Tutorial privind comutatoarele

Comutatoarele sunt o parte integrantă a electronicii. Aproape fiecare dispozitiv electronic are un comutator, dacă nu chiar mai multe. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când dispozitivele sunt utilizate, există, de obicei, mai multe moduri de funcționare. Modurile evidente ar fi pornirea sau oprirea, dar adesea există și setări care pot fi ajustate. Geamurile autoturismelor sunt controlate de comutatoare momentane care pot ridica și coborî geamurile. Stațiile de joc folosesc comutatoare pentru a controla jocul. Lista de aplicații ale comutatoarelor este nesfârșită în industria electronică. Există mai multe tipuri diferite de comutatoare pe piața de astăzi și mai multe considerente care sunt, în general, luate în calcul atunci când se alege un comutator. Unele dintre întrebările care trebuie adresate sunt: de câți poli și de câte ieșiri este nevoie, comutatorul trebuie menținut sau va fi activat momentan și care sunt considerentele electrice, cum ar fi valorile nominale maxime pentru curent și tensiune? Sperăm că acest articol va face lumea comutatoarelor puțin mai ușor de înțeles.

Înainte de a trece prin fiecare tip de comutator, ar fi bine să trecem în revistă diferitele circuite care se găsesc în fiecare comutator. Există doi termeni care sunt utilizați pentru a descrie circuitul unui comutator. Acestea sunt „polul” și „ieșirea”. Un „pol” se referă la numărul de circuite dintr-un comutator. Un comutator unipolar va avea doar un singur circuit activ la un moment dat. Termenul „ieșire” se referă la numărul de poziții la care poate fi conectat polul. Figura unu prezintă o schemă de circuit a unui comutator unipolar cu o singură ieșire (SPST).

Figura 1: schema circuitului SPST.

Un comutator SPST va avea un singur pol; există un singur circuit posibil cu această configurație. Acesta este fie deschis, fie închis. Un comutator unipolar poate fi normal deschis sau normal închis. Când este închis, curentul poate trece prin comutator; când este deschis, nu poate trece. Imaginați-vă acum că există o singură cale de trecere a curentului la un moment dat, dar există două opțiuni pentru locul prin care poate circula curentul. Acesta ar fi un comutator bipolar cu o singură ieșire (SPDT). Figura 2 ilustrează acest aspect.

Figura 2: schema de circuit SPDT.

Utilizarea acestui tip de logică facilitează înțelegerea comutatoarelor. Un alt exemplu similar cu SPDT este un comutator bipolar cu două ieșiri (DPDT). Acesta va arăta exact ca în Figura 2, dar cu doi poli în loc de unul. Figura 3 ilustrează circuitul pentru un DPDT.

Figura 3: schema circuitului DPDT.

