教你正確地選擇機(jī)械開關(guān)

觸摸屏和膜片開關(guān)適用于扁平外形的可視化控制面板。但一些應(yīng)用要求設(shè)計(jì)人員重視安全性、易用性、高電壓或大電流的切換、開機(jī)時(shí)的已知配置和穩(wěn)健性。此類情景下，機(jī)械開關(guān)和按鈕往往成為理想的選擇，但設(shè)計(jì)人員仍需慎重選擇。

機(jī)械開關(guān)的種類很多，具有各式各樣的形狀、樣式、尺寸、功能、功率容量和機(jī)械特性。本文將幫助設(shè)計(jì)人員整理這些選擇參數(shù)，以及如何以最佳方式應(yīng)用一些最新器件。

選擇哪種開關(guān)或按鈕？

要確定合適的開關(guān)，首先應(yīng)確定系統(tǒng)要求。要尋找適合應(yīng)用的機(jī)械開關(guān)，首先查找符合人體工學(xué)和物理需求的開關(guān)外形尺寸，然后選擇具有相應(yīng)的電氣和環(huán)境規(guī)格且適合該外形尺寸的開關(guān)。

緊急停止

緊急停止按鈕是一個(gè)顯而易見的安全示例。許多工業(yè)系統(tǒng)嚴(yán)格要求必須具備大尺寸的紅色或橙色按鈕，并以大號(hào)字體、便于閱讀者辨識(shí)的形式標(biāo)示文字“緊急停止”。此按鈕必須置于顯眼且易于接觸的位置，并且易于按下，具有明確的觸覺反饋，以指示開關(guān)功能是否已經(jīng)完成。在一些工業(yè)環(huán)境下，不符合此標(biāo)準(zhǔn)可能非常危險(xiǎn)。

此應(yīng)用的理想解決方案之一是來自RAFI USA的Lumotast 16緊急停止按鈕。此 NO（常開型）按鈕為常見的大尺寸、圓錐蘑菇形按鈕（圖 1）。當(dāng)操作員用手猛擊此按鈕時(shí)，兩個(gè)銀色的觸頭彼此連接、閂鎖并保持接觸狀態(tài)，即便在操作員松手之后也是如此。要將按鈕重置到開路位置，需要沿任一方向旋轉(zhuǎn)蘑菇頭。

圖 1：RAFI USA Lumotast 16 緊急停止按鈕的安裝非常簡單，而且可以輕松裝入標(biāo)準(zhǔn)的 16.2 毫米安裝孔中。（圖片來源：RAFI）

Lumotast 16 可處理高達(dá) 6 安電流和 250 瓦功率，專為高可靠性操作而設(shè)計(jì)。內(nèi)部開關(guān)設(shè)計(jì)具有三個(gè)平行的冗余觸頭，因此，如果一組觸頭連接失敗，其他兩組觸頭可確?？煽康耐Ｖ故录樘峁┮曈X連接確認(rèn)，該開關(guān)可在激活后發(fā)出明亮的紅光。開關(guān)正面的防護(hù)等級(jí)為 IP67，因而適合大多數(shù)惡劣的工業(yè)環(huán)境。

Lumotast 16 的按鈕直徑為 30 毫米 (mm)，其尺寸既適合在工業(yè)控制面板中使用，也適合在手持式控制箱中實(shí)施。

要安裝 Lumotast 16，首先確保開關(guān)所在位置下有 18 毫米的安裝深度凈空。鉆取一個(gè) 16.2 毫米的安裝孔。將帶有黑色“緊急停止”字樣的黃色安裝孔襯圈放在安裝孔上面。然后將 Lumotast 16 開關(guān)放入安裝孔內(nèi)，并用附帶的安裝環(huán)螺母加以固定。完成底面兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)公頭快連鏟形端子的連線。

防止人為破壞

機(jī)械按鈕的另一項(xiàng)重要應(yīng)用是防范人為破壞。防盜壞開關(guān)必須能夠承受蓄意破壞開關(guān)構(gòu)造的行為，例如反復(fù)錘擊或企圖撬開開關(guān)。

針對(duì)防盜壞應(yīng)用，E-Switch開發(fā)了PVA3H2B0SS3R1SPDT 防破壞發(fā)光按鈕開關(guān)。這是一種 2 安、36 伏直流開關(guān)，防護(hù)等級(jí)達(dá) IP65。它具有一個(gè) RGB 照明環(huán)，其扁平的外形能夠更有效地防范破壞（圖 2）。

圖 2：帶紅色發(fā)光邊框的 E-Switch PVA3。它的安裝位置幾乎與面板平齊，因此比厚度更大的開關(guān)具有更強(qiáng)的防破壞性能。（圖片來源：E-Switch）

對(duì)于任何具有 16 毫米安裝孔的面板，此開關(guān)的安裝位置幾乎與面板平齊。確保安裝位置留出足夠的凈空，以便連接下面的觸頭。這是一個(gè)具有四個(gè)觸頭、三個(gè)用于 RGB 照明的額外 LED 觸頭，以及一個(gè)公共接地的 SPDT 開關(guān)。因此，面板下面需要進(jìn)行共計(jì)八項(xiàng)連接。規(guī)劃好面板布局，以便能夠輕松完成所有連接，而不至于擠壓或彎曲連接線。

