требующих более высокой механической прочности или устойчивости
к воздействию окружающей среды. Существуют несколько форм концевых переключателей: горизонтальные, вертикальные и составные.

ДЖОЙСТИКОВЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Joystick Switches

Джойстиковый переключатель приводится в действие рычагом, который может перемещаться по более чем одной оси. В зависимости от того, в какую сторону нажимается рычаг, а иногда и от того, на какое расстояние он перемещается, приводится в действие один или более коммутационных контактных механизмов.

Обозначение в виде круга с точкой на символе переключателя указывает на направление движения его рычага, необходимое для срабатывания контакта.

Ручные джойстиковые переключатели в основном используются для навигации, а также в управлении кранами и роботами.

Рис. 2.64

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ С ПОДСВЕТКОЙ
Illuminated Switches

Существует множество сфер, в которых необходимо применение переключателей с подсветкой. Переключатели с подсветкой бывают кнопочными, рычажными, клавишными, тактильными и ползунковыми. В них используется светодиодное, неоновое, а также освещение с использованием ламп накаливания.

Рис. 2.65

ТЕРМИНОЛОГИЯ ПО ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯМ

  • Actuator — исполнительный механизм (привод)
    Подвижная часть переключателя, которая изменяет его электрическую конфигурацию. Примеры: тумблер, кнопка, клавиша, лопатка, рукоятка, рычаг и т. д.
  • Actuation Force — усилие срабатывания
    Требуемое усилие для изменения положения исполнительного механизма переключателя. Измеряется в момент изменения состояния переключателя.
  • Alternate Action — поочерёдный режим
    Режим работы, характерный для кнопочных переключателей. При первом нажатии кнопки внутренний запирающий механизм удерживает её в рабочем положении. Как только усилие прикладывается во второй раз, запирающий механизм отпускает кнопку, и она возвращается в исходное положение. Этот режим также называется переключением с нажатием.
  • Bounce — дребезг
    Повторяющееся отскакивание подвижного контакта относительно неподвижного при перемещении; измеряется в миллисекундах.
  • Break-Before-Make (Non-Shorting Contact) — незакорачивающий контакт
    Термин, характерный для переключателя на два направления, в котором первая электрическая цепь размыкается перед замыканием второй.
  • Capacity — ёмкость
    Допустимая нагрузка по току выключателя.
  • Clearance Distance — воздушный зазор
    Минимальное расстояние по воздуху между токоведущими частями противоположной полярности или между токоведущими частями и землей.
  • Contact — контакт
    Металлические части выключателя, которые замыкаются в электрическую цепь.
  • Contact Gap — контактный зазор
    Минимальное расстояние между неподвижным и подвижным контактами в открытом положении.
  • Contact Resistance — контактное сопротивление
    Переходное сопротивление при протекании электрического тока через пару замкнутых контактов (измеряется в мОм). По мере износа переключателя значение этого сопротивления повышается.
  • Creepage Distance — расстояние возможной утечки
    Минимальное расстояние по поверхности изолятора между двумя частями, находящимися под напряжением. Утечка — это нежелательное прохождение электрического тока между двумя токопроводящими частями.
  • Detent — защёлка
    Механизм, предназначенный для удержания исполнительного механизма и контактов в неподвижном положении после снятия или снижения усилия срабатывания ниже заданного значения.
  • Dielectric Strength — диэлектрическая прочность
    Способность изоляционного материала выдерживать высокое напряжение без ухудшения электрических характеристик и появления токов утечки.
  • Differential Travel — дифференциальный ход
    Расстояние, которое проходит исполнительный механизм между точкой опрокидывания и запирания контактов, иначе между замыканием и размыканием контакта. Это расстояние между точкой срабатывания и точкой отпускания.
  • Dome Contact — «купольный» контакт
    Металлический контакт в форме купола, используемый в качестве тактильного элемента (возвратной пружины).
  • Electrical Life — электрическая долговечность
    Ожидаемый срок эксплуатации переключателя (число коммутаций) при работе переключателя с номинальной нагрузкой.
  • Insulation Resistance — изоляционная прочность
    Электрическое сопротивление между двумя нормально заизолированными частями; обычно измеряется при заданном высоком напряжении и составляет более 1 МОм.
  • Make-Before-Break (Shorting Contact) — закорачивающий контакт
    Термин, характерный для переключателя на два направления, в котором вторая электрическая цепь замыкается перед размыканием первой.
  • Mechanical Life — механическая долговечность
    Количество циклов работы, которые выдерживает переключатель без напряжения на контактах.
  • Momentary Action — кратковременное действие
    Механическое возвращение из временного состояния цепи в исходное состояние после снятия усилия на исполнительный механизм переключателя. Цепь разомкнута либо замкнута, пока активирован переключатель.
  • Non-Switching Rating — номинальная мощность
    Допустимая мощность переключателя после замыкания контактов и прекращения дребезга контактов. Она обычно выше мощности переключения.
  • Pitch — шаг
    Номинальное расстояние между центрами соседних проводников.
  • Pole (Poles) — полюс (полюсы)
    Количество отдельных цепей, которые могут быть одновременно подключены к выключателю (рис. 2.66).

