Kytkinopas

Kytkimet ovat olennainen osa elektroniikkaa. Lähes kaikissa sähkölaitteissa on kytkin, ellei jopa useita. Tämä johtuu siitä, että laitteilla on tyypillisesti useita eri toimintatiloja. Selkeimmät tilat ovat ON ja OFF, mutta usein käytössä on myös säädettäviä asetuksia. Autojen ikkunoita ohjataan palautuvilla kytkimillä, jotka nostavat ja laskevat ikkunoita. Pelikoneissa on kytkimiä, joilla ohjataan pelejä. Kytkimiä käyttäviä sovelluksia on elektroniikka-alalla lähes loputon määrä. Markkinoilla on saatavilla useita eri kytkintyyppejä, ja kytkimen valinnassa tulee yleisesti huomioida useita eri seikkoja. Tärkeitä kysymyksiä ovat muun muassa tarvittavien napojen ja kytkentäpisteiden määrä, kytkimen jatkuva tai palautuva toiminta sekä huomioitavat sähkövirtaan liittyvät tekijät, kuten enimmäisvirta ja -jännite. Tämän artikkelin tarkoituksena on hieman valottaa kytkinten maailmaa.

Ennen eri kytkintyyppien käsittelyä on hyvä tutustua kytkimissä käytettäviin erilaisiin piirityyppeihin. Kytkimen rakenteen kuvailuun liittyy kaksi tärkeää käsitettä. Nämä ovat navat ja kytkentäpisteet. Navoilla tarkoitetaan sitä, kuinka monta piiriä kytkimessä on. Yksinapaisella kytkimellä voi olla kerrallaan yksi aktiivinen piiri. Kytkentäpisteillä tarkoitetaan sitä, kuinka moneen eri pisteeseen navan voi kytkeä. Kuvassa 1 on yhden navan ja yhden kytkentäpisteen (Single Pole Single Throw, SPST) kytkimen piirikaavio.

Kuva 1: SPST-kytkimen piirikaavio.

SPST-kytkimessä on yksi napa, joten tällä kokokoonpanolla voidaan toteuttaa vain yksi piiri. Se on joko auki tai kiinni. Yksinapainen kytkin voi olla normaalisti avoin tai normaalisti suljettu. Kytkimen ollessa suljettuna virta voi kulkea kytkimen läpi, avoinna se ei voi. Kuvitellaan sitten tilanne, jossa virta voi kulkea vain yhtä reittiä, mutta virran määränpäälle on kaksi eri vaihtoehtoa. Tämä on yhden navan ja kahden kytkentäpisteen (Single Pole Double Throw, SPDT) kytkin. Tätä esitellään kuvassa 2.

Kuva 2: SPDT-kytkimen piirikaavio.

Tämä logiikka helpottaa kytkinten ymmärtämistä. Toinen SPDT-kytkintä muistuttava esimerkki on kahden navan ja kahden kytkentäpisteen (Double Pole Double Throw, DPDT) kytkin. Se näyttää samalta kuin kuvan 2 kytkin, mutta siinä on kaksi napaa yhden sijaan. Kuvassa 3 on DPDT-kytkimen piirikaavio.

Kuva 3: DPDT-kytkimen piirikaavio.

