Útmutató kapcsolókhoz

A kapcsolók a mindennapi életünk szerves részei, nagyon változatosak, és mindenütt jelen vannak. Számtalan formában léteznek, az apró gomboktól a méretes kezelőszervekig, és a funkciók széles skáláját ölelik fel. Ez a sokféleség, amelyet olyan tényezők befolyásolnak, mint a mechanikus vagy villamos működés és a kézi vagy elektronikus kapcsolás, gyakran az esztétikával és a felhasználói felületekkel kapcsolatos egyéni ízlésre vezethető vissza.

Miközben a csökkenő költségek és a bővülő funkciók miatt egyre nagyobb figyelmet kapnak az olyan technikák, mint a BJT-k (bipolar junction transistor, bipoláris tranzisztor), a MOSFET-ek (metal oxide semiconductor field-effect transistor, félvezetős fém-oxid-záróréteges térvezérelt tranzisztor), az IGBT-k (insulated gate bipolar transistor, szigetelt kapus bipoláris tranzisztor) és más félvezetős megoldásokban gyökerező elektronikus kapcsolók, a mechanikus működtetésű kapcsolók még mindig a legmegbízhatóbb kapcsolófajtáknak számítanak. Ez a cikk a kapcsolók alapjait vizsgálja, különös tekintettel a fizikai működtetésű és kapcsolású típusokra, hogy megértsük, hogyan teremtenek kapcsolatot a forma és a funkció között.

A kapcsolók – alapismeretek

Bármely kapcsoló kiválasztásának kiindulópontja a pólusok és a kapcsolt áramkörök fogalmának megértése. Egyszerűen fogalmazva a pólusok (pole) a mozgó érintkezők számát jelölik, míg az áramkörök (throw) azt, hogy a kapcsoló egy mozgó érintkezője (pólusa vagy nyelve) hány áramkört tud kapcsolni vagy más szóval vezérelni (zárni vagy megszakítani). Ezek a fogalmak leghatékonyabban a kapcsolók egyszerű rajzjelein keresztül érthetők meg.

1. ábra Az egypólusú, egy áramkörös (SPST) kapcsoló rajzjele (Kép: CUI Devices)

 
A mindössze egypólusú és egy áramkört működtető kapcsoló, amelyet találóan egypólusú, egyáramkörös (SPST, single pole single throw) kapcsolónak neveznek, egyetlen áramkört vezérel, és a kapcsoló pólusa egyszerűen egyetlen érintkező nyitására és zárására képes. Állítsuk ezt szembe az egypólusú, de két áramkörös (SPDT, single pole double throw) kapcsolóval vagy más néven váltókapcsolóval.

2. ábra Az egypólusú, két áramkörös (SPDT) kapcsoló rajzjele (Kép: CUI Devices)

 
Az egypólusú, két áramkörös kapcsolónak egy nyelve van, de két különböző áramkört tud vezérelni (zárni vagy megszakítani). Az egypólusú, két áramkörös kapcsoló esetében a kapcsoló nemcsak egy áramkör nyitására és zárására korlátozódik, hanem két áramkör közötti átkapcsolást (váltást – innen a váltókapcsoló név) tud végezni.

3. ábra A kétpólusú, két áramkörös (DPDT) kapcsoló rajzjele (Kép: CUI Devices)

 
A kétpólusú, két áramkörös kapcsoló (DPDT, double pole double throw) esetében egy kapcsolónyelv két áramkört vezérel, és minden egyes kapcsolónyelv két-két áramkör között tud váltani. Bár a legelterjedtebb kapcsolókialakítások az egypólusú, egy áramkörös, az egypólusú, két áramkörös, a kétpólusú, egy áramkörös (DPST, double pole single throw) és a kétpólusú, két áramkörös, nincs elméleti megkötés a kapcsolók pólusainak és vezérelt áramköreinek számát tekintve. Ha kettőnél több pólus (kapcsolónyelv) vagy vezérelt áramkör van, az S vagy D rövidítést számok helyettesítik. Például egy négypólusú, öt áramkörös kapcsolót a gyártó 4P5T kapcsolóként jelölhet. Ehhez hasonlóan egy kétpólusú, hat áramkörös kapcsoló DP6T jelöléssel látható el.

Kapcsolóválasztási szempontok

A kiválasztási folyamat során a pólusok és a kapcsolható áramkörök számán kívül számos más paramétert is figyelembe kell venni. Az alábbi lista a leggyakoribb jellemzők közül tartalmaz néhányat, de korántsem teljes.