Un lucru de reținut în cazul comutatoarelor este faptul că mai multe circuite diferite pot funcționa pentru un scop similar. Un exemplu ar fi un comutator simplu de pornire/oprire fără funcție momentană. Acest lucru poate fi realizat cu un SPST sau cu un SPDT. Să luăm ca exemplu GRS-2011-2019 de la CW Industries. Acest dispozitiv are două terminale în partea de jos, ceea ce îl face să semene cu un comutator SPST. Atunci când comutatorul este într-o poziție, acestea vor fi conectate și curentul poate trece. Când comutatorul se află în cealaltă poziție, acestea nu vor fi conectate și curentul nu poate trece. Dacă s-ar lua un SPDT, cum ar fi GRS-2013A-2000, în loc de un SPST, s-ar putea obține același lucru. Aceasta ar implica pur și simplu utilizarea a doar două dintre terminale și lăsarea unuia deschis. Acest lucru este util pentru situațiile în care este nevoie de un comutator SPST normal deschis sau normal închis. Un SPDT poate fi oricare dintre aceste opțiuni. Privind înapoi la un SPDT, este, de asemenea, important să înțelegem funcția comutatorului. Un SPDT poate avea fie două poziții pentru mecanismul de acționare, fie trei. Pentru a explica acest lucru, gândiți-vă la un comutator care este pornit-oprit-pornit. Acest lucru este obișnuit pentru aplicațiile cu motor, în care motorul se poate roti într-o direcție, se oprește, apoi se rotește în cealaltă direcție. Un SPDT poate face acest lucru, dar nu toate comutatoarele SPDT pot face acest lucru. GRS-2013A-2000 este un comutator de pornire-oprire-pornire, astfel că acest comutator ar putea să îndeplinească această acțiune. D508J12S205QA de la C&K nu ar putea realiza acest lucru; este un comutator de pornire-momentan. Asta înseamnă că comutatorul se va afla în mod obișnuit în poziția de pornire și poate fi oprit momentan. O aplicație în care ar s-putea utiliza acest lucru ar fi benzile transportoare de la casa de plată din magazinele alimentare. Prin simpla conectare inversă a firelor, motorul nu va funcționa pe transportor până când nu este apăsat dispozitivul de acționare. Atunci când dispozitivul de acționare este apăsat, va exista un contact momentan în interiorul comutatorului și curentul va putea trece. Odată ce dispozitivul de acționare este eliberat, comutatorul revine în poziția normală de oprire și curentul nu mai circulă.

Caracteristicile electrice sunt, de asemenea, importante de luat în considerare atunci când alegeți un comutator. Dacă un circuit necesită 50 de amperi, un comutator care este clasificat pentru 10 amperi nu va funcționa. Întotdeauna este important să vă uitați la valorile nominale ale tensiunii și ale curentului de pe un comutator. Există chiar o distincție între tensiunile și curenții c.a. vs. c.c. Adesea, producătorii furnizează clasificările pentru ambele, dar nu întotdeauna. Atunci când evaluați tensiunea nominală a unui comutator, uitați-vă la ceea ce prevede producătorul pentru tipul de tensiune. Dacă o valoare nominală indică 125 V_c.a., atunci este vorba de o tensiune c.a. Dacă valoarea nominală indică 125 V, atunci este vorba de o tensiune c.c. Acest limbaj va fi menționat pe fișa tehnică sau pe desenul produsului. Pe site-ul DigiKey se poate face o altă distincție. Produsul PS1024ARED de la E-Switch are o valoare nominală c.a.; cu toate acestea, DigiKey menționează 125 V online. Acest lucru se datorează faptului că coloana în care se găsește această valoare nominală este pentru „Tensiune nominală - c.a.” Figura 4 arată acest lucru de pe site-ul web DigiKey, iar Figura 5 arată valoarea nominală de pe PS1024ARED.

Figura 4: atributele produsului pentru PS1024ARED.

Figura 5: desen pentru specificațiile electrice ale PS1024A.

Un lucru care nu este evident pe site-ul DigiKey, dar este evident pe notele de desen este faptul că există câteva valori nominale diferite pentru acest comutator. Prima valoare nominală este de 3 A la 125 V_c.a., iar cea de-a doua este de 1,5 A la 250 V_c.a. Cum este posibil să existe două valori nominale pentru același comutator? Acest lucru se datorează faptului că puterea este o funcție a tensiunii și a curentului. Ambele valori nominale au aceeași putere nominală. Dacă ar fi să introducem următoarele numere pentru puterea nominală, am obține aceleași valori.

