Handleiding schakelaar

Schakelaars zijn een integraal onderdeel van de elektronica. Bijna elk elektronisch apparaat heeft een schakelaar, zo niet meerdere schakelaars. Dit komt omdat er bij het gebruik van apparaten doorgaans verschillende werkingswijzen zijn. Voor de hand liggende standen zijn aan of uit, maar vaak zijn er instellingen die kunnen worden aangepast. Autoramen worden bediend met momentschakelaars die de ramen omhoog en omlaag kunnen doen. Spelstations gebruiken schakelaars om het spel te besturen. De lijst van schakeltoepassingen in de elektronica-industrie is eindeloos. Er zijn tegenwoordig verschillende soorten schakelaars op de markt en er worden verschillende overwegingen gemaakt bij het kiezen van een schakelaar. Enkele van de vragen die moeten worden gesteld, zijn hoeveel polen en slagen er nodig zijn, moet de schakelaar permanent of tijdelijk zijn, en wat zijn de elektrische overwegingen, zoals maximale stroom- en spanningswaarden? Hopelijk kan dit artikel enig licht werpen op de wereld van de schakelaars.

Alvorens in te gaan op elk type schakelaar zou het goed zijn om de verschillende schakelingen die in elke schakelaar voorkomen door te nemen. Er zijn twee termen die worden gebruikt om de schakeling in een schakelaar te beschrijven. Dit zijn "pole" en "throw". Een "pole" verwijst naar het aantal schakelingen in een schakelaar. Een enkelpolige schakelaar heeft slechts één actief circuit tegelijk. De term "worp" verwijst naar het aantal posities waarop de pool kan worden aangesloten. Afbeelding één toont een schakelschema van een single pole single throw switch (SPST).

Afbeelding 1: SPST-schakelschema.

Een SPST-schakelaar heeft één pool; er is slechts één mogelijk circuit met deze configuratie. Het is of open, of gesloten. Een enkelpolige schakelaar kan normaal open of normaal gesloten zijn. In gesloten toestand kan er stroom door de schakelaar lopen; in geopende toestand niet. Stel nu dat er slechts één pad is waarlangs de stroom op een bepaald moment kan lopen, maar dat er twee mogelijkheden zijn voor de plaats waar de stroom kan lopen. Dit is een single throw double pole (SPDT). Afbeelding 2 illustreert dit punt.

Afbeelding 2: SPDT-schakelschema.

Met dit soort logica is het eenvoudig om wissels te begrijpen. Een ander voorbeeld dat lijkt op een SPDT is een double pole double throw (DPDT). Het ziet er net zo uit als in Afbeelding 2, maar met twee polen in plaats van één. Afbeelding 3 illustreert de schakeling voor een DPDT.

Afbeelding 3: DPDT-schakelschema.

Eén ding dat u in gedachten moet houden bij schakelaars is dat verschillende schakelingen kunnen werken om een soortgelijk doel te bereiken. Een voorbeeld is een eenvoudige aan/uit-schakelaar zonder tijdelijke functie. Dit kan met een SPST of een SPDT. Neem bijvoorbeeld de GRS-2011-2019 van CW Industries. Dit apparaat heeft twee klemmen aan de onderkant, wat synoniem is met een SPST-schakelaar. Als de schakelaar in één stand staat, zijn deze verbonden en kan er stroom lopen. Als de schakelaar in de andere stand staat, is hij niet aangesloten en kan er geen stroom lopen. Als men een SPDT zoals de GRS-2013A-2000 zou nemen in plaats van een SPST zou men hetzelfde kunnen bereiken. Het zou gewoon betekenen dat slechts twee van de terminals worden gebruikt en één open blijft. Dit is handig voor situaties waarin een normaal open of normaal gesloten SPST-schakelaar nodig is. Een SPDT kan een van beide zijn. Terugkijkend naar een SPDT is het ook belangrijk om de functie van de schakelaar te begrijpen. Een SPDT kan twee posities voor de actuator hebben of drie. Om dit uit te leggen, denk aan een schakelaar die ON-OFF-ON is. Dit is gebruikelijk voor motortoepassingen waarbij de motor de ene kant op kan draaien, dan kan stoppen en dan de andere kant op kan draaien. Een SPDT kan dit, maar niet alle SPDT-schakelaars kunnen dit. De GRS-2013A-2000 is een ON-OFF-ON-schakelaar, dus het is mogelijk dat die schakelaar die actie uitvoert. De D508J12S205QA van C&K zou dit niet kunnen; het is een ON-MOM-schakelaar. Dat betekent dat de schakelaar meestal in de stand ON staat en tijdelijk kan worden uitgeschakeld. Een toepassing waarin dit zou kunnen worden gebruikt zijn de transportbanden aan de kassa in de supermarkt. Door de draden gewoon achterstevoren aan te sluiten, draait de motor niet op de transportband totdat de actuator wordt ingedrukt. Wanneer de actuator wordt ingedrukt, is er kortstondig contact in de schakelaar en kan er stroom lopen. Zodra de actuator wordt losgelaten, gaat de schakelaar terug naar de normale uit-stand en stopt de stroom.