Kytkinten suhteen on hyvä pitää mielessä, että saman tavoitteen voi toteuttaa erilaisilla piirivaihtoehdoilla. Esimerkkinä tästä on yksinkertainen ON/OFF-kytkin ilman palautustoimintoa. Tämän voi toteuttaa SPST- tai SPDT-kytkimellä. Otetaan esimerkiksi CW Industries -yrityksen GRS-2011-2019. Tämän laitteen pohjassa on kaksi liitintä, mikä tarkoittaa SPST-kytkintä. Kun kytkin on tietyssä asennossa, liittimet ovat yhteydessä toisiinsa ja sähkövirta kulkee niiden läpi. Kun kytkin on toisessa asennossa, ne eivät ole yhteydessä eikä sähkövirta voi kulkea. Jos käytössä olisi SPST-kytkimen sijaan SPDT-kytkin, kuten GRS-2013A-2000, sillä voitaisiin saavuttaa sama tulos. Tällöin käytettäisiin kahta liitintä ja yksi jätettäisiin avoimeksi. Tämä on kätevää, kun tarvitaan normaalisti avoin tai normaalisti suljettu SPST-kytkin. SPDT-kytkin voi toimittaa kumpaa tahansa virkaa. Kun harkitaan SPDT-kytkintä, on hyvä huomioida kytkimen käyttötarkoitus. SPDT-kytkimen aktuaattorilla voi olla kaksi tai kolme asentovaihtoehtoa. Havainnollistetaan tätä kuvittelemalla kytkin, jonka asennot ovat ON-OFF-ON. Tämä on tavallista moottorisovelluksissa, joissa moottori voi käydä yhteen suuntaan, olla pysähtyneenä tai käydä toiseen suuntaan. Tämän voi toteuttaa SPDT-kytkimillä, mutta ei kaikilla. GRS-2013A-2000 on ON-OFF-ON-kytkin, joten se sopii tähän sovellukseen. C&K D508J12S205QA taas ei sopisi tähän tarkoitukseen, sillä se on ON-MOM-kytkin. Tämä tarkoittaa, että kytkin on tyypillisesti ON-asennossa ja sen voi hetkellisesti kytkeä pois. Yksi esimerkkisovellus tälle kytkimelle on ruokakaupan kassan liukuhihna. Kun johdot kytketään käänteisesti, liukuhihnan moottori pysyy sammutettuna, kunnes aktuaattoria painetaan. Tällöin kytkimen sisällä tapahtuu hetkellinen kontakti, ja sähkövirta voi kulkea. Kun aktuaattori vapautetaan, kytkin palaa normaaliin OFF-asentoonsa ja sähkövirta lakkaa kulkemasta.

Kytkimen valinnassa on myös tärkeää huomioida sen sähköiset ominaisuudet. Jos kyseessä on 50 ampeerin piiri, 10 ampeerille luokiteltu kytkin ei riitä. On aina tärkeää tarkistaa kytkimen nimellisjännite ja -virta. Nimellisjännitteet ja -virrat voivat myös vaihdella vaihtovirran ja tasavirran mukaan. Valmistajat ilmoittavat usein kummankin arvon, mutta eivät aina. Kun arvioit kytkimen nimellisjännitettä, tarkista, millä tavalla valmistaja on ilmoittanut jännitetyypin. Jos nimellisjännitteeksi on merkitty 125 V_AC, sillä tarkoitetaan jännitettä vaihtovirralla. Jos merkintä taas on 125 V, kyseessä on tasavirtajännite. Merkintätapa selitetään yleensä tuotteen teknisissä tiedoissa tai piirustuksessa. Digi-Keyn sivustolta voi löytyä lisätietoja. E-Switch PS1024ARED-kytkimelle on ilmoitettu nimellisjännite vaihtovirralla, mutta Digi-Keyn sivustolla lukee 125 V. Tämä johtuu siitä, että sarakkeen otsikkona on ”Jänniteluokitus – AC”. Kuvassa 4 näytetään tuotteen tiedot Digi-Keyn sivustolla ja kuvassa 5 taas PS1024ARED-kytkimen julkaistut nimellistiedot.

Kuva 4: PS1024ARED-kytkimen tuoteominaisuudet.

Kuva 5: PS1024A-kytkimen sähköiset ominaisuudet.

Tällä kytkimellä on useampia nimellisarvoja, mikä ei käy ilmi Digi-Keyn sivustolta, mutta joka on merkittynä selvästi kuvan 5 sähköisiin ominaisuuksiin. Ensimmäinen nimellisarvo on 3 A jännitteellä 125 V_AC ja toinen taas 1,5 A jännitteellä 250 V_AC. Kuinka samalla kytkimellä voi olla kaksi nimellisarvoa? Tämä johtuu siitä, että teho on jännitteen ja virran funktio. Kummallakin näistä nimellisarvoista on sama nimellisteho. Jos nämä numerot laitetaan nimellistehon yhtälöön, saadaan sama tulos.

