利用机械按钮和开关满足关键的设计要求

作者:Bill Giovino

投稿人:Digi-Key 北美编辑

触摸屏和膜片开关适用于扁平外形的可视化控制面板。但一些应用要求设计人员重视安全性、易用性、高电压或大电流的切换、开机时的已知配置和稳健性。此类情景下,机械开关和按钮往往成为理想的选择,但设计人员仍需慎重选择。

机械开关的种类很多,具有各式各样的形状、样式、尺寸、功能、功率容量和机械特性。本文将帮助设计人员整理这些选择参数,以及如何以最佳方式应用一些最新器件。

选择哪种开关或按钮?

要确定合适的开关,首先应确定系统要求。要寻找适合应用的机械开关,首先查找符合人体工学和物理需求的开关外形尺寸,然后选择具有相应的电气和环境规格且适合该外形尺寸的开关。

紧急停止

紧急停止按钮是一个显而易见的安全示例。许多工业系统严格要求必须具备大尺寸的红色或橙色按钮,并以大号字体、便于阅读者辨识的形式标示文字“紧急停止”。此按钮必须置于显眼且易于接触的位置,并且易于按下,具有明确的触觉反馈,以指示开关功能是否已经完成。在一些工业环境下,不符合此标准可能非常危险。

此应用的理想解决方案之一是来自 RAFI USALumotast 16 紧急停止按钮。此 NO(常开型)按钮为常见的大尺寸、圆锥蘑菇形按钮(图 1)。当操作员用手猛击此按钮时,两个银色的触头彼此连接、闩锁并保持接触状态,即便在操作员松手之后也是如此。要将按钮重置到开路位置,需要沿任一方向旋转蘑菇头。

RAFI USA Lumotast 16 紧急停止按钮图片

图 1:RAFI USA Lumotast 16 紧急停止按钮的安装非常简单,而且可以轻松装入标准的 16.2 毫米安装孔中。(图片来源:RAFI)

Lumotast 16 可处理高达 6 安电流和 250 瓦功率,专为高可靠性操作而设计。内部开关设计具有三个平行的冗余触头,因此,如果一组触头连接失败,其他两组触头可确保可靠的停止事件。为提供视觉连接确认,该开关可在激活后发出明亮的红光。开关正面的防护等级为 IP67,因而适合大多数恶劣的工业环境。

Lumotast 16 的按钮直径为 30 毫米 (mm),其尺寸既适合在工业控制面板中使用,也适合在手持式控制箱中实施。

要安装 Lumotast 16,首先确保开关所在位置下有 18 毫米的安装深度净空。钻取一个 16.2 毫米的安装孔。将带有黑色“紧急停止”字样的黄色安装孔衬圈放在安装孔上面。然后将 Lumotast 16 开关放入安装孔内,并用附带的安装环螺母加以固定。完成底面两个标准公头快连铲形端子的连线。

防止人为破坏

机械按钮的另一项重要应用是防范人为破坏。防盗坏开关必须能够承受蓄意破坏开关构造的行为,例如反复锤击或企图撬开开关。

针对防盗坏应用,E-Switch 开发了 PVA3H2B0SS3R1 SPDT 防破坏发光按钮开关。这是一种 2 安、36 伏直流开关,防护等级达 IP65。它具有一个 RGB 照明环,其扁平的外形能够更有效地防范破坏(图 2)。

带红色发光边框的 E-Switch PVA3 图片

图 2:带红色发光边框的 E-Switch PVA3。它的安装位置几乎与面板平齐,因此比厚度更大的开关具有更强的防破坏性能。(图片来源:E-Switch)

对于任何具有 16 毫米安装孔的面板,此开关的安装位置几乎与面板平齐。确保安装位置留出足够的净空,以便连接下面的触头。这是一个具有四个触头、三个用于 RGB 照明的额外 LED 触头,以及一个公共接地的 SPDT 开关。因此,面板下面需要进行共计八项连接。规划好面板布局,以便能够轻松完成所有连接,而不至于挤压或弯曲连接线。

安装面板的厚度可以为 1 至 8 毫米。不过,面板越厚,防破坏保护能力越强。

选择适合应用的 PVA3 配置,包括瞬时接触或闭锁接触。将致动器按入开关实体可激活开关。平致动器与开关肩部平齐表明按钮已激活,致动器位置高出开关肩部表明按钮未激活。

要提供开关状态的视觉反馈,请使用微控制器或可编程逻辑控制器 (PLC) 信号来点亮指示环中的红色、绿色和蓝色 LED。要生成自定义颜色,请将 LED 连接到来自微控制器或 PLC 的脉冲宽度调制输出。

