Ce trebuie să știți despre comutatoare

Comutatoarele fac parte integrantă din viața noastră de zi cu zi, oferind atât varietate, cât și ubicuitate. Acestea au nenumărate forme, de la butoane mici la comenzi masive, și cuprind un spectru de funcții. Această diversitate, influențată de factori precum funcționarea mecanică sau electrică și controlul manual sau electronic, se poate reduce adesea la preferințele personale în materie de estetică și interfețe de utilizare.

În timp ce comutatoarele electronice, bazate pe tehnologii precum BJT, MOSFET, IGBT și alte modele de semiconductori, capătă o atenție sporită datorită costurilor tot mai mici și a caracteristicilor tot mai avansate, comutatoarele acționate mecanic încă reprezintă soluția de comutatoare preferată. Acest articol va analiza elementele de bază ale comutatoarelor, punând în mod special accentul pe modelele operate și acționate fizic, pentru a înțelege cum fac acestea legătura între formă și funcție.

Elementele de bază ale comutatoarelor

Punctul de plecare pentru selectarea oricărui comutator necesită o înțelegere a conceptelor de poli și direcții. Pe scurt, polii indică numărul de circuite pe care un singur comutator le poate gestiona, în timp ce direcțiile indică numărul de contacte pe care le poate selecta comutatorul. Această noțiune este cel mai bine înțeleasă prin reprezentări vizuale simple.

Figura 1: Diagrama comutatorului SPST. (Sursă imagine: Same Sky)

În cazul unui comutator cu un singur pol și o singură direcție, denumit SPST, acesta oferă control asupra unui singur circuit, comutatorul fiind capabil să deschidă și să închidă pur și simplu un singur contact. Acum, să comparăm acest lucru cu un comutator care are un singur pol, dar o configurație cu două direcții, cunoscut sub numele de SPDT.

Figura 2: Diagrama comutatorului SPDT. (Sursă imagine: Same Sky)

În cadrul comutatorului SPDT, rămâne un singur circuit sub control, dar comutatorul poate face tranziția între două contacte distincte. În domeniul SPDT, comutatorul nu se limitează la simplul act de deschidere și închidere a unui circuit, ci mai degrabă la redirecționarea circuitului în sine.

Figura 3: Diagrama comutatorului DPDT. (Sursă imagine: Same Sky)

Când vine vorba de un comutator bipolar cu două direcții (DPDT), un singur comutator își asumă controlul asupra a două circuite, iar fiecare comutator din cadrul acestuia navighează între două contacte. Deși SPST, SPDT, DPST și DPDT reprezintă cele mai răspândite configurații de comutatoare, nu există nicio constrângere teoretică asupra numărului de poli și de direcții pe care le poate avea un comutator. În cazul în care există mai mult de doi poli sau direcții, etichetele numerice înlocuiesc literele „S” sau „D”. De exemplu, un comutator care oferă patru poli și cinci direcții poate fi etichetat de către producător ca fiind un comutator 4P5T. În mod similar, un pol dublu cu șase direcții poate fi reprezentat ca DP6T.

Considerente privind selecția comutatoarelor

În afară de poli și de direcții, există alte câteva specificații ale comutatorului care trebuie luate în considerare în timpul procesului de selecție. Lista de mai jos include unele dintre cele mai comune caracteristici, dar nu este în niciun caz exhaustivă.

• Dimensiunea: Așa cum am menționat mai devreme, comutatoarele au mai multe forme și dimensiuni. De la comutatoarele care sunt mai mici decât un bob de orez la cele care sunt prea mari pentru a fi acționate cu mâna, dimensiunea va depinde în mod obișnuit de aplicația dorită. În mediile industriale se utilizează deseori comutatoare mai mari atunci când este necesară purtarea mănușilor sau când mișcarea fină este dificilă, în timp ce dispozitivele compacte, încorporate, caută, de obicei, cel mai mic comutator posibil.
• Stare implicită: majoritatea comutatoarelor nu au o stare predefinită, dar există comutatoare momentane, care de obicei prezintă o stare prestabilită, fie normal deschisă (NO), fie normal închisă (NC).
• Poziții: acest parametru dictează numărul de comutatoare încorporate într-o unitate solitară. Pot exista cazuri în care acest concept este confundat în mod eronat cu „direcțiile”, dar este esențial să recunoaștem că pozițiile semnifică comutatoare discrete în cadrul aceleiași unități, fiecare dintre ele fiind capabilă de acționare independentă.
• Montare: ca orice componentă electronică, comutatoarele oferă o varietate de configurații de montare. Montarea pe suprafață și stilurile cu orificii de trecere sunt, de obicei, asociate cu comutatoare mai mici de pe PCB-uri, în timp ce comutatoarele cu montare pe panou și pe șină DIN tind să fie mai mari. Un aspect esențial atât în cazul montării pe suprafață, cât și în cazul configurațiilor cu orificii de trecere este parametrul cunoscut sub numele de „pas”, care reprezintă distanța de separare a conductoarelor. În contextul comutatoarelor cu orificii de trecere, pasul are o importanță deosebită, deoarece un pas adecvat permite utilizarea cu plăcile de tip breadboard.