Kytkimillä voi usein olla nimellisarvo vain vaihtovirralle eikä lainkaan tasavirralle. Kytkimen vaihtovirtanimellisjännitteen muuntamiseen tasavirralle sopivaksi on kätevä nyrkkisääntö. Tällöin käytetään kytkimen korkeinta nimellisvirtaa ja tasavirtajännitteeksi voidaan asettaa 30 volttia. PS1024A-kytkimellä on kaksi nimellisarvoa, 3 A jännitteellä 125 V_AC ja 1,5 A jännitteellä 250 V_AC. Nyrkkisääntöä soveltamalla saadaan selville, että kytkimen nimellisarvoa 3 A voidaan käyttää enimmäisjännitteellä 30 V_DC. Tämän säännön on kehittänyt Carling Technologies ja sitä kutsutaan nimellä tasavirran nyrkkisääntö eli ”DC Rule of Thumb”. Kytkimillä on usein myös nimellisarvo hevosvoimissa. Tämä johtuu siitä, että induktiivisilla kuormilla voi olla hyvin korkea kytkentäsysäysvirta. Hevosvoimissa ilmoitettu nimellisarvo on suunniteltu vaihtovirtamoottorien kanssa käytettäville kytkimille. Tästä syystä näille kytkimille annetaan tällainen nimellisarvo, mutta se ei tarkoita, etteikö tällaista kytkintä voisi käyttää muissa laitteissa.

Painikekytkin

Painikekytkin on yksi kytkintyyppi. Näissä kytkimissä on aktuaattori. Aktuaattoria voidaan kutsua epämuodollisesti myös painikkeeksi. Tällaiset kytkimet asennetaan usein paneeleihin tai levyihin. Kuvassa 6 esitetään NKK Switches KB16CKW01-5F-JF.

Kuva 6: KB16CKW01-5F-JF.

KB16CKW01-5F-JF-kytkimessä mielenkiintoinen piirre on sen liitinten lukumäärä. Tämä on SPDT-kytkin, jossa luulisi olevan vain kolme liitintä, mutta niitä onkin viisi. Tämä johtuu siitä, että se on valaistu. Monet kytkimet ovat valaistuja, ja niillä on nimellinen valaistusjännite. Tämän kytkimen valaistusjännite on 2,1 V_DC. Dokumentaatiossa ilmoitetaan, että liitin numero 2 on yhteisliitin ja että ledivalo saa virtansa liittimistä L (+) ja L (-), kuten kuvassa 7 näkyy.

Kuva 7: KB16CKW01-5F-JF-kytkimen dokumentaatio.

Kytkinten tuotesivuilla on alaosassa usein lueteltuna erilaisia tarvikkeita. KB16CKW01-5F-JF-tuotesivun alaosassa Digi-Keyn sivustolla on neljä kytkimen kanssa yhteensopivaa tarviketta.

Nämä tarvikkeet löytyvät KB16CKW01-5F-JF-sivun alaosasta Digi-Keyn sivustolta tai sarjan dokumentaation teknisistä tiedoista. Valmistajat suunnittelevat usein kokonaisen kytkinsarjan. Ne ovat valmistajakohtaisten yhteensopivien tuotteiden ryhmiä. KB16CKW01-5F-JF suunniteltiin erityisesti toimimaan tiettyjen tarvikkeiden kanssa, jotka on eritelty dokumentaatiossa. Tarvikesuojus löytyy sarjan teknisten tietojen sivulta D34. Kuvassa 8 esitetään suojus ja sen osanumero AT494 tilaamista varten.

Kuva 8: KB16CKW01-5F-JF-kytkimen dokumentaatio.

Kytkinvalmistajat luettelevat usein kokonaisen sarjan yhdellä teknisellä tietosivulla, koska osien väliset erot voivat olla hyvin pieniä. Eri osanumerot ovat usein vain eri värivaihtoehtoja. Tarvikeledi AT635F on hyvä esimerkki tästä. Dokumentaatiossa on lueteltu vain numero AT635 lisävarusteena. Aiemmin mainitussa tuotteessa on päätteenä F. Kuvassa 9 näytetään tilauskaavio, jossa F merkitsee vihreää lediä. Tilauskaaviossa esitetään vasemmalla ledin perusnumero AT635. Keskimmäisessä sarakkeessa esitetään vaihtoehdot punainen, keltainen ja vihreä. Sanalla Green (vihreä) merkityssä laatikossa lukee 5F. Näin ollen AT635F merkitsee vihreää lediä.

