Przełączniki i przyciski - w wyborze kluczowe jest sprecyzowanie swoich wymagań

Istnieje wiele rodzajów przełączników mechanicznych, które różnią się kształtem, rozmiarem, funkcją, zakresem obsługiwanych napięć i prądów oraz zachowaniem mechanicznym. W niniejszym artykule pomagamy projektantom uporządkować wiedzę na takie tematy po to, aby jak najlepiej wybierać produkty do tworzonych urządzeń.

 

Rys. 1. Przycisk awaryjnego stopu Lumotast 16 jest prosty w instalacji i łatwo mieści się w standardowym otworze montażowym 16,2 mm

Aby zdecydować, który przełącznik jest odpowiedni, najpierw trzeba określić wymagania systemowe narzucane na jego funkcjonalność. Zacząć należy od wymagań mechanicznych projektowanej aplikacji, gdyż one w większym stopniu zawężają wybór.

Czyli na początek bierze się pod uwagę typ, kształt i proporcje tego elementu, po to, aby pasował do preferencji obsługi i był odpowiednio ergonomiczny. W drugiej kolejności pod uwagę trafiają wymagania środowiskowe, a na końcu elektryczne, gdyż zwykle z nimi jest najmniejszy problem.

Doskonałym przykładem wymagań w zakresie bezpieczeństwa jest przycisk stopu w maszynach przemysłowych. Nie sposób go przeoczyć, bo jest duży, w jaskrawym czerwonym lub pomarańczowym kolorze i z wyraźnym napisem "stop" na obudowie. Taki przycisk montuje się w łatwo dostępnym miejscu i musi być on łatwy do naciśnięcia.

Co więcej, przyciśnięcie musi być skorelowane z wyraźną informacja dotykową, aby wskazać operatorowi, że funkcja przełączania została zakończona. Nieprzestrzeganie tych wymagań może być niebezpieczne, stąd przycisk bezpieczeństwa w środowiskach przemysłowych jest traktowany ze szczególną uwagą.

Doskonałym rozwiązaniem dla tego zastosowania jest przycisk Lumotast 16 firmy RAFI. Ma duży stożkowy klawisz w kształcie grzybka (rys. 1) i normalnie otwarte styki wykonane ze stopu srebra. Po naciśnięciu grzybka styki zatrzaskują się i pozostają w kontakcie nawet po cofnięciu dłoni operatora. Aby zresetować przycisk do pozycji otwartej, główka grzybka musi zostać obrócona w dowolnym kierunku.

Obciążalność styków sięga tutaj 6 A lub 250 W, a konstrukcja mechaniczna zapewnia niezawodność działania. Opiera się na trzech równoległych stykach, więc jeśli jeden zestaw ulegnie uszkodzeniu, pozostałe dwa dalej gwarantują niezawodne zatrzymanie maszyny. Aby zapewnić wizualne potwierdzenie połączenia, przełącznik jest podłączony tak, aby świecił jaskrawoczerwonym światłem po aktywacji. Strona frontowa (zewnętrzna) ma stopień ochrony IP67, dzięki czemu nadaje się do stosowania w najtrudniejszych warunkach przemysłowych.

Grzybek o średnicy 30 mm jest wystarczająco duży, aby można go było używać w przemysłowych panelach sterowania i jest wystarczająco mały, aby można go było zastosować w urządzeniach przenośnych i mobilnych. Montaż nie jest skomplikowany, bo wystarczy zapewnienie niewielkiej głębokości montażowej 18 mm pod przyciskiem i wykonanie otworu o średnicy 16,2 mm. Pewność zamocowania zapewnia nakrętka montażowa. Przyłącza elektryczne są wykonane w dolnej części elementu w postaci dwóch standardowych męskich gniazd z opcją szybkiego montażu przewodu.

Odporność na wandalizm

 

Rys. 2. Przycisk PVA3 z czerwonym podświetlanym pierścieniem. Jest zamontowany prawie równo z panelem, dzięki czemu jest bardziej odporny na akty wandalizmu niż przełączniki z wyższymi profilami

Kolejnym ważnym obszarem aplikacyjnym dla przycisków mechanicznych są urządzenia narażone na akty wandalizmu, np. w windach, automatach sprzedaży, domofonach. Przełączniki wandaloodporne muszą wytrzymać celowe próby naruszenia ich konstrukcji, takie jak wielokrotne uderzenia młotkiem lub próby podważenia kołnierza.

W zastosowaniach wandaloodpornych sprawdzi się podświetlany przycisk PVA3H2B0SS3R1 firmy E-Switch ze stykami w układzie SPDT. Jest to 2-amperowy, 36-woltowy przełącznik zapewniający stopień ochrony IP65. Ma wbudowany pierścień podświetlający (RGB), a jego niski profil czyni go bardziej odpornym na wandalizm (rys. 2).

Jego cechą charakterystyczną jest to, że montuje się go niemal równo z dowolnym panelem w otworze 16 mm. Niemniej konieczne jest zapewnienie wystarczająco dużo wolnego miejsca do instalacji pod panelem na obudowę tego elementu oraz niezbędnego do podłączenia przewodów do styków znajdujących się na samym dole.

