Mekaaniset painikkeet ja kytkimet ratkaisuina kriittisiin suunnitteluvaatimuksiin

Kosketusnäytöt ja kalvokytkimet ovat hyödyllisiä visuaalisissa ja matalaprofiilisissa ohjauspaneeleissa. Monissa sovelluksissa kuitenkin korostuvat turvallisuus, helppokäyttöisyys, suurjännitteiden tai -virtojen kytkentä, haluttu konfiguraatio käynnistyksen aikana tai robustisuus. Näissä tilanteissa mekaaniset kytkimet ja painikkeet ovat usein ihanteellisia, mutta suunnittelijoiden täytyy tehdä valinta huolella.

Mekaanisia kytkintyyppejä on useita erilaisia, ja niiden muoto, malli, koko, toiminnot, sähköiset ominaisuudet ja mekaaninen toiminta vaihtelevat. Tässä artikkelissa suunnittelijoille esitetään ohjeita valintaparametrien selvittämiseen ja uusimpien laitteiden hyödyntämiseen parhaalla tavalla.

Mikä kytkin tai painike?

Sopivan kytkimen valinnassa on ensin huomioitava järjestelmän vaatimukset. Sovellukseen sopivan mekaanisen kytkimen valitsemiseksi on ensin löydettävä ergonomisiin ja fyysisiin vaatimuksiin sopiva laitemuoto ja sitten valittava kytkin, jolla on oikeat sähköiset ja ympäristöolosuhteisiin liittyvät ominaisuudet.

Hätäpysäytin

Ilmeinen esimerkki turvalaitteesta on hätäpysäytyspainike. Monissa teollisissa järjestelmissä on ehdottomasti oltava suuri punainen tai oranssi painike, joka on merkitty hätäpysäyttimeksi suurella ja helposti luettavalla tekstillä. Tämän painikkeen on oltava selkeässä ja helposti saatavilla olevassa paikassa, sen on oltava helposti painettavissa ja sen tuntopalautteen on ilmaistava selkeästi, että kytkentä on tapahtunut. Jos nämä kriteerit eivät täyty, tuloksena voi olla vaarallinen teollinen ympäristö.

Yksi erinomainen ratkaisu tähän sovellukseen on RAFI USA:n Lumotast 16 -hätäpysäytyspainike. Tämä tuttu, suuri ja kartiomainen sienenmuotoinen painike on NO-tyyppinen (normaalisti avoin) (kuva 1). Kun käyttäjä läimäyttää kädellään painiketta, kaksi hopeista kosketinta muodostavat yhteyden, salpautuvat ja pysyvät kiinni senkin jälkeen, kun käyttäjä poistaa kätensä painikkeelta. Painikkeen voi palauttaa avoimeen asentoon kiertämällä sienenmuotoista päätä kumpaan tahansa suuntaan.

Kuva 1: RAFI USA Lumotast 16 ‑hätäpysäytyspainike on yksinkertainen asentaa, ja se sopii helposti vakiomuotoiseen 16,2 mm:n kiinnitysaukkoon. (Kuvan lähde: RAFI)

Lumotast 16 kestää jopa 6 ampeeria ja 250 wattia, ja se on suunniteltu toimimaan erittäin luotettavasti. Vikasietoisuutta varten kytkimen sisällä on kolme rinnakkaista kosketinta, joten jos jokin niistä ei toimi, kaksi muuta varmistavat luotettavan hätäpysäytyksen. Kytkennän visuaalista vahvistamista varten kytkimessä on kirkas punainen valo, joka syttyy kun kytkin aktivoidaan. Etupuolen suojausluokka on IP67, joten painike sopii vaativiin teollisuusympäristöihin.

Lumotast 16 ‑painikkeen halkaisija on 30 mm, joten se on tarpeeksi suuri teollisiin ohjauspaneeleihin mutta silti riittävän pieni mahtumaan kädessä pidettäviin ohjausrasioihin.

