Mitä kytkimistä täytyy tietää

Kytkimet ovat olennainen osa jokapäiväistä elämäämme, niitä on monenlaisia ja niitä on kaikkialla. Niistä on olemassa lukemattomia eri muotoja, pienistä painikkeista massiivisiin ohjauslaitteisiin, ja ne kattavat koko kirjon toimintoja. Tätä monimuotoisuutta, johon vaikuttavat sellaiset tekijät kuten mekaaninen tai sähköinen toiminta ja manuaalinen tai elektroninen ohjaus, voidaan usein rajata henkilökohtaisilla mieltymyksillä estetiikan ja käyttöliittymien suhteen.

Vaikka elektroniset kytkimet, jotka perustuvat sellaisiin teknologioihin kuten BJT, MOSFET, IGBT ja muihin puolijohdemalleihin, keräävät yhä enemmän huomiota laskevien hintojen ja laajenevien ominaisuuksien ansiosta, mekaaniset kytkimet ovat edelleen suosituin kytkinratkaisu. Tässä artikkelissa syvennytään kytkimien perusteisiin ja keskitytään erityisesti fyysisesti käytettäviin ja kytkettäviin malleihin, jotta ymmärrettäisiin, miten niissä yhdistyvät sekä muoto että toiminta.

Kytkinten perusteet

Kaikkien kytkimien valinnan lähtökohtana on käsitteiden napa ja kytkentäpiste ymmärtäminen. Yksinkertaisesti sanottuna navat tarkoittavat niiden piirien lukumäärää, joita yksi ainut kytkin voi ohjata, kun taas kytkentäpisteet ilmaisevat sen, kuinka monta kosketinta kytkin voi valita. Tämä käsite on helpoin ymmärtää yksinkertaisten visuaalisten esitysten avulla.

Kuva 1: SPST-kytkimen kaavio. (Kuvan lähde: Same Sky)

Kytkin, jossa on vain yksi napa ja yksi kytkentäpiste – jota kutsutaan sopivasti nimellä SPST (Single Pole, Single Throw) – voi ohjata yhtä ainutta piiriä, jolloin kytkin pystyy ainoastaan avaamaan ja sulkemaan yksittäisen koskettimen. Verratkaamme sitä nyt kytkimeen, jossa on yksi napa, mutta kaksi kytkentäpistettä ja joka tunnetaan nimellä SPDT (Single Pole, Double Throw).

Kuva 2: SPDT-kytkimen kaavio. (Kuvan lähde: Same Sky)

SPDT-kytkin ohjaa edelleen yhtä ainoaa piiriä, mutta se voi vaihtaa kahden eri kytkentäpisteen välillä. SPDT-kytkin ei rajoitu pelkkään piirin avaamiseen ja sulkemiseen, vaan pikemminkin itse piirin uudelleensuuntaukseen.

Kuva 3: DPDT-kytkimen kaavio. (Kuvan lähde: Same Sky)

Kaksinapaisessa kahden kytkentäpisteen (DPDT) kytkimessä puolestaan yksi ainut kytkin ohjaa kahta piiriä, ja kukin kytkinkomponentti liikkuu siinä kahden koskettimen välillä. Vaikka SPST, SPDT, DPST ja DPDT edustavat kaikkein yleisimpiä kytkinkonfiguraatioita, kytkimen napojen ja kytkentäpisteiden määrälle ei ole teoreettista rajoitusta. Kun napoja tai kytkentäpisteitä on enemmän kuin kaksi, S- tai D-kirjain korvataan numeromerkinnöillä. Valmistaja saattaa esimerkiksi nimetä neljä napaa ja viisi kytkentäpistettä sisältävän kytkimen 4P5T-kytkimeksi. Vastaavasti kaksinapaiselle kytkimelle, jossa on kuusi kytkentäpistettä, voidaan antaa nimi DP6T.