Adesea, un comutator va avea doar o valoare nominală c.a. și nicio valoare nominală c.c. Există o lege nescrisă care poate fi utilizată pentru a determina valoarea nominală c.c. pentru un comutator c.a. Oricare ar fi cea mai mare valoare nominală a curentului pentru comutator, curentul va rămâne același, iar tensiunea c.c. va fi setată la 30 de volți. PS1024A are două valori nominale, 3 A la 125 V_c.a. și 1,5 A la 250 V_c.a. Această lege prevede că comutatorul ar putea lua valoarea nominală de 3 A și să o utilizeze pentru o tensiune de până la 30 V _c.c. Aceasta este o lege nescrisă preluată de la Carling Technologies, numită „Legea nescrisă pentru c.c.” Deseori, comutatoarele vor avea și o valoare în cai putere. Acest lucru se datorează faptului că sarcinile inductive pot avea curenți de anclanșare extrem de mari. Valoarea nominală HP va fi concepută pentru comutatoarele care sunt utilizate cu motoare c.a. Acest lucru nu înseamnă că unul dintre aceste comutatoare nu poate fi utilizat pe alte dispozitive, dar acesta este motivul pentru care această clasificare este indicată pe comutator.

Comutator cu buton

Un tip de comutator este comutatorul cu buton. Aceste comutatoare au un dispozitiv de acționare. Dispozitivul de acționare poate fi denumit și buton, folosind un limbaj mai puțin formal. Acestea sunt adesea montate pe panou sau pe o placă. Figura 6 ilustrează modelul KB16CKW01-5F-JF de la NKK Switches.

Figura 6: KB16CKW01-5F-JF.

Un aspect interesant despre KB16CKW01-5F-JF este numărul de terminale pe care le are. Acesta este un SPDT care ar trebui să aibă doar 3 terminale, dar acest dispozitiv are 5 terminale. Acest lucru se datorează faptului că este un dispozitiv iluminat. Multe comutatoare sunt iluminate și au o tensiune de iluminare nominală. Acest comutator specific are o tensiune de iluminare de 2,1 V_c.c. Documentația indică faptul că terminalul numărul 2 este terminalul comun, iar ledul este alimentat de la terminalele L (+) și L (-), așa cum se arată în Figura 7.

Figura 7: documentația pentru KB16CKW01-5F-JF.

Deseori, comutatoarele vor avea accesorii listate în partea de jos a paginii de produs. Privind în partea de jos a paginii de produs pentru KB16CKW01-5F-JF de pe site-ul DigiKey, este posibil să vedeți patru accesorii potrivite pentru comutator.

Aceste accesorii pot fi găsite în partea de jos a paginii KB16CKW01-5F-JF de pe site-ul DigiKey sau prin intermediul documentației de pe fișa tehnică a seriei. Adesea, producătorii vor crea o întreagă serie de comutatoare. Acesta este un grup de produse brevetate care funcționează împreună. KB16CKW01-5F-JF a fost special conceput pentru a accepta anumite accesorii care sunt menționate în documentație. Accesoriul de protecție poate fi găsit la pagina D34 din fișa tehnică a seriei. Figura 8 prezintă apărătoarea de protecție împreună cu numărul său de referință pentru comandă al AT494.

Figura 8: documentația pentru KB16CKW01-5F-JF.

Adesea, producătorii de comutatoare pun o serie întreagă pe o singură fișă tehnică, deoarece unele dintre modificările de la o piesă la alta pot fi banale. Adesea, numerele de piese diferite vor prezenta doar o modificare a culorii. Accesoriul led AT635F este un bun exemplu în acest sens. În documentație va fi listat doar numărul AT635 ca opțiune. Produsul menționat anterior are sufixul „F”. Figura 9 prezintă schema de comandă care indică sufixul „F” ca fiind un led verde. În partea stângă a schemei de comandă se află numărul ledului de bază al AT635. Pe coloana din mijloc există opțiuni pentru roșu, chihlimbariu și verde. Sub caseta intitulată „Green” (Verde) este inscripționat 5F. Asta înseamnă că, pentru AT635F, ledul va fi verde.

Figura 9: documentația pentru KB16CKW01-5F-JF.