Lumotast 16 -kytkimen asentamiseksi on ensin varmistettava, että asennuskohdan alapuolella on 18 mm tilaa. Poraa 16,2 mm:n asennusaukko. Aseta mustalla ”Emergency Stop” ‑tekstillä merkitty keltainen kaulus asennusaukon päälle. Aseta sitten Lumotast 16 ‑kytkin asennusaukkoon ja kiinnitä se mukana tulevalla rengasmutterilla. Johtimet kytketään alapuolella olevaan kahteen vakiomalliseen haarukkapikaliittimeen.

Suojaus vandalismia vastaan

Toinen tärkeä ominaisuus tietyissä mekaanisten painikkeiden sovelluksissa on suojaus vandalismia vastaan. Vandalismilta suojattujen kytkinten on kestettävä tahallisia yrityksiä rikkoa kytkimen rakenne esimerkiksi hakkaamalla sitä vasaralla tai yrittämällä vääntää se irti alustastaan.

E-Switch valmistaa vandalismia vastaan suojattua valaistua SPDT-painiketta PVA3H2B0SS3R1. Sillä on IP65-suojausluokka ja se on 2 ampeerin ja 36 voltin DC-kytkin. Siinä on RGB-valorengas, ja sen matala profiili suojaa sitä vandalismilta (kuva 2).

Kuva 2: E-Switch PVA3 punaisella valaistulla peitelevyllä. Se asennetaan paneeliin lähes samalle korkeudelle paneelin kanssa, mikä parantaa sen suojausta vandalismia vastaan profiililtaan korkeampiin kytkimiin verrattuna. (Kuvan lähde: E-Switch)

Tämä kytkin asennetaan mihin tahansa paneeliin 16 mm:n asennusaukolla lähes samalle korkeudelle paneelin kanssa. Varmista, että asennuskohdassa on riittävästi tilaa liittimen alla olevien koskettimien yhdistämistä varten. Tämä on nelikoskettiminen SPDT-kytkin, jossa on kolme lisäkosketinta ledin RGB-valaistusta varten sekä yhteinen maa. Näin ollen paneelin alla täytyy tehdä yhteensä kahdeksan kytkentää. Suunnittele paneelin asettelu niin, että kaikki liitokset voidaan tehdä helposti tarvitsematta tunkea johtimia liian pieneen tilaan ja taivuttelematta niitä liikaa.

Asennuspaneelin paksuus voi olla 1–8 mm. Paksummat paneelit kuitenkin tarjoavat paremman suojauksen vandalismia vastaan.

Valitse sovellusta varten sopiva PVA3-kokoonpano joko palautuvalla tai salpautuvalla kytkennällä. Aktivoi kytkin painamalla aktuaattori kytkimen runkoon. Kun aktuaattori on samalla tasolla kytkimen reunuksen kanssa, painike on aktiivinen, ja kun se on korkeammalla, painike ei ole aktiivinen.

Voit antaa visuaalista palautetta kytkimen tilasta käyttämällä mikrokontrolleria tai ohjelmoitavaa logiikkaohjainta (Programmable Logic Controller, PLC), jolla valaistaan ilmaisinrenkaan punainen, vihreä tai sininen ledivalo. Voit generoida kustomoituja värejä yhdistämällä ledivalot mikrokontrollerin tai PLC:n pulssileveysmoduloituihin lähtöihin.

Vandalismilta suojauksen parantamiseksi kytkimen runko ja aktuaattori ovat saatavilla nikkelistä tai ruostumattomasta teräksestä valmistettuina.

Konfiguraation lukeminen käynnistyksen aikana

Joskus kytkimiä ei käytetä käyttäjäohjaukseen vaan kulissien takana tapahtuviin kehitys- ja konfigurointitarkoituksiin. EEPROM- tai Flash-muisti voi toimia haihtumattomana tietovarantona, jonka voi lukea käynnistyksen yhteydessä, mutta joskus konfiguraatio täytyy vahvistaa visuaalisesti ennen virran kytkemistä järjestelmään. Näissä tilanteissa kehittäjät ovat luottaneet vuosien ajan suosittuun kahdeksan piirin DIP-kytkimeen, kuten Omron Electronics A6FR-8101 (kuva 3).