为了进一步防止人为破坏,开关的主体和致动器还提供了镍或不锈钢选项。

启动时读取配置

有时,开关并非用户控制所需,而是用于后台的开发或配置。尽管 EEPROM 和闪存可以提供可在启动时读取的非易失性存储,但有时在对系统通电之前,必须以视觉方式确认配置。针对这类情景,开发人员多年来一直依赖曾经非常流行的 8 位 DIP 开关,例如来自 Omron ElectronicsA6FR-8101(图 3)。

Omron 的 A6FR 系列 DIP 开关图片

图 3:Omron 的 A6FR 系列 DIP 开关具有较短的致动器,也称为钢琴开关,采用通孔方式安装到插座或 PC 板中。(图片来源:Omron)

这些 DIP 开关适合在对系统通电之前必须设置配置或启动参数的情形。虽然用手指便能调整 DIP 开关的位置,但用钢笔尖头可以更轻松地进行控制。这些开关提供了短型或长型致动器,并且可安装到 16 针 DIP 插座,或直接焊接到 PC 板上。与较早的 DIP 开关设计不同,A6FR 采用双滑动式触头,以确保高度可靠的闭合/断开连接。这些 DIP 开关的额定值为 25 mA、24 伏直流电,因而非常适合数字电路。

高电压和电流控制

有时需要对电压和电流进行简单的硬性控制。软膜片开关若要执行高功率控制,需要一个接口电路,而这可能会增加不必要的操作复杂性,尤其当控制不依赖于其他系统时更是如此。这些情景下,摇臂开关可以提供安全的电压和电流控制以及高可靠性。

例如,E-Switch 开发了坚固的 RA811C1121 发光电源摇臂开关(图 4)。它能处理 16 安、125 伏交流电。

E-Switch RA8 系列摇臂开关图片

图 4:E-Switch RA8 系列摇臂开关采用一个塑料分离器来保护两个端子免于意外短路。该系列具有众多选项,包括彩色、直式或直角端子,以及各种开关配置。(图片来源:E-Switch)

E-Switch RA8 系列开关安装在 19 x 13 毫米矩形孔内。尽管摇臂开关可能易于使用,但原型开发最困难的部分可能在于形成供摇臂开关卡入的矩形孔。一种常用的方法是,使用略小于矩形孔宽度的钻头,在本例中为 13 毫米。先用铅笔画一个矩形孔,然后在面板中钻取两个相邻的孔,小心不要超出铅笔线的范围以外。下一步,用一个锉刀锉出矩形孔并消除毛刺。

RA8 可在严苛的工业环境中使用。其工作温度范围为 -20 至 +85°C,采用 PVC 盖帽时的防护等级达 IP54。接触电阻为 30 mΩ,最大限度减少了高压下的热量。

在操作高压开关时,确保各个连接彼此分离,以免发生意外短路。RA8 通过提供塑料分离器来对端子进行物理隔离,更轻松地实现了这一点。

短接启动非常不可取,但有时在生产环境中这是无法避免的。虽然 RA8 可以降低短接启动期间发生意外的可能性,但仍需采取所有安全预防措施,包括佩戴绝缘手套。

总结

机械开关适合特定情景,包括满足高压控制、安保、安全、易用性等需求或者这些需求的组合。机械开关拥有多种选项,正确地选择机械开关可以让设计人员和最终客户都能高枕无忧。

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关于此作者

Bill Giovino

Bill Giovino 是一名电子工程师,拥有美国雪城大学的电气工程学士学位,是先后从设计工程师、现场应用工程师跨界到技术营销部门的少数成功人士之一。

25 年来,Bill 一直喜欢在技术和非技术用户面前为包括 STMicroelectronics、Intel 和 Maxim Integrated 在内的许多公司推广新技术。在 STMicroelectronics 工作期间,Bill 作为领头人帮助该公司在微控制器领域取得了早期成功。在 Infineon,经过 Bill 精心策划,该公司的首个微控制器设计便在美国汽车领域大获全胜。作为 CPU Technologies 公司的营销顾问,Bill 帮助了许多公司,让其表现不佳的产品大获成功。

Bill 是物联网的早期尝试者,包括将第一个完整的 TCP/IP 协议栈植入微控制器。Bill 秉持“教育式销售”信条,在通过在线促销产品时强调清晰明了的书面沟通的重要性。他是广受欢迎的 LinkedIn 半导体市场营销群的群主,精通 B2E。

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