【电子通识】开关的种类

       开关在我们日常生活与工作中使用较多。开关有无数种形式,种类繁多。从微小的按钮到巨大的控制器,功能多种多样。这种多样性受到机械或电气操作、手动或电子控制等因素的影响,并且与个人在设计美学和用户界面方面的偏好也有关。

        电子开关采用 BJT、MOSFET、IGBT 等技术和其他半导体设计,由于成本不断降低、功能不断扩展,因此受到越来越多的关注。日常使用的机械操作式开关仍然是最常用的开关解决方案。

        本文探讨开关基础知识,尤其是物理操作和致动模型,以了解开关外形与功能之间的关联。

刀数和掷数的概念

        选择任何开关之前,都必须掌握刀数和掷数的概念。

        简单地说,刀数表示单次开关可控制的电路数,而掷数则表示开关可选择的触点数。通过直观的视觉呈现,可以最有效地理解这一概念。

        单刀单掷开关 (SPST) 可以控制一个单独的电路,只需打开和闭合一个触点即可。现在,我们将其与单刀双掷开关 (SPDT) 进行对比。

 

        单刀双掷(SPDT)开关中,仍有一个单独的电路受控制,但开关可以在两个不同的触点之间转换。在SPDT 中,开关的作用并不仅仅局限于打开和闭合电路,而是电路本身的重新定向。 

 

        双刀双掷 (DPDT) 开关,单次开关可控制两个电路,其中每次开关在两个触点之间切换。

 

        虽然SPST、SPDT、 DPDT 是最常见的开关配置,但理论上对开关的刀数和掷数并无限制。如果有两个以上的刀或掷,则用数字标签代替“S”或“D”。例如,制造商可能会将四刀五掷开关标为 4P5T 开关。同样,双刀六掷开关可以表示为 DP6T。

开关选型注意事项

在开关选型过程中,除了刀数和掷数外,还需要考虑开关的其他规格。下面列出了一些比较常见的特性。

  • 尺寸:开关有形状多尺寸丰富,从比米粒还小的开关到大到无法移动的开关。选型尺寸通常取决于应用。在需要戴手套或微调困难的工业环境中,通常需要使用较大的开关,而紧凑型嵌入式设备通常需要尽可能小的开关。

  • 默认状态:大多数开关都没有预定状态,但有些瞬动开关通常会呈现预先设定的状态,即常开 (NO) 或常闭 (NC)。

  • 位数:位数决定了单个设备中开关的数量,是指同一装置中的不同开关,每个开关都能独立致动。在某些情况下,这一概念可能会与“掷数”错误地混淆。

  • 安装:开关有多种安装配置。表面贴装和通孔开关通常为 PCB 上较小的开关,而面板安装和 DIN 导轨安装式开关往往较大。表面贴装和通孔安装的一个关键考虑因素是“间距”参数,即引线之间的间隔距离。对于通孔开关,间距特别重要,因为间距适当的话,可以配合试验板使用。

  • 致动:除了手动和电子致动外,开关还提供各种致动方法。包括用手或小型螺丝刀或工具致动。然而,最常见的是选择凸起或平坦的致动器平面。

  • 额定电流和电压:开关的额定电压和电流范围很广,从几伏和几安到几百甚至几千伏和安。必须始终验证开关是否能满足指定应用的预期额定电流和电压。

  • 环境因素:这通常是指用于表示开关防尘和防液体等级的侵入防护或 IP 等级。但有些开关可能具有更高的振动灵敏度或防破坏功能。

机械开关的类型

        机械操作和致动的开关类型通常在较小、便携式或嵌入式系统中使用。

  • DIP 开关:​DIP开关​可采用通孔或表面贴装封装,最常见的是 SPST 开关阵列。它们与试验板和成品完美配合,能够成为半永久选择。这类开关有琴键式、滑动式和旋转式,用于在设备中进行选项设置,尤其是在工业应用和开发套件中。DIP 开关比跳线提供的选项更多,而且方便用户使用,但不适合频繁调整。

  • 旋转式 DIP 开关:这类开关是 DIP 开关的一个子集,采用​旋转形式​,用于选择不同的选项(通常为 4 到 16 位),配有平面或凸起旋钮。与线性 DIP 开关一样,这类也有通孔或表面贴装两种选择。不过,与线性 DIP 开关不同,它们可采用 BCD 或十六进制输出。虽然结构紧凑、使用方便,但只能提供单一输出,并不适合连续使用。

  • 滑动式开关:​滑动式​开关通常被用作电源开关,通过滑动致动器来操作。这类开关通常属于 SPST,可以频繁使用。有些开关有多个刀或掷,要想精确定位可能颇具挑战性。虽然这类开关的容量比 DIP 开关大,但功率仍然很低,通常以表面贴装或通孔方式安装在 PCB 上。有时,它们还可用作消费类电子产品中的 DIP 开关,更方便使用。不过,如何在方便使用和避免意外致动之间取得平衡是个难题。

  • 触摸按键开关:​​​​​​​​触摸按键开关​为人熟知的特点是有明显的“咔哒声”,设计为小型瞬动按钮,适合低电压、低电流信号。这类开关虽电子功能一般,但坚固耐用,使用寿命长达数十万甚至数千万次。虽然通常为单刀类型,但也可以具有多掷和高 IP 等级。游戏控制器、遥控器、车库门等消费类电子产品以及各种工业应用都广泛使用了这类开关,充分表明它们因小巧耐用而广受欢迎。

  • 摇臂开关:摇臂开关中间转动,在两个选项之间切换,一般不是瞬动开关。这类开关通常用作高压电路的电源开关,有些还带有 LED 或白炽灯泡照明,用于指示开关状态。它们的 IP 防护等级高,适用于恶劣环境。尽管因尺寸和功能导致成本略高,但其简单的接口和致动方式使其在消费类电子产品中大受欢迎。在工业环境中,它们可以作为拨动开关的补充,可能会设有外盖以防意外致动。

  • 按钮开关:​按钮开关​通常称为按钮或按键。这类开关可以是瞬动开关,形状各异,通常集成了 LED,用于照明或指示开关状态。可处理各种电压和电流,通常安装在印刷电路板或面板上。它们方便用户使用,适合经常有人的公共区域。按钮坚固耐用,防破坏且 IP 防护等级高,适用于电梯或地铁等恶劣环境。但与更简单、更小的按钮开关型号相比,这类开关的尺寸、LED 选项和材料可能会导致成本增加。

  • 拨动开关:拨动开关因其操作杆加长而为人熟知,适合戴手套或电机微调控制受限的场合。突出的控制杆能更清楚地给出目视反馈,无需额外的 LED 指示灯,其动作幅度较大,可确保切换准确无误。这类开关有不同的刀数和掷数,但通常较少配置为瞬动开关。拨动开关因易于致动、反馈快速和安全集成而备受推崇,非常适合工业或科学应用。由于它们在飞机、控制仪器和医疗设备中是任务关键型应用,因此成本往往更高。

总结

        开关是在电子和电气系统中发挥关键作用的基本元器件。本文了解了开关类型、操作、应用和注意事项。无论是设计消费类电子设备还是从事复杂的工业项目,选择合适的开关都会对系统的功能性和可靠性产生重大影响。

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