Kuva 3: Omron A6FR ‑sarjan DIP-kytkimissä on lyhyet aktuaattorit, joita kutsutaan myös pianokytkimiksi, ja ne käyttävät läpiasennusta joko kantaan tai piirilevyyn. (Kuvan lähde: Omron)

Näitä DIP-kytkimiä käytetään, kun järjestelmän konfiguraatio tai käynnistysparametrit täytyy asettaa ennen virran kytkemistä järjestelmään. DIP-kytkimiä voi säätää sormilla, mutta kynänkärjellä se on helpompaa. Nämä kytkimet ovat saatavilla lyhyillä tai pitkillä aktuaattoreilla, ja ne voidaan asentaa 16-nastaiseen DIP-kantaan tai juottaa suoraan piirilevylle. Toisin kuin vanhemmat DIP-kytkinrakenteet, A6FR käyttää kaksoisliukukoskettimia luotettavan sulkemisen/avaamisen varmistamiseksi. Näiden DIP-kytkinten nimellisvirta on 25 mA jännitteellä 24 V DC, joten ne sopivat digitaalisiin piireihin.

Korkeajännitteen tai korkean virran ohjaus

Joskus tarvitaan jännitteen tai virran yksinkertaista ja selkeää ohjausta. Jotta kalvokytkimellä voisi ohjata korkeaa virtaa, tarvitaan liitäntäpiiri, mikä voi monimutkaistaa toimintaa tarpeettomasti, erityisesti jos ohjaus ei ole riippuvainen muista järjestelmistä. Näissä tilanteissa keinukytkin voi tarjota turvallisen ja luotettavan vaihtoehdon jännitteiden ja virran ohjaukseen.

Esimerkkinä tästä on E-Switchin kestävä ja valaistu keinutoiminen virtakytkin RA811C1121 (kuva 4). Se kestää 16 ampeeria jännitteellä 125 V AC.

Kuva 4: E-Switch RA8 ‑sarjan keinukytkimissä on muovinen erotin liitinten suojaamiseksi oikosululta. Sarjaan kuuluu lukuisia versioita eri väreissä, suorilla ja suorakulmaisilla liittimillä ja erilaisilla kytkinkonfiguraatioilla. (Kuvan lähde: E-Switch)

E-Switch RA8 ‑sarjan tuotteet asennetaan 19 x 13 mm:n nelikulmaiseen aukkoon. Keinukytkimet ovat helppokäyttöisiä, mutta prototyyppitestauksen vaikein vaihe voi olla tehdä keinukytkimelle sopiva nelikulmainen aukko. Yleinen tekniikka on käyttää poranterää, joka on hieman pienempi kuin nelikulmaisen aukon leveys, tässä tapauksessa 13 mm. Piirrä ensin nelikulmainen aukko lyijykynällä ja poraa paneeliin kaksi vierekkäistä aukkoa niin, että pysyt lyijykynäviivojen sisällä. Tee sitten aukosta metalliviilalla nelikulmainen ja poista samalla terävät reunat.

RA8-kytkintä voidaan käyttää vaativissa teollisuusympäristöissä. Sen käyttölämpötila-alue on −20…+85 °C, ja PVC-suojuksen kanssa sen suojausluokka on IP54. Kosketinten matala 30 mΩ:n resistanssi minimoi lämmöntuoton korkeilla jännitteillä.

Suurjännitekytkinten kanssa tulee varmistaa, etteivät liitokset pääse koskettamaan toisiaan oikosulkujen välttämiseksi. RA8 helpottaa tätä muovisella eristimellä, joka varmistaa, että liittimet pysyvät fyysisesti erillään toisistaan.

Vaikka jännitteisten liitinten johdotusta tulisi välttää, joskus sitä ei voida välttää tuotantoympäristössä. Vaikka RA8 vähentääkin onnettomuuksien mahdollisuutta jännitteisten liitinten johdotuksen aikana, on tärkeää käyttää kaikkia varotoimia, kuten sähköä eristäviä hansikkaita.

Yhteenveto

Mekaaniset kytkimet sopivat hyvin sellaisiin sovelluksiin kuten suurjännitteen ohjaus, turvallisuus ja helppokäyttöisyys sekä näiden yhdistelmiin. Mekaanisia kytkimiä on saatavilla monenlaisia, ja oikean valinnan tekeminen voi tarjota mielenrauhaa sekä suunnittelijalle että asiakkaalle.