Kytkimen valintaan liittyviä näkökohtia

Kytkimillä on napojen ja kytkentäpisteiden lisäksi useita muita spesifikaatioita, jotka on otettava huomioon valintaprosessissa. Alla oleva luettelo sisältää joitakin yleisimpiä ominaisuuksia, mutta se ei suinkaan ole tyhjentävä.

• Koko: Kuten edellä on mainittu, kytkimiä on monen muotoisia ja kokoisia. Niiden koko ulottuu riisinjyvää pienemmistä niin suuriin, ettei niitä voi liikuttaa käsin. Koko riippuu yleensä käyttötarkoituksesta. Teollisuusympäristöissä kytkimet ovat yleensä suurempia, koska niitä voidaan käyttää käsineet kädessä ja hienovaraisten liikkeiden toteuttaminen on vaikeaa. Kompakteihin, sulautettuihin laitteisiin tarvitaan puolestaan yleensä mahdollisimman pieni kytkin.
• Oletustila: Suurimmalla osalla kytkimistä ei ole ennalta määriteltyä tilaa. On kuitenkin olemassa palautuvia kytkimiä, joilla on yleensä ennalta määritetty tila, joko normaalisti auki (NO) tai normaalisti kiinni (NC).
• Asennot: Tämä parametri määrää yhden yksikön sisältämien kytkimien määrän. Tämä käsite saattaa toisinaan mennä virheellisesti sekaisin ”kytkentäpisteiden” kanssa, mutta on tärkeää ymmärtää, että piirit tarkoittavat erillisten kytkimien lukumäärää samassa yksikössä, ja jokainen näistä voi toimia itsenäisesti.
• Asennus: Kuten kaikki elektroniikkakomponentit, myös kytkimet tarjoavat paljon erilaisia asennuskonfiguraatioita. Pinta-asennus- ja läpiasennusmallit liittyvät yleensä pienempiin piirilevykytkimiin, kun taas paneeli- ja DIN-kiskoasenteiset kytkimet ovat yleensä suurempia. Sekä pinta- että läpiasennuksessa ratkaiseva tekijä on parametri, joka tunnetaan nimellä ”jako”. Tämä tarkoittaa jalkojen välistä etäisyyttä toisistaan. Läpiasennuskytkimien yhteydessä jako on erityisen tärkeä ominaisuus, koska sopiva jako mahdollistaa käytön koekytkentäalustojen kanssa.

Kuva 4: Läpiasennettavan kytkimen käyttö koekytkentäalustalla. (Kuvan lähde: Same Sky)

• Käyttötapa: Sen lisäksi, että kytkimet voidaan erotella manuaalisesti ja elektronisesti käytettäviin, ne tarjoavat erilaisia käyttömenetelmiä. Niiden tilaa voidaan muuttaa esimerkiksi käsin, pienillä ruuvimeisseleillä tai työkaluilla. Yleisin vaihtoehto on kuitenkin valita onko aktuaattori korkeammalla kuin kytkin vai onko se samalla tasolla sen kanssa.
• Virta- ja jänniteluokitus: Kytkimillä on laaja spektri jännite- ja virtaluokituksia muutamasta voltista ja ampeerista satoihin tai jopa tuhansiin saakka. On ehdottoman tärkeää varmistaa aina, että kytkin kestää aiotussa sovelluksessa odotettavat virta- ja jännitearvot.
• Ympäristöluokitus: Tämä viittaa yleensä kotelon suojaukseen tai IP-luokituksiin, joilla ilmoitetaan kytkimien suojaustaso pölyä ja nesteitä vastaan. Jotkin kytkimet voivat kuitenkin olla herkempiä tärinälle tai ne on voitu suojata ilkivallalta.

Mekaanisten kytkinten tyypit

Alla mainittuja kytkintyyppejä ohjataan mekaanisesti ja niiden tilaa vaihdetaan mekaanisesti. Niitä tavataan yleisesti, joskaan ei yksinomaan, pienemmissä, kannettavissa tai sulautetuissa järjestelmissä.