Рис. 2.66а. Один полюс (с одним выводом)

Рис. 2.66б. Два полюса (с двумя выводами)

  • Quick Connect Terminals — выводы с быстроразъемными соединениями
    Ножевые выводы, разработанные для соединения с обжимным розеточным соединителем (вместо припаивания). Самые распространенные размеры по ширине: 0.250, 0.187, 0.110 дюйма.
  • Snap Action — мгновенное срабатывание
    Резкое перемещение контактов из одного положения в другое. Это действие относительно не зависит от скорости перемещения исполнительного механизма.
  • Обозначения выключателей:
    • SPST — однополюсный, на одно направление;
    • SPDT — однополюсный, на два направления;
    • DPST — двухполюсный, на одно направление;
    • DPDT — двухполюсный, на два направления;
    • MBB — закорачивающий контакт;
    • BBM — незакорачивающий контакт.
  • Terminal — вывод
    Металлический участок переключателя, расположенный снаружи, который используется для подключения переключателя к электрической цепи. Существует несколько способов подключения: монтаж на печатной плате, припаивание к проводу, монтаж накруткой, быстроразъёмное соединение.
  • Throw — направления
    Количество различных цепей, которые могут контролироваться одним полюсом.

Рис. 2.67а. На одно направление (с двумя полюсами)

Рис. 2.67б. На два направления (с одним полюсом)

  • Travel — перемещение (ход)
    Расстояние, которое проходит исполнительный механизм для изменения состояния электрической цепи. Смежные определения (дифференциальный ход, рабочий ход, переход через крайнее положение и полный ход) показаны на рисунке производителя выключателей NKK (рис. 2.68).
  • Total Travel — полный ход
    Сумма рабочего хода и перехода через крайнее положение. Это полное расстояние, которое преодолевает исполнительный механизм из состояния покоя через точку электрического контакта до конца хода.
  • Pretravel — рабочий ход
    Расстояние, которое преодолевает исполнительный механизм до изменения электрического состояния. Под рабочим ходом чаще всего подразумевается максимальный.
  • Overtravel — переход через крайнее положение
    Расстояние, которое преодолевает исполнительный механизм после точки, в которой электрические контакты перестают перемещаться, без повреждения переключателя. Под переходом через крайнее положение обычно подразумевается минимальный.
  • Washable Switch — переключатель, стойкий к процессу мойки после монтажа
    Переключатель, который выдерживает промывку после волновой пайки без снижения электрической и механической долговечности.

Рис. 2.68

ВЕДУЩИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

ALPS www.alps.com

APEM www.apem.com

C&K www.ck-components.com

Cherry www.cherrycorp.com

Diptronics www.dip.com.tw

Eaton www.eaton.com

Fujisoku www.salecom.com

Grayhill www.grayhill.com

NKK Switches www.nkkswitches.com

Omron www.omron.com

TE Connectivity www.te.com