Comutator tactil

Comutatoarele tactile sunt similare cu cele cu buton, dar sunt, de obicei, mult mai mici. Imaginați-vă un router personal de acasă care are un comutator de resetare. În general, comutatorul este încastrat în plastic, astfel încât să nu poată fi apăsat accidental. De obicei, pentru a apăsa acest tip de comutator este necesară utilizarea unei agrafe de hârtie sau a unei scobitori. Aceste tipuri de comutatoare vor fi, de obicei, comutatoare tactile, comutatoare momentane și nu vor fi utilizate în general ca și comutatoare de pornire sau de oprire. Adesea, acestea vor fi utilizate pentru a reseta ceva, a număra ceva, a opri ceva sau orice altă funcție de acest tip. De obicei, aceste comutatoare vor avea valori nominale de tensiune și curent foarte scăzute. MJTP1230 de la APEM Inc. este un exemplu de comutator tactil. Acest comutator este un SPST-NO, sau un circuit unipolar cu o singură ieșire, normal deschis. Asta înseamnă că prin acest comutator nu poate trece curent până când nu este apăsat dispozitivul de acționare. Odată ce dispozitivul de acționare este eliberat, comutatorul se va deschide din nou în mod automat, iar curentul nu va mai putea trece. Figura 10 este o ilustrare a MJTP1230.

Figura 10: MJTP1230.

Acest comutator are patru picioare. De cele mai multe ori, acesta va fi cazul pentru comutatoarele tactile. Nu pentru că există două circuite diferite care pot fi conectate, ci mai degrabă pentru că adăugarea a două picioare suplimentare adaugă suport fizic la comutator atunci când este lipit pe o placă. Cele două picioare de pe o parte vor fi conectate permanent, indiferent de poziția comutatorului. Cealaltă parte a comutatorului va urma aceeași regulă, în care picioarele sunt întotdeauna conectate. Atunci când se apasă dispozitivul de acționare există continuitate între ambele jumătăți ale comutatorului. În ceea ce privește circuitul, acest comutator va urma schema de circuit din Figura 1.

Comutator DIP

Comutatoarele DIP sunt comutatoare care se află într-un „Dual Inline Package” (Pachet cu pin dublu în linie). Acestea vor fi proiectate astfel încât să poată fi montate pe o placă tip breadboard. Aceste comutatoare vor fi un conglomerat de mici comutatoare SPST. Un exemplu de utilizare a acestora este controlul DMX pentru iluminatul scenic. Fiecare corp de iluminat va avea o adresă care îi poate fi atribuită. În cazul luminilor moderne controlate prin DMX, acest lucru poate fi programat de un microcontroler și prin simpla deplasare a unui număr în sus sau în jos pe un afișaj. La luminile mai vechi controlate prin DMX, exista un comutator DIP care putea fi schimbat pentru a obține adresa binară corespunzătoare pentru dispozitivul respectiv. Aceste tipuri de comutatoare sunt adesea montate pe suprafață sau prin orificii, dar există și opțiuni de montare pe panou. Figura 11 ilustrează 208-4, un comutator DIP de la CTS Electrocomponents.

Figura 11: 208-4.

Comutator basculant

Comutatoarele basculante sunt, de asemenea, foarte populare pe piață. Acest tip de comutator are un dispozitiv de acționare concav care se balansează înainte și înapoi din fiecare poziție. Multe aparate electronice de consum au comutatoare de pornire/oprire basculante. Acestea sunt montate, de obicei, pe panou, dar pot fi montate și direct pe o placă. Figura 12 prezintă modelul CRE22F2BBRLE de la ZF Electronics.

Figura 12: CRE22F2BBRLE.

Acest comutator este un comutator SPST, astfel că va oferi doar funcția de pornire sau oprire. Pe acest comutator există un terminal de mijloc, deoarece este iluminat. În general, comutatoarele SPST cu iluminare au trei terminale. Terminalele exterioare vor fi responsabile pentru permiterea trecerii curentului de la sursă la masă. Terminalul din mijloc este utilizat pentru lumină. Când comutatorul este deschis, curentul nu poate trece prin lumină. Când comutatorul este închis, curentul va trece de la sursă, prin lumină, la masă.