• Méret: Mint korábban említettük, a kapcsolók sokféle formájúak és méretűek lehetnek. A méretválasztás a rizsszemnél kisebb és a kézzel való kapcsoláshoz már túl nagy méretű kapcsolók között jellemzően a tervezett felhasználástól függ. Ipari környezetben, ahol kesztyűs kézzel kell kapcsolni, vagy ahol a finom mozgás nehézkes, gyakran használnak nagyobb kapcsolókat, míg a kis méretű, beágyazott eszközökhöz általában a lehető legkisebb kapcsolókat keresik.
• Alapállapot: A kapcsolók többségének nincs előre meghatározott állapota, de vannak pillanatkapcsolók, amelyeknek általában van valamilyen alapállapotuk, amely lehet alaphelyzetben nyitott (NO, normally open) vagy alaphelyzetben zárt (NC, normally closed).
• A kapcsolók száma: Ez a paraméter az egy egységbe (házba) beépített kapcsolók számát adja meg. A kapcsolók száma ugyanazon egységen (házon) belüli különálló kapcsolókat jelent, amelyek mindegyike egymástól függetlenül működtethető.
• Beszerelhetőség: Mint minden elektronikus alkatrész, a kapcsolók is többféle beszerelési lehetőséget kínálnak. A felületszerelt és a furatszerelt kialakítás általában a nyomtatott áramköri lapokra szerelhető kisebb kapcsolókra jellemző, míg a panelre és a DIN-sínre szerelhető kapcsolók általában nagyobbak. Mind a felületszerelt, mind a furatszerelt kapcsolók esetében kulcsfontosságú jellemző az osztástávolság, amely a lábak egymástól való távolságát jelzi. A furatszerelt kapcsolók (4. ábra) esetében ez különösen fontos paraméter, mert a megfelelő osztástávolság lehetővé teszi a próbapaneleken való használatot.

4. ábra Furatszerelt kapcsoló használata próbapanelen (Kép: CUI Devices)

• Működtetés: A mechanikus és elektronikus működtetési módon túl a kapcsolók különböző működtetési módszereket tesznek lehetővé. Ez lehet kézi működtetés, illetve kis csavarhúzók vagy más szerszámok használata. A két leggyakoribb megoldás azonban a ház síkjából kiemelkedő, illetve az azzal szintben lévő működtetőelem.
• Áramerősség és feszültség: A kapcsolók névleges feszültsége és áramerőssége nagyon széles tartományt fog át, a néhány volt és amper értéktől a több száz vagy akár több ezer voltig és amperig. Mindig meg kell győződni arról, hogy a kapcsoló képes-e kezelni a tervezett felhasználási területen várható áramerősséget és feszültséget.
• Környezeti szempontok: Ez jellemzően a kapcsolók por- és folyadékbehatolásával szembeni védettségi szintjének jelölésére használt IP-besorolásokat jelenti. Egyes kapcsolók azonban lehetnek fokozottan érzékenyek a rezgésekre, vagy el lehetnek látva vandalizmus elleni védelemmel.

A mechanikus kapcsolók típusai

Az alábbiakban bemutatott kapcsolótípusok mechanikusan működtetett kapcsolók, amelyekkel általában, de nem kizárólag kisebb, hordozható vagy beágyazott rendszerekben találkozhatunk.

• DIP-kapcsolók: A DIP-kapcsolók (5. ábra) (két lábsoros kapcsolók) leggyakrabban egypólusú, egy áramkörös kapcsolókat tartalmaznak. Jól használhatók próbapaneleken és kész termékekben is, félig állandó kiválasztást téve lehetővé. Léteznek billentyűs, nyomógombos, valamint csúszó- és forgókapcsoló kialakításúak, és általában az eszközök beállításainak megadására használják őket, különösen az ipari felhasználási területeken és a fejlesztőkészletekben. A DIP-kapcsolók több lehetőséget kínálnak, mint az átkötőhidak, és felhasználóbarátak, de gyakori átkapcsolgatásokra nem alkalmasak.

5. ábra DIP-kapcsoló (Kép: CUI Devices)

• DIP-forgókapcsolók: Ezek a kapcsolók (6. ábra) a DIP-kapcsolók egy alcsoportját képezik, és forgókapcsoló kialakításúak. Konkrét beállításokat lehet velük kiválasztani (általában 4–16 állás), és a ház síkjából kiemelkedő vagy azzal szintben lévő forgatógombbal vannak ellátva. A lineáris DIP-kapcsolókhoz hasonlóan ezek is kaphatóak furatszerelt és felületszerelt kivitelben. A lineáris DIP-kapcsolókkal ellentétben azonban ezekkel beállíthatók BCD (binárisan kódolt decimális) és hexadecimális kódolású kimenőjelek is. Bár kis méretűek és felhasználóbarátak, egyetlen kimenetük van, és nem folyamatos használatra készültek.

6. ábra DIP-forgókapcsoló (Kép: CUI Devices)

• Csúszókapcsolók: A csúszókapcsolókat (7. ábra) egy mű­ködtetőelem csúsztatásával működtetik. Ezek jellemzően egypólusú, egy áramkörös kapcsolók, és gyakori kapcsolásokra alkalmasak. Némelyikük többpólusú vagy több áramkörös, ami megnehezítheti a kapcsoló pontos beállítását. Bár nagyobb a terhelhetőségük, mint a DIP-kapcsolóknak, ezek is kis teljesítményűek, és általában felületszerelt vagy furatszerelt kivitelűek. A fogyasztói elektronikában esetenként hozzáférhetőbb DIP-kapcsolóként szolgálnak, bár a könnyű kezelhetőség és a véletlen működtetés elkerülése közötti egyensúly megteremtése kihívást jelenthet.