Kuva 9: KB16CKW01-5F-JF-kytkimen dokumentaatio.

Taktiilikytkin

Taktiilikytkimet ovat samankaltaisia kuin painikekytkimet, mutta tyypillisesti paljon pienempiä. Niitä on esimerkiksi kuluttajakäyttöön tarkoitetuissa verkkoreitittimissä nollauspainikkeina. Kytkin on tyypillisesti upotettu muoviin, jolloin sitä ei voi painaa vahingossa. Tällaista kytkintä pitää yleensä painaa paperiliittimellä tai hammastikulla. Tällaiset kytkimet ovat tavallisesti palautuvia taktiilikytkimiä, eikä niitä yleensä käytetä ON/OFF-kytkiminä. Niitä käytetään usein nollaamiseen, laskemiseen, pysäyttämiseen tai muihin samankaltaisiin toimintoihin. Niillä on yleensä hyvin alhaiset nimellisjännitteet ja -virrat. APEM Inc. MJTP1230 on esimerkki taktiilikytkimestä. Se on SPST-NO-kytkin, eli yksinapainen yhden kytkentäpisteen normaalisti avoin piiri. Näin ollen sähkövirta ei kulje kytkimen läpi ennen kuin sen aktuaattoria painetaan. Kun aktuaattori vapautetaan, kytkin avautuu automaattisesti uudelleen eikä sähkövirta kulje enää sen läpi. Kuvassa 10 on esitetty MJTP1230.

Kuva 10: MJTP1230.

Tässä kytkimessä on neljä jalkaa. Tämä on yleistä taktiilikytkimillä. Kytkimessä ei ole kahta erillistä kytkettävää piiriä, vaan kaksi lisäjalkaa tekevät kytkimestä fyysisesti tukevamman, kun se juotetaan levyyn. Toisella puolella olevat kaksi jalkaa ovat pysyvästi yhdistettynä riippumatta kytkimen asennosta. Kytkimen toinen puoli noudattaa samaa sääntöä, eli jalat ovat aina yhdistettynä. Kun aktuaattoria painetaan, kytkimen puoliskojen välille muodostuu yhteys. Tämän kytkimen piiri noudattaa kuvan 1 mukaista piirikaaviota.

Dip-kytkin

Dip-kytkimen (kaksirivikytkimen) nimi tulee sanoista ”Dual Inline Package”. Ne on suunniteltu sopimaan koekytkentäalustoihin. Tällainen kytkin on itse asiassa kokoelma pieniä SPST-kytkimiä. Sellaista käytetään esimerkiksi lavavalaistuksen DMX-ohjaimissa. Kullekin valaisimelle asetetaan oma osoitteensa. Moderneissa DMX-ohjatuissa valoissa tämän voi ohjelmoida mikrokontrollerilla ja säätämällä näytöllä numeroa ylös- ja alaspäin. Vanhemmissa DMX-ohjatuissa valoissa on dip-kytkin, jolla asetetaan valaisimelle haluttu binääriosoite. Tällaiset kytkimet käyttävät yleensä pintaliitosta tai läpiasennusta, mutta saatavilla on myös paneeliasennusvaihtoehtoja. Kuvassa 11 esitetään yrityksen CTS Electrocomponents dip-kytkin 208-4.

Kuva 11: 208-4.

Keinukytkin

Myös keinukytkimet ovat hyvin suosittuja. Tällaisessa kytkimessä on kovera aktuaattori, jonka voi kääntää puolelta toiselle. Kuluttajaelektroniikassa käytetään yleisesti keinukytkimiä ON/OFF-kytkiminä. Ne käyttävät tavallisesti paneeliasennusta, mutta niitä voi asentaa myös suoraan levylle. Kuvassa 12 esitetään ZF Electronics CRE22F2BBRLE-kytkin.

Kuva 12: CRE22F2BBRLE.