Ook de elektrische eigenschappen zijn belangrijk om in gedachten te houden bij het kiezen van een schakelaar. Als een circuit 50 ampère vraagt, zal een schakelaar die 10 ampère vraagt niet werken. Het is altijd belangrijk te kijken naar de spannings- en stroomwaarden op een schakelaar. Er is zelfs een onderscheid tussen wisselspanningen en -stromen en gelijkspanning. Vaak geven fabrikanten beoordelingen voor beide, maar niet altijd. Kijk bij de beoordeling van de spanning van een schakelaar naar wat de fabrikant noemt voor het soort spanning. Als een classificatie 125 V_AC aangeeft, dan roept het een wisselspanning op. Als de waarde 125 V aangeeft, is dat een gelijkspanning. Deze terminologie wordt vermeld op het gegevensblad of de tekening van het product. Op de website van DigiKey kan een verder onderscheid worden gemaakt. Het product PS1024ARED van E-Switch heeft een AC-classificatie; DigiKey zegt echter 125 V online. Dat komt omdat de kolom waarin dat cijfer staat voor "Spanningsclassificatie - AC" staat. Afbeelding 4 toont dit van de DigiKey website en Afbeelding 5 toont de classificatie op de PS1024ARED.

Afbeelding 4: Productkenmerken voor PS1024ARED.

Afbeelding 5: Tekening voor de elektrische specificaties van PS1024A.

Iets dat niet duidelijk is op de DigiKey website, maar wel op de tekening, is dat er een paar verschillende classificaties zijn voor deze schakelaar. De eerste waarde is 3 A bij 125 V_AC en de tweede waarde is 1,5 A bij 250 V_AC. Hoe is het mogelijk dat er twee classificaties zijn voor dezelfde schakelaar? Dat komt omdat vermogen een functie is van spanning en stroom. Beide hebben hetzelfde vermogen. Als men de volgende getallen zou invoeren voor het vermogen, zou men dezelfde getallen krijgen.

Vaak heeft een schakelaar alleen een AC-classificatie en geen DC-classificatie. Er is een vuistregel die kan worden gebruikt om de DC-waarde van een AC-schakelaar te bepalen. Wat ook de hoogste stroomsterkte van de schakelaar is, de stroom blijft gelijk en de gelijkspanning wordt ingesteld op 30 volt. De PS1024A heeft twee nominale waarden, 3 A bij 125 V_AC en 1,5 A bij 250 V_AC. Deze regel betekent dat de schakelaar de 3 A rating kan nemen en die kan gebruiken voor maximaal 30 V_DC. Dit is een algemene regel van Carling Technologies, de "DC vuistregel". Vaak hebben schakelaars ook een vermogen. Dit komt omdat inductieve belastingen extreem hoge inschakelstromen kunnen hebben. De HP-classificatie wordt ontworpen voor schakelaars die met wisselstroommotoren worden gebruikt. Dit betekent niet dat een van deze schakelaars niet op andere apparaten kan worden gebruikt, maar dit is de reden waarom die classificatie op de schakelaar is aangebracht.

Drukknopschakelaar

Eén type schakelaar is de drukknopschakelaar. Deze schakelaars hebben een actuator. De actuator kan ook worden aangeduid als een knop in een minder formele taal. Deze worden vaak gemonteerd op een paneel of op een bord. Afbeelding 6 illustreert de KB16CKW01-5F-JF van NKK Switches.

Afbeelding 6: KB16CKW01-5F-JF.

Een interessant punt bij de KB16CKW01-5F-JF is hoeveel aansluitingen hij heeft. Dit is een SPDT die slechts 3 aansluitingen zou moeten hebben, maar dit apparaat heeft 5 klemmen. Dat komt omdat dit apparaat verlicht is. Veel schakelaars zijn verlicht en hebben een nominale verlichtingsspanning. Deze schakelaar heeft een verlichtingsspanning van 2,1 V_DC. Volgens de documentatie is klem nummer 2 de gemeenschappelijke klem en wordt de LED gevoed via klem L (+) en L (-), zoals aangegeven in Afbeelding 7.

Afbeelding 7: Documentatie voor KB16CKW01-5F-JF.

Vaak staan accessoires onder aan de productpagina vermeld. Kijkend naar de onderkant van de productpagina voor de KB16CKW01-5F-JF op de DigiKey website is het mogelijk om vier accessoires te zien die bij de schakelaar horen.

Deze accessoires zijn te vinden onderaan de KB16CKW01-5F-JF pagina op de DigiKey website, of via de documentatie op het datasheet van de serie. Vaak maken fabrikanten een hele reeks schakelaars. Dit is een groep eigen producten die samengaan. De KB16CKW01-5F-JF is speciaal ontworpen voor bepaalde accessoires die in de documentatie worden genoemd. Het accessoire voor de beschermkap vindt u op pagina D34 van het gegevensblad van de serie. Afbeelding 8 toont de beschermkap met het bestelbare onderdeelnummer AT494.