Panel montażowy może mieć grubość od 1 do 8 mm. Grubsze panele zapewniają jednak lepszą ochronę przed aktami wandalizmu. PVA3 to przełącznik SPDT (a więc z podłączeniem NC i NO), dodatkowo ma trzy końcówki połączone z diodą LED RGB do podświetlenia i wspólną masę. To powoduje, że w sumie aż osiem połączeń musi zostać wykonanych pod panelem, co wymaga przemyślenia, aby przewody zostały poprawnie ułożone bez skręcania lub zginania w sposób wygodny dla montażysty.

PVA3 jest dostępny w kilku wersjach ze stykami chwilowymi jako przycisk lub przełącznik. Klawisz przełącznika ma pozycję równo umieszczoną z korpusem w stanie aktywnym (naciśniętym), a w stanie nieaktywnym klawisz znajduje się wyżej, co optycznie potwierdza stan.

Dodatkowo do potwierdzania zadziałania można wykorzystać zmienny kolor podświetlenia, bo dioda RGB daje tutaj duże możliwości zmiany barw, migania itp. Dodatkową odporność na wandalizm i środowisko zapewnia wykonanie korpusu przełącznika i siłownika w wersji niklowanej lub ze stali nierdzewnej.

Przełączniki konfiguracyjne

 

Rys. 3. Przełączniki DIP serii Omron A6FR z krótkimi klawiszami, zwane również przełącznikami fortepianowymi, są dostępne w wersjach do montażu przewlekanego, powierzchniowego lub w podstawce

Przełączniki konfiguracyjne montowane są zwykle na płytkach drukowanych i służą do zapewnienia wyboru opcji w czasie uruchamiania systemu. Są wykorzystywane nawet w systemach z pamięcią Flash i EEPROM, bo czasami konfiguracja musi być wizualnie potwierdzona przed włączeniem zasilania do systemu, a stan takich przełączników jest widoczny bez konieczności włączania zasilania. W takich zadaniach konstruktorzy od lat polegają na zawsze popularnym 8-pozycyjnym przełączniku DIP, takim jak A6FR-8101 firmy Omron Electronics (rys. 3).

Klawisze przełączników DIP można ustawiać za pomocą palców, końcówki długopisu lub śrubokrętem. Są one dostępne z krótkimi lub długimi klawiszami, a ich wyprowadzenia pasują do 16-pinowych podstawek DIP.

Mogą też być przylutowane bezpośrednio do płytki drukowanej. W przeciwieństwie do wersji, A6FR wykorzystują podwójne styki, aby zapewnić niezawodną komutację. Ich obciążalność jest niewielka, 25 mA przy 24 V_DC, ale to całkowicie wystarcza do przełączania sygnałów w obwodach cyfrowych.

Elementy o dużej obciążalności

 

Rys. 4. Przełączniki kołyskowe z serii RA8 mają plastikowy separator chroniący zaciski przyłącza przed przypadkowym zwarciem. W ramach rodziny dostępna jest szeroka gama opcji, w tym różne kolory, przyłącza proste lub kątowe oraz konfiguracje styków

Czasami potrzebny jest element zdolny do przełączania znacznych prądów i napięć. Użycie do tego celu przełącznika membranowego jest możliwe, ale wymaga posłużenia się dodatkowym stycznikiem lub przekaźnikiem. Może to niepotrzebnie komplikować działanie, zwłaszcza jeśli sterowanie nie jest zależne od innych systemów.

W takich sytuacjach lepszym wyborem będzie przełącznik kołyskowy, który może zapewnić bezpieczne i trwałe przełączanie wysokich napięć i prądów przy dużej niezawodności. Takie elementy ma w ofercie firma E-Switch (rodzina RA8), a przykładem może być podświetlany kołyskowy przełącznik RA811C1121 (rys. 4). Jego obciążalność sięga 16 A.

Przełączniki te są montowane w prostokątnym otworze o wymiarach 19× 13 mm. W prototypowaniu wykonanie takiego otworu może się okazać najtrudniejszą częścią pracy, bo niedokładność przełoży się na luźne zamocowanie. Powszechną techniką jest użycie wiertła, które jest nieco mniejsze niż szerokość prostokątnego otworu, a potem poszerzanie pilnikiem. Wymaga to wprawy.

Przełączniki RA8 mogą być używane w nieprzyjaznych środowiskach przemysłowych. Zakres temperatur roboczych wynosi od -20 do + 85°C, a z kapturkiem PVC stopień ochrony wynosi IP54. Rezystancja kontaktu styków rzędu 30 mΩ minimalizuje wydzielane ciepło przy dużym obciążeniu.

Co do zasady nie powinno się podłączać przewodów pod napięciem do żadnych urządzeń elektrycznych. Niemniej reguła ta jest nagminnie łamana, a poza tym czasem nie dla się odłączyć zasilania, bo wymagałoby to przerwania procesu ciągłego w produkcji. W takim przypadku separator między stykami w RA8 jest w stanie zapewnić, że taka ryzykowna operacja uda się bez kłopotów.

Podsumowanie

Przełączniki mechaniczne zapewniają wygodę i jakość sterowania w wielu obszarach współczesnej techniki. Bardzo duża oferta takich produktów na rynku powoduje, że jedyne, o co dzisiaj musi się martwić projektant, to właściwy i optymalny wybór danego elementu spośród setek innych podobnych rozwiązań.

Rich Miron
Digi-Key Electronics