Tämä on SPST-kytkin, joten sen voi kytkeä vain päälle tai pois. Kytkimessä on liitin myös keskellä, koska se on valaistu. Valaistuissa SPST-kytkimissä on yleensä kolme liitintä. Ulompien liitinten tarkoituksena on päästää virta kulkemaan lähteestä maahan. Keskimmäistä liitintä käytetään valoa varten. Kun kytkin on avoinna, lampun läpi ei kulje virtaa. Kun kytkin on kiinni, virta kulkee lähteestä lampun kautta maahan.

Keinukytkimen kanssa tulee huomioida myös liittimen fyysinen koko. Nämä kytkimet asennetaan usein paneeliin, joten ne kytketään yleensä erillisillä johtimilla ja pikaliittimillä. CRE22F2BBRLE-kytkimen liitinten leveys on 0,25 tuumaa. Tämä löytyy Digi-Keyn verkkosivustolla tuotteen ominaisuuksista kohdassa ”Terminointityyppi”. Yleisiä liitinkokoja ovat 0,110, 0,187 ja 0,250 tuumaa. Näille on saatavilla pikaliittimiä Digi-Keyn sivulla ”Liittimet – pikaliitokset, pikaliittimet”.

Mikrorajakytkin

Valmistustoiminnassa tarvitaan usein kytkintä asioiden laskemiseen. Tästä esimerkkinä on tuotantolinja, jolla täytyy laskea, kuinka monta tuotetta kulkee tietyn pisteen ohi. Tuotteen saattaa esimerkiksi olla tietyn painoinen, jolloin se aktivoi kytkimen. Tällaisessa sovelluksessa voidaan käyttää kytkintä, jonka tarvitsee liikkua vain hieman voidakseen laskea jotain. Omron D2VW-5L2-1HS on esimerkki mikrorajakytkimestä, jota voidaan käyttää tällaiseen tarkoitukseen. Kuvassa 14 näytetään D2V2-5L2-1HS-kytkimen varsi, jota voidaan käyttää tällaiseen tarkoitukseen.

Kuva 13: D2VW-5L2-1HS.

Jotkin mikrorajakytkimet pitävät piirin kytkettynä ON/OFF-kytkimen tapaan, mutta useimmat ovat palautuvia. SPST-NO- ja SPST-NC-tyyppiset mikrorajakytkimet ovat hyvin yleisiä. Aiemmin mainittiin hyödyllisenä menetelmänä käyttää SPDT-piiriä normaalisti avoimen tai normaalisti suljetun SPST-kytkimen sijaan. Tämä on kätevää, koska kytkin sopii sekä normaalisti avointa että normaalisti suljettua kytkintä tarvitseviin sovelluksiin.

Yleisin mikrorajakytkimen kanssa käytetty tarvike on aktuaattorina toimiva varsi. Saatavilla on lukuisia erilaisia konfiguraatioita, joissa on esimerkiksi rulla tai litteä varsi. Kuvassa 15 esitellään erilaisia aktuaattoreita D2VW-sarjalle.

Kuva 14: erilaisia aktuaattoreita.

Vipukytkin

Myös vipukytkin on suosittu kytkintyyppi. Keinukytkinten tapaan nekin asennetaan usein paneeleihin. Niitä voi hyödyntää palautuvissa toiminnoissa, mutta useimmiten niitä käytetään jatkuviin toimintoihin. Niissä on tyypillisesti pientä pesäpallomailaa muistuttava aktuaattori ja paneeliasennusta varten läpivientieristin kierteellä. Kuvassa 16 esitetään E-Switch 200MSP3T1B1M2QEH.

Kuva 15: 200MSP3T1B1M2QEH.

Lukkoaluslevyt ja kuusiomutterit ovat yleisiä vipukytkinten asennukseen käytettäviä tarvikkeita. Niitä löytyy tyypillisesti DigiKey-tuotesivun alaosasta kohdasta ”Liittyvä tuote”. Kumpikin näistä on lueteltu 200MSP3T1B1M2QEH-kytkimen tuotesivulla, kuten kuvassa 17 on esitelty.