Figura 4: Utilizarea comutatorului cu orificiu de trecere pe o placă tip breadboard. (Sursă imagine: Same Sky)

• Acționare: pe lângă distincția dintre acționarea manuală și cea electronică, comutatoarele oferă diferite metode de acționare. Aceasta ar putea include acționarea manuală sau utilizarea de șurubelnițe sau unelte mici. Cu toate acestea, cea mai frecventă opțiune va fi alegerea între un nivel de acționare ridicat sau plat.
• Curent și tensiune nominală: comutatoarele prezintă un spectru larg de tensiuni și curenți nominali, de la câțiva volți și amperi până la sute sau chiar mii. Este imperativ să verificați întotdeauna dacă un comutator se poate potrivi atât cu valorile nominale de curent, cât și cu cele de tensiune preconizate pentru aplicația dorită.
• Factori de mediu: aceasta se referă, de obicei, la protecția la infiltrare sau la clasificările IP utilizate pentru a indica nivelul de protecție a comutatoarelor împotriva prafului și a lichidelor. Cu toate acestea, unele comutatoare pot avea o sensibilitate crescută la vibrații sau caracteristici de protecție împotriva manipulării neautorizate.

Tipuri de comutatoare mecanice

Tipurile de comutatoare prezentate mai jos sunt operate și acționate mecanic și sunt întâlnite frecvent, deși nu exclusiv, în sistemele mici, portabile sau încorporate.

• Comutatoare DIP: disponibile în capsule cu montare prin orificii sau pe suprafață, comutatoarele DIP sunt cel mai adesea o serie de comutatoare SPST. Acestea se potrivesc bine pe plăci breadboard și în produsele finite, permițând selecții semipermanente. Sunt disponibile în formă tip pian, glisante și rotative, utilizate pentru setările opțiunilor din dispozitive, în special în aplicații industriale și kituri de dezvoltare. Comutatoarele DIP oferă mai multe opțiuni decât jumperele și sunt ușor de utilizat, dar nu pentru ajustări frecvente.

Figura 5: Exemplu de comutator DIP. (Sursă imagine: Same Sky)

• Comutatoare rotative DIP: ca un subset al comutatoarelor DIP, acestea au un format rotativ pentru selectarea opțiunilor discrete (de obicei, de la 4 până la 16 poziții) și au un buton plat sau în relief. La fel ca și comutatoarele DIP liniare, acestea sunt disponibile în opțiuni de montare prin orificii sau pe suprafață. Cu toate acestea, spre deosebire de comutatoarele DIP liniare, acestea pot avea ieșiri în BCD sau hexagonale. Deși sunt compacte și ușor de utilizat, oferă o singură ieșire și nu sunt destinate utilizării continue.

Figura 6: Exemplu de comutator DIP rotativ. (Sursă imagine: Same Sky)

• Comutatoare glisante: recunoscute în mod obișnuit ca și comutatoare de putere, comutatoarele glisante sunt acționate prin glisarea unui actuator. De obicei, acestea sunt SPST și pot face față unei utilizări frecvente. Deși unele au mai mulți poli sau mai multe direcții, acest lucru poate face dificilă poziționarea precisă. Cu toate că au o capacitate mai mare decât comutatoarele DIP, acestea rămân de mică putere și sunt, de obicei, montate la suprafață sau prin orificii pe PCB-uri. Ocazional, acestea servesc ca și comutatoare DIP mai accesibile în aparatele electronice de consum, deși poate fi dificil să se găsească un echilibru între ușurința de utilizare și evitarea acționării accidentale.