Un alt lucru pe care trebuie să-l căutați la un comutator basculant este dimensiunea fizică reală a terminalului. Acestea sunt adesea montate pe panou, astfel că sunt adesea terminate cu fire discrete folosind terminale cu conectare rapidă. CRE22F2BBRLE are terminale cu lățimea de 0,25”. Acest lucru este menționat pe site-ul web DigiKey sub atributele produsului pentru „Stil de terminare”. Dimensiunile comune pentru terminale sunt 0,110”, 0,187” și 0,250”. Conexiunile rapide pentru acestea pot fi găsite în pagina „Terminale - Conexiuni rapide, conexiuni cu deconectare rapidă” de pe site-ul DigiKey.

Întrerupătoare de sfârșit de cursă cu acționare rapidă

Adesea, în producție, este nevoie de un comutator pentru a număra obiecte. Imaginați-vă o linie de producție care trebuie să numere câte produse trec prin ea la un moment dat. Produsul poate cântări o anumită cantitate și poate acționa un comutator. Această aplicație ar putea solicita un comutator care trebuie doar să se miște puțin pentru a număra ceva. D2VW-5L2-1HS de la Omron este un exemplu de întrerupător de sfârșit de cursă cu acționare rapidă care poate fi utilizat pentru a realiza așa ceva. Figura 13 arată cum D2V2-5L2-1HS are un braț extins care ar putea fi utilizat pentru un astfel de proces.

Figura 13: D2VW-5L2-1HS.

Există întrerupătoare de sfârșit de cursă cu acționare rapidă care își mențin circuitul ca un comutator de pornire/oprire; cele mai multe dintre ele vor fi momentane. Este foarte frecventă găsirea întrerupătoarelor de sfârșit de cursă cu acționare rapidă SPST-NO sau SPST-NC. Un mic truc care a fost menționat puțin mai devreme este utilizarea unui circuit SPDT în locul unui SPST normal deschis sau normal închis. Acesta este un truc bun, deoarece dacă aplicația solicită un comutator normal deschis sau normal închis, comutatorul va fi capabil să îndeplinească sarcina respectivă.

Cel mai comun accesoriu pentru un întrerupător de sfârșit de cursă cu acționare rapidă ar fi brațul de acționare. Adesea, acestea sunt prevăzute cu role, alteori doar cu o bară plată, existând mai multe tipuri diferite de configurații. Figura 14 ilustrează câteva dintre stilurile mecanismului de acționare pentru seria D2VW.

Figura 14: stiluri de mecanisme de acționare.

Comutator cu pârghie

Comutatoarele cu pârghie reprezintă un alt stil popular de comutator. Acestea sunt adesea montate pe panou, la fel ca și comutatoarele basculante. Pot fi utilizate pentru funcții momentane, dar, de obicei, sunt folosite pentru funcții de menținere. În general, acestea au un mecanism de acționare care arată ca o mică bâtă de baseball și o bucșă filetată pentru montarea pe panou. Figura 15 prezintă 200MSP3T1B1B1M2QEH de la E-Switch.

Figura 15: 200MSP3T1B1M2QEH.

Accesoriile obișnuite pentru comutatoarele cu pârghie sunt șaibele de blocare și piulițele hexagonale pentru montare. Acestea sunt, de obicei, disponibile în partea de jos a paginii produsului pe site-ul DigiKey, în zona „Produse asociate”. Modelul 200MSP3T1B1M2QEH le are pe amândouă enumerate pe pagina sa de produs, după cum se arată în Figura 16.

Figura 16: șaibă de blocare și piuliță hexagonală asociate.

Alte accesorii comune pentru comutatoarele tactile sunt capacele și manșoanele de siguranță. Figurile 17 și, respectiv, 18 ilustrează aceste accesorii. Capacul de siguranță este un accesoriu pentru GTS447A101HR de la CW Industries, iar manșonul este un accesoriu pentru M2012SS1W01 de la NKK Switches.