Kuva 16: Yhteensopiva lukkoaluslevy ja kuusiomutteri.

Muita yleisiä vipukytkinten tarvikkeita ovat erilaiset suojakannet ja sukat. Näitä on esitelty kuvissa 18 ja 19. Suojakansi on tarvike CW Industries GTS447A101HR -kytkimelle ja sukka NKK Switches M2012SS1W01 -kytkimelle.

Kuva 17: Suojakansi GTS447A101HR-kytkimelle.

Kuva 18: Sukka M2012SS1W01-kytkimelle.

Kiertokytkin

Usein tarvitaan kytkintä, jolla voi valita yhden useista eri toimintatiloista. Näissä sovelluksissa käytetään joskus kiertokytkintä. Niissä on yksi tai useampia napoja ja usein suuri määrä kytkentäpisteitä. Electroswitch C7D0124N-C on esimerkki kiertokytkimestä. Tämä on SP24T-kytkin. Tämä merkitsee, että sähkövirralle on 24 eri kytkentäpistettä, mutta se voi kuitenkin kulkea vain yhden kautta kerrallaan. Kiertokytkinten yleisiä tarvikkeita ovat nupit, valitsinlevyt, lukkoaluslevyt ja kuusiomutterit. Kuten aiempienkin tuotteiden kanssa, nämä tarvikkeet löytyvät yleensä DigiKey-tuotesivun kohdasta ”Liittyvä tuote”. Kuvassa 20 esitellään C7D0124N-C.

Kuva 19: C7D0124N-C.

Kiertokytkin voi olla tyypiltään juontokosketin tai vaihtokosketin. Tämän voi ilmaista myös kutsumalla sitä oikosulkevaksi tai ei-oikosulkevaksi. Oikosulkeva viittaa tyyppiin juontokosketin. Tällöin kytkimen siirtyessä seuraavaan asentoon piiri ei ole koskaan avoinna. Kytkimellä on väliaikaisesti kaksi aktiivista piiriä, kunnes se on siirtynyt kokonaan uuteen asentoon. CTS Electrocomponents 212T0111S332RA on esimerkki kiertokytkimestä juontokoskettimella. Tämän vastakohta on ei-oikosulkeva vaihtokosketin. Tällöin ensimmäinen piiri katkeaa kokonaan ennen kytkentää uuteen piiriin kytkimen seuraavassa asennossa. E-Switch KC52A30.001NPS on esimerkki kiertokytkimestä vaihtokoskettimella.

Avainkytkin

Avainkytkin on hyvin yleinen kytkintyyppi. Auton virtalukko on esimerkki OFF-ON-MOMENTARY-kytkimestä. Kun avain työnnetään auton virtalukkoon, kytkin on ON-asennossa, mutta mitään ei tapahdu ennen kuin ajoneuvo käynnistetään. Ajoneuvo käynnistyy MOMENTARY-asennossa, minkä jälkeen avain palautetaan ON-asentoon. Ajoneuvon sammuttamiseksi avain täytyy kääntää OFF-asentoon. Kuvassa 20 esitelty Honeywell Sensing and Productivity Solutions 84829-07 on esimerkki avainkytkimestä.

Kuva 20: 84829-07.

Yhteenveto

Nykyään on saatavana useita erityyppisiä kytkimiä. Niiden kaikkien päätoiminto on kytkeä piirejä. Kytkimen toiminta voi olla jatkuvaa tai palautuvaa. Jatkuvatoiminen kytkin jää asentoonsa, kunnes sitä siirretään manuaalisesti. Sitä vastoin palautuva kytkin palautuu automaattisesti oletustilaansa. Tarvittava kytkintyyppi riippuu käyttökohteesta. Kytkimen piirityyppi ja fyysiset parametrit, kuten sallittu enimmäisvirta ja -jännite, ovat hyvin tärkeitä tekijöitä kytkimen valinnassa. Samaan sovellukseen voi valita erilaisia kytkimiä. Sähköpiiri toimii yhtä hyvin vipu- kuin keinukytkimelläkin. Valitun kytkimen tyyppi riippuu pitkälti suunnittelijan mieltymyksestä ja kytkimen käyttöympäristöstä.