安裝面板的厚度可以為 1 至 8 毫米。不過，面板越厚，防破壞保護(hù)能力越強(qiáng)。

選擇適合應(yīng)用的 PVA3 配置，包括瞬時(shí)接觸或閉鎖接觸。將致動(dòng)器按入開關(guān)實(shí)體可激活開關(guān)。平致動(dòng)器與開關(guān)肩部平齊表明按鈕已激活，致動(dòng)器位置高出開關(guān)肩部表明按鈕未激活。

要提供開關(guān)狀態(tài)的視覺反饋，請(qǐng)使用微控制器或可編程邏輯控制器 (PLC) 信號(hào)來點(diǎn)亮指示環(huán)中的紅色、綠色和藍(lán)色 LED。要生成自定義顏色，請(qǐng)將 LED 連接到來自微控制器或 PLC 的脈沖寬度調(diào)制輸出。

為了進(jìn)一步防止人為破壞，開關(guān)的主體和致動(dòng)器還提供了鎳或不銹鋼選項(xiàng)。

啟動(dòng)時(shí)讀取配置

有時(shí)，開關(guān)并非用戶控制所需，而是用于后臺(tái)的開發(fā)或配置。盡管 EEPROM 和閃存可以提供可在啟動(dòng)時(shí)讀取的非易失性存儲(chǔ)，但有時(shí)在對(duì)系統(tǒng)通電之前，必須以視覺方式確認(rèn)配置。針對(duì)這類情景，開發(fā)人員多年來一直依賴曾經(jīng)非常流行的 8 位 DIP 開關(guān)，例如來自O(shè)mron Electronics的A6FR-8101（圖 3）。

圖 3：Omron 的 A6FR 系列 DIP 開關(guān)具有較短的致動(dòng)器，也稱為鋼琴開關(guān)，采用通孔方式安裝到插座或 PC 板中。（圖片來源：Omron）

這些 DIP 開關(guān)適合在對(duì)系統(tǒng)通電之前必須設(shè)置配置或啟動(dòng)參數(shù)的情形。雖然用手指便能調(diào)整 DIP 開關(guān)的位置，但用鋼筆尖頭可以更輕松地進(jìn)行控制。這些開關(guān)提供了短型或長型致動(dòng)器，并且可安裝到 16 針 DIP 插座，或直接焊接到 PC 板上。與較早的 DIP 開關(guān)設(shè)計(jì)不同，A6FR 采用雙滑動(dòng)式觸頭，以確保高度可靠的閉合/斷開連接。這些 DIP 開關(guān)的額定值為 25 mA、24 伏直流電，因而非常適合數(shù)字電路。

高電壓和電流控制

有時(shí)需要對(duì)電壓和電流進(jìn)行簡單的硬性控制。軟膜片開關(guān)若要執(zhí)行高功率控制，需要一個(gè)接口電路，而這可能會(huì)增加不必要的操作復(fù)雜性，尤其當(dāng)控制不依賴于其他系統(tǒng)時(shí)更是如此。這些情景下，搖臂開關(guān)可以提供安全的電壓和電流控制以及高可靠性。

例如，E-Switch 開發(fā)了堅(jiān)固的RA811C1121發(fā)光電源搖臂開關(guān)（圖 4）。它能處理 16 安、125 伏交流電。

圖 4：E-Switch RA8 系列搖臂開關(guān)采用一個(gè)塑料分離器來保護(hù)兩個(gè)端子免于意外短路。該系列具有眾多選項(xiàng)，包括彩色、直式或直角端子，以及各種開關(guān)配置。（圖片來源：E-Switch）

E-Switch RA8 系列開關(guān)安裝在 19 x 13 毫米矩形孔內(nèi)。盡管搖臂開關(guān)可能易于使用，但原型開發(fā)最困難的部分可能在于形成供搖臂開關(guān)卡入的矩形孔。一種常用的方法是，使用略小于矩形孔寬度的鉆頭，在本例中為 13 毫米。先用鉛筆畫一個(gè)矩形孔，然后在面板中鉆取兩個(gè)相鄰的孔，小心不要超出鉛筆線的范圍以外。下一步，用一個(gè)銼刀銼出矩形孔并消除毛刺。

RA8 可在嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境中使用。其工作溫度范圍為 -20 至 +85°C，采用 PVC 蓋帽時(shí)的防護(hù)等級(jí)達(dá) IP54。接觸電阻為 30 mΩ，最大限度減少了高壓下的熱量。

在操作高壓開關(guān)時(shí)，確保各個(gè)連接彼此分離，以免發(fā)生意外短路。RA8 通過提供塑料分離器來對(duì)端子進(jìn)行物理隔離，更輕松地實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

短接啟動(dòng)非常不可取，但有時(shí)在生產(chǎn)環(huán)境中這是無法避免的。雖然 RA8 可以降低短接啟動(dòng)期間發(fā)生意外的可能性，但仍需采取所有安全預(yù)防措施，包括佩戴絕緣手套。

總結(jié)

機(jī)械開關(guān)適合特定情景，包括滿足高壓控制、安保、安全、易用性等需求或者這些需求的組合。機(jī)械開關(guān)擁有多種選項(xiàng)，正確地選擇機(jī)械開關(guān)可以讓設(shè)計(jì)人員和最終客戶都能高枕無憂。