• DIP-kytkimet: Läpiasennus- tai pinta-asennuskoteloa käyttävät DIP-kytkimet koostuvat yleisimmin sarjasta SPST-kytkimiä. Ne sopivat hyvin koekytkentäalustoihin ja valmiisiin tuotteisiin mahdollistaen puolikiinteät valinnat. Niitä on saatavana piano-, liuku- ja kiertokytkinmuodoissa, ja niitä käytetään laitteiden asetuksiin, erityisesti teollisuussovelluksissa ja kehityssarjoissa. DIP-kytkimet tarjoavat enemmän vaihtoehtoja kuin jumpperit ja ovat käyttäjäystävällisiä, mutta eivät sovellu usein muutettaviin säätöihin.

Kuva 5: Esimerkki DIP-kytkimestä. (Kuvan lähde: Same Sky)

• DIP-kiertokytkimet: Nämä ovat DIP-kytkimien alaryhmä, joilla on kiertokytkimen muoto erillisten vaihtoehtojen valintaa (yleensä 4–16 asentoa) varten. Niissä on joko tasainen tai kohollaan oleva nuppi. Lineaaristen DIP-kytkimien tapaan niitä on saatavana läpiasennus- tai pinta-asennusvaihtoehtoina. Toisin kuin lineaariset DIP-kytkimet, niiden lähtö voi kuitenkin olla BCD- tai Hex-muodossa. Vaikka nämä kytkimet ovatkin kompakteja ja käyttäjäystävällisiä, ne sisältävät yhden ainoan lähdön, eikä niitä ole tarkoitettu jatkuvaan käyttöön.

Kuva 6: Esimerkki DIP-kiertokytkimestä. (Kuvan lähde: Same Sky)

• Liukukytkimet: Liukukytkimet tunnetaan yleisesti virtakytkiminä, ja niitä käytetään liu’uttamalla aktuaattoria. Ne ovat rakenteeltaan tyypillisesti SPST-kytkimiä ja soveltuvat toistuvaan käyttöön. Vaikka jotkin niistä tarjoavat useita napoja tai kytkentäpisteitä, tämä voi tehdä tarkasta asemoinnista haastavaa. Vaikka niiden kapasiteetti on korkeampi kuin DIP-kytkimillä, ne ovat silti pienitehoisia. Ne asennetaan yleensä pinta- tai läpiasennuksena piirilevyille. Toisinaan niitä käytetään kulutuselektroniikassa helppokäyttöisempinä DIP-kytkiminä, vaikka voi olla haasteellista tasapainottaa helppokäyttöisyys ja tahattoman aktivoinnin välttäminen.

Kuva 7: Esimerkki liukukytkimestä. (Kuvan lähde: Same Sky)

• Taktiilikytkimet: Taktiilikytkimet ovat pieniä palautuvia painikkeita, joita painettaessa tuntuu klikkaus. Ne on tarkoitettu signaaleille, joiden jännite on alhainen ja virta on alhainen. Ne kompensoivat vaatimattomat elektroniset ominaisuutensa kestävyydellä ja pitkällä käyttöiällä – sadoilla tuhansilla tai jopa kymmenillä miljoonilla kytkentäkerroilla. Vaikka ne ovat tyypillisesti yksinapaisia, ne voivat tarjota myös useita kytkentäpisteitä ja korkean IP-luokituksen. Niiden laaja käyttö kulutuselektroniikassa, kuten peliohjaimissa, kauko-ohjaimissa, autotallin ovissa ja erilaisissa teollisuussovelluksissa, korostaa niiden suosiota niiden pienen koon ja kestävyyden ansiosta.