Figura 17: capacul de siguranță pentru GTS447A101HR.

Figura 18: manșon pentru M2012SS1W01.

Comutator rotativ

Deseori este nevoie de un comutator care să poată selecta între mai multe moduri de funcționare. Aceste aplicații pot solicita uneori un comutator rotativ. Acestea au de la unul până la mai mulți poli, dar pot avea adesea mai multe ieșiri. C7D0124N-C de la Electroswitch este un exemplu de comutator rotativ. Acesta este un comutator SP24T. Asta înseamnă că există 24 de opțiuni diferite prin care poate trece curentul, dar curentul va trece doar prin una la un moment dat. Accesoriile comune pentru comutatoarele rotative sunt butoanele, plăcile de cadran, șaibele de blocare și piulițele hexagonale. Ca și în cazul produselor anterioare, aceste accesorii pot fi găsite de obicei în fila „Produse asociate” de pe site-ul DigiKey. Figura 19 ilustrează modelul C7D0124N-C.

Figura 19: C7D0124N-C.

O altă distincție care poate fi făcută pentru un comutator rotativ este dacă este de tip „Conectare înainte de întrerupere” sau „Întrerupere înainte de conectare”. Un alt tip de limbaj care poate fi folosit pentru a descrie aceste tipuri este „Cu scurtcircuitare” sau „Fără scurtcircuitare”. Termenul „Cu scurtcircuitare” se referă la „Conectare înainte de întrerupere”. Acest lucru înseamnă că atunci când comutatorul se deplasează dintr-o poziție în alta, nu există niciodată un circuit deschis. Comutatorul va avea temporar două circuite active până când se va deplasa complet în poziția dorită. 212T0111S332RA de la CTS Electrocomponents este un exemplu de comutator rotativ cu „Conectare înainte de întrerupere”. Opusul acestui lucru este „Fără scurtcircuitare” sau „Întrerupere înainte de conectare”. Acest lucru înseamnă că primul circuit va fi întrerupt complet înainte ca comutatorul să fie în poziție pentru noul său circuit. KC52A30.001NPS de la E-Switch este un exemplu de comutator rotativ cu „Întrerupere înainte de conectare”.

Comutator cu cheie

Comutatoarele cu cheie sunt o formă foarte comună de comutator. Pornirea unei mașini este un exemplu de comutator de tip Oprire-Pornire-Momentan. Atunci când cheia este introdusă în contact, comutatorul este în poziția de pornire, dar nu va face nimic în poziția de pornire până când vehiculul nu este pornit. Poziția momentană este cea care pornește autovehiculul, moment în care cheia este readusă în poziția de pornire. Pentru a opri autovehiculul, este necesar să rotiți cheia în poziția de oprire. Un exemplu de comutator cu cheie este 84829-07 de la Honeywell Sensing and Productivity Solutions, prezentat în Figura 20.

Figura 20: 84829-07.

Concluzie

Există multe tipuri diferite de comutatoare pe piața actuală. Toate acestea au același scop, și anume conectarea circuitelor. Există funcții de comutatoare de menținere și momentane. Un comutator cu funcție de menținere își va menține poziția până când este mișcat manual. În schimb, un comutator cu o funcție momentană va reveni automat la starea sa implicită. Aplicația va restrânge tipul de comutator care este necesar. Circuitul comutatorului, împreună cu parametrii fizici, cum ar fi curentul și tensiunea maximă admisibilă, vor fi unii dintre cei mai importanți factori determinanți în alegerea unui comutator. Stilul de comutator poate fi interschimbabil; un circuit electronic va funcționa la fel de bine cu un comutator cu pârghie ca și cu un comutator basculant. Stilul de comutator va fi determinat în mare măsură de preferințele personale ale inginerului și de mediul în care va fi amplasat comutatorul.