7. ábra Csúszókapcsoló (Kép: CUI Devices)

• Tapintásos visszajelzésű kapcsolók: Az érzékelhető kattanásukról ismert tapintásos visszajelzésű kapcsolók (8. ábra) gombbal működtethető kis méretű pillanatkapcsolók, amelyeket kis feszültségű, kis áramerősségű jelekhez terveztek. Szerény elektronikus képességeiket tartósságukkal kompenzálják, és hosszú, több százezer vagy akár több tízmillió kapcsolásnyi élettartamot kínálnak. Jellemzően egypólusúak, de lehetnek több áramkörösek és magas IP-besorolásúak is. A fogyasztói elektronikában, például játékkonzolokban, távirányítókban, garázskapukban és különböző ipari felhasználási területeken való széles körű használatuk jól mutatja kis méretük és tartósságuk miatti népszerűségüket.

8. ábra Tapintásos visszajelzésű kapcsoló (Kép: CUI Devices)

• Billenőkapcsolók: A billenőkapcsolók (9. ábra) középen elbillenve állíthatók át két állás között, és általában nem pillanatkapcsolók. Jobbára nagyfeszültségű áramkörök tápkapcsolóiként használják őket, némelyikük világítódiódás vagy izzólámpás megvilágítással jelzi a kapcsoló állását. Zord környezetben való használathoz kaphatóak magas IP-besorolású változatban is. Egyszerű kialakításuk és működtetésük miatt népszerűek a fogyasztói elektronikában, annak ellenére, hogy a méretük és tulajdonságaik miatt valamivel magasabbak az árúk. Ipari környezetben használják őket a karos kapcsolók kiváltására is, és a véletlen működtetés megakadályozása érdekében védőfedéllel is el lehetnek látva.

9. ábra Billenőkapcsoló (Kép: CUI Devices)

• Nyomógombok: A nyomógombok (10. ábra) vagy nyomógombos kapcsolók egyszerűen kapcsolhatók ki és be. Lehetnek pillanatkapcsolók, sokféle formában kaphatóak, és gyakran világítódiódák vannak beléjük építve megvilágítási céllal vagy a nyomógomb helyzetének jelzésére. A feszültségek és áramerősségek bő tartományát kezelik, és jellemzően nyomtatott áramköri lapra vagy panelre szerelhetőek. Felhasználóbarát jellemzőik miatt megfelelnek az állandó felhasználók által használt közterületekre is. A nyomógombok lehetnek strapabíróak, vannak vandálbiztos és magas IP-besorolású változataik, amelyek ideálisak az olyan zord környezetekbe, mint a felvonók és az aluljárók. Ezek méretei, valamint a beléjük épített világítódiódák és anyagaik azonban magasabb költségeket eredményezhetnek az egyszerűbb, kisebb nyomógombokhoz képest.

10. ábra Nyomógomb (Kép: CUI Devices)

• Karos kapcsolók: A karos kapcsolókat (11. ábra) a hosszabb karjukról lehet felismerni, ami alkalmassá teszi őket a kesztyűben való működtetésre és olyan helyekre, ahol nehézségekbe ütközik a finom mozdulatok végzése. A kiemelkedő kar világosan látható visszajelzést ad, így nincs szükség külön világítódiódákra, és a nagy mozdulatok garantálják az egyértelmű kapcsolást. Különböző pólus- és áramkörszámú változatban kaphatóak, és ritkábban ugyan, de pillanatkapcsolóként is használják őket. A karos kapcsolók egyszerű működtetésük, gyors visszajelzésük, valamint az ipari és tudományos területeken kimondottan előnyös biztonságos beépíthetőségük miatt magas értékelésűek. A repülőgépekben, ellenőrző műszerekben és orvosi berendezésekben fontos funkciók ellátására való alkalmasságuk miatt általában drágábbak.

11. ábra Karos kapcsoló (Kép: CUI Devices)

Összegzés

A kapcsolók nélkülözhetetlen alkatrészek, amelyek kulcsfontosságú szerepet játszanak az elektronikus és villamos rendszerekben. Ez a cikk áttekinti a kapcsolók legfontosabb jellemzőit, beleértve a kapcsolók fajtáit, működését, felhasználását és kiválasztásának szempontjait. Akár valamilyen fogyasztói elektronikai eszközt tervez, akár egy összetett ipari projekten dolgozik, a megfelelő kapcsoló kiválasztása nagyban befolyásolhatja a rendszer működését és megbízhatóságát. A CUI Devices számos kapcsolófajtát kínál, amelyek alkalmasak a különböző kapcsolási igények kielégítésére.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey

DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Application Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.