Kuva 8: Esimerkki taktiilikytkimestä. (Kuvan lähde: Same Sky)

• Keinuvipukytkimet: Keinuvipukytkimet kääntyvät keskipisteensä suhteen ja vaihtavat tilaa kahden vaihtoehdon välillä. Yleensä ne jäävät jompaan kumpaan tilaan. Niitä käytetään yleisesti korkeajännitepiirien virtakytkiminä, ja jotkin niistä sisältävät kytkimen tilan ilmaisevan ledin tai hehkulampun. Niillä voi olla IP-luokitus vaativia ympäristöjä varten. Niiden selkeä liitäntä ja käyttö tekevät niistä suosittuja kulutuselektroniikassa, vaikka ne ovatkin hieman kalliimpia kokonsa ja ominaisuuksiensa vuoksi. Teollisuusympäristössä ne täydentävät vipukytkimiä ja ne on voitu suojata tahattoman kytkennän estämiseksi.

Kuva 9: Esimerkki keinuvipukytkimestä. (Kuvan lähde: Same Sky)

• Painonappikytkimet: Painonappikytkimet, joita kutsutaan usein painikkeiksi, ovat yksinkertaisia päälle- ja pois päältä -kytkimiä. Ne voivat olla palautuvia, niitä on saatavana eri muotoisina ja niihin on usein integroitu ledivalo valaisua tai kytkimen tilan ilmaisua varten. Nämä kytkimet soveltuvat erisuuruisille jännitteille ja virroille, ja ne asennetaan yleensä piirilevyille tai paneeleihin. Ne ovat käyttäjäystävällisyytensä ansiosta sopivia julkisiin tiloihin, joissa on jatkuvasti käyttäjiä. Painonapit voidaan rakentaa lujatekoisiksi ja niitä on saatavana myös ilkivaltaa kestävinä sarjoina ja korkeilla IP-luokituksilla. Ne soveltuvat erinomaisesti vaativiin ympäristöihin, kuten hisseihin tai metroihin. Niiden koko, ledivaihtoehdot ja materiaalit voivat kuitenkin johtaa korkeampiin kustannuksiin yksinkertaisempiin, pienempiin painonappikytkinmalleihin verrattuna.

Kuva 10: Esimerkki painonappikytkimestä. (Kuvan lähde: Same Sky)

• Vipukytkimet: Vipukytkimet tunnistetaan pidennetystä vivusta, joten niitä voi käyttää käsineet kädessä sekä tilanteissa, joissa hienomotorinen hallinta on rajoitettua. Hyvin näkyvä vipu tarjoaa selkeän visuaalisen palautteen, jolloin ylimääräisiä ledivaloja ei tarvita. Vivun laajat liikkeet takaavat, että kytkinasennon vaihtaminen on yksiselitteistä. Näitä kytkimiä on saatavana erilaisilla napa- ja kytkentäpistemäärillä, vaikka ne onkin harvemmin konfiguroitu palautuviksi kytkimiksi. Vipukytkimiä arvostetaan niiden helppokäyttöisyyden, nopean palautteen ja turvallisuusintegraation takia, minkä vuoksi ne soveltuvat hyvin teollisiin tai tieteellisiin sovelluksiin. Koska niitä käytetään tehtäväkriittisissä sovelluksissa lentokoneissa, valvontalaitteissa ja lääketieteellisissä laitteissa, ne ovat yleensä kalliimpia.

Kuva 11: Esimerkki vipukytkimestä. (Kuvan lähde: Same Sky)

Yhteenveto

Kytkimet ovat peruskomponentteja, joilla on keskeinen rooli elektroniikka- ja sähköjärjestelmissä. Tämä artikkeli luo katsauksen kytkimien tärkeimpiin näkökohtiin, kuten erilaisiin kytkintyyppeihin sekä niiden toimintaan, sovelluksiin ja ominaisuuksiin. Sopivan kytkimen valinta voi vaikuttaa suuresti järjestelmän toimivuuteen ja luotettavuuteen riippumatta siitä, suunnitellaanko kulutuselektroniikkalaitetta vai työskennelläänkö monimutkaisen teollisuusprojektin parissa. Same Sky tarjoaa valikoiman käyttövalmiita kytkinratkaisuja erilaisiin kytkentätarpeisiin.