Figura 7: Exemplu de comutator glisant. (Sursă imagine: Same Sky)

• Comutatoare tactile: cunoscute pentru clicul lor ușor de observat, comutatoarele tactile sunt butoane mici, momentane, concepute pentru semnale de joasă tensiune și curent redus. Acestea compensează capacitățile lor electronice modeste prin robustețe, oferind cicluri de viață lungi, de ordinul sutelor de mii sau chiar al zecilor de milioane. Deși în mod obișnuit sunt unipolare, acestea pot avea și mai multe direcții și grade IP ridicate. Utilizarea lor pe scară largă în electronicele de consum, cum ar fi controlerele de jocuri, telecomenzile, ușile de garaj și diverse aplicații industriale, subliniază popularitatea lor datorită dimensiunilor reduse și durabilității.

Figura 8: Exemplu de comutator tactil. (Sursă imagine: Same Sky)

• Comutatoare basculante: comutatoarele basculante pivotează în mijloc pentru a comuta între două opțiuni, iar de obicei nu sunt momentane. Acestea funcționează în mod obișnuit ca și comutatoare de putere pentru circuitele de înaltă tensiune, unele dintre ele având iluminare cu leduri sau becuri cu incandescență pentru a indica starea comutatorului. Pot avea clasificări IP pentru medii dure. Interfața și acționarea lor simple le fac populare în domeniul electronicelor de consum, în ciuda unui cost ușor mai ridicat din cauza dimensiunilor și caracteristicilor. În mediile industriale, acestea completează comutatoarele cu pârghie și pot avea capace pentru a preveni acționarea accidentală.

Figura 9: Exemplu de comutator basculant. (Sursă imagine: Same Sky)

• Comutatoare cu buton: comutatoarele cu buton, adesea numite butoane sau butoane de apăsare, au o acționare simplă de tip „înăuntru-afară”. Acestea pot fi momentane, au diferite forme, iar adesea includ leduri pentru iluminare sau pentru a indica starea comutatorului. Acestea gestionează o gamă largă de tensiuni și curenți, montându-se, de obicei, pe plăci de circuite imprimate sau pe panouri. Ușurința de utilizare a acestora le face potrivite pentru zonele publice în care sunt utilizate constant. Butoanele pot fi făcute rezistente, cu serii care au protecție la vandalizare și clasificări IP ridicate, ideale pentru medii dure, cum ar fi lifturile sau metrourile. Cu toate acestea, dimensiunea lor, opțiunile cu leduri și materialele pot duce la costuri mai mari în comparație cu modelele mai simple și mai mici de comutatoare cu buton.

Figura 10: Exemplu de comutator cu buton. (Sursă imagine: Same Sky)

• Comutatoare cu pârghie: comutatoarele cu pârghie sunt recunoscute pentru pârghia lor extinsă, ceea ce le face potrivite pentru situațiile care necesită purtarea mănușilor sau pentru situațiile în care controlul fin al motoarelor este limitat. Pârghia proeminentă oferă un feedback vizual clar, eliminând nevoia de leduri suplimentare, iar mișcările ample ale acestora asigură o comutare inconfundabilă. Sunt disponibile în diverse variante de poli și direcții, deși sunt mai rar configurate ca și comutatoare momentane. Comutatoarele cu pârghie sunt apreciate pentru acționarea lor ușoară, feedbackul rapid și integrarea siguranței, ceea ce le face potrivite pentru aplicații industriale sau științifice. Din cauza faptului că sunt utilizate pentru aplicații esențiale din aeronave, instrumentele de control și echipamentele medicale, acestea tind să fie mai costisitoare.

Figura 11: Exemplu de comutator cu pârghie. (Sursă imagine: Same Sky)

Rezumat

Comutatoarele sunt componente fundamentale care joacă un rol esențial în sistemele electronice și electrice. Acest articol a oferit o prezentare cuprinzătoare a aspectelor cheie ale comutatoarelor, inclusiv tipurile, funcționarea, aplicațiile și considerentele acestora. Fie că proiectați un dispozitiv electronic de consum sau lucrați la un proiect industrial complex, alegerea comutatorului potrivit poate avea un impact semnificativ asupra funcționalității și fiabilității unui sistem. Same Sky dispune de o gamă de soluții de comutare, gata să satisfacă o varietate de nevoi de comutare.