Afbeelding 8: Documentatie voor KB16CKW01-5F-JF.

Vaak zetten schakelfabrikanten een hele serie op één datasheet omdat sommige veranderingen van het ene onderdeel naar het andere triviaal kunnen zijn. Vaak zijn de verschillende onderdeelnummers alleen een verandering in kleur. Het LED accessoire AT635F is daar een goed voorbeeld van. In de documentatie wordt alleen het nummer AT635 als optie vermeld. Het eerder genoemde product heeft als achtervoegsel "F". Afbeelding 9 toont het bestelschema waarin het achtervoegsel "F" een groene LED aangeeft. Aan de linkerkant van het bestelschema staat het basis-LED nummer van de AT635. In de middelste kolom zijn er opties voor Rood, Amber en Groen. In het vakje "Groen" staat 5F. Dit betekent dat voor de AT635F de LED groen zal zijn.

Afbeelding 9: Documentatie voor KB16CKW01-5F-JF.

Tactiele schakelaar

Tactiele schakelaars zijn vergelijkbaar met drukknopschakelaars, maar ze zijn doorgaans veel kleiner. Stel je een persoonlijke thuisrouter voor met een reset-schakelaar. De schakelaar is meestal verzonken in het plastic, zodat hij niet per ongeluk kan worden ingedrukt. Meestal is het gebruik van een paperclip of tandenstoker nodig om dat type schakelaar in te drukken. Dit soort schakelaars zijn meestal tactiele schakelaars, momentschakelaars en worden gewoonlijk niet gebruikt als aan- of uitknop. Vaak worden deze gebruikt om iets te resetten, iets te tellen, iets te stoppen, of een functie van die aard. Deze hebben doorgaans een zeer lage spanning en stroomsterkte. De MJTP1230 van APEM Inc. is een voorbeeld van een tactiele schakelaar. Deze schakelaar is een SPST-NO, oftewel enkelpolig enkelvoudig open circuit. Dit betekent dat er geen stroom door deze schakelaar kan lopen totdat de actuator is ingedrukt. Zodra de actuator wordt losgelaten, gaat de schakelaar automatisch weer open en kan er geen stroom meer lopen. Afbeelding 10 is een afbeelding van de MJTP1230.

Afbeelding 10: MJTP1230.

Er zijn vier poten op deze schakelaar. Dit zal vaak het geval zijn voor tactiele schakelaars. Dat is niet omdat er twee verschillende schakelingen kunnen worden aangesloten, maar omdat het toevoegen van twee extra pootjes de schakelaar extra fysieke steun geeft wanneer hij op een printplaat wordt gesoldeerd. De twee benen aan één kant zijn permanent verbonden, ongeacht de stand van de schakelaar. De andere kant van de schakelaar volgt dezelfde regel waarbij de benen altijd verbonden zijn. Als de actuator wordt ingedrukt, is er continuïteit tussen beide helften van de schakelaar. Wat de schakeling betreft, zal deze schakelaar het schakelschema van Afbeelding 1 volgen.

Dipschakelaar

Dipschakelaar zijn schakelaars die in een "Dual Inline Package" zitten. Deze worden zo ontworpen dat ze in een breadboard passen. Deze schakelaars zijn een conglomeraat van kleine SPST-schakelaars. Een voorbeeld van waar deze worden gebruikt is in DMX-besturing voor toneelverlichting. Elk armatuur heeft een adres dat eraan kan worden toegewezen. Bij moderne DMX-gestuurde lampen kan dit worden geprogrammeerd door een microcontroller en door eenvoudigweg een getal op of neer te bewegen op een display. Bij oudere DMX-gestuurde lampen was er een dipschakelaar die kon worden veranderd om het juiste binaire adres voor die armatuur te geven. Dit soort schakelaars wordt vaak aan de oppervlakte of door gaten gemonteerd, maar er zijn ook opties voor paneelmontage. Afbeelding 11 illustreert de 208-4, een dipswitch van CTS Electrocomponents.

Afbeelding 11: 208-4.

Tuimelschakelaar

Tuimelschakelaars zijn ook zeer populair op de markt. Dit type schakelaar heeft een holle actuator die vanuit elke positie heen en weer schommelt. Veel AAN/UIT-schakelaars zijn tuimelschakelaars voor consumentenelektronica. Deze worden gewoonlijk op een paneel gemonteerd, maar kunnen ook rechtstreeks op een bord worden gemonteerd. Afbeelding 12 toont de CRE22F2BBRLE van ZF Electronics.

Afbeelding 12: CRE22F2BBRLE.

Deze schakelaar is een SPST-schakelaar, dus hij gaat alleen aan of uit. Er zit een middelste klem op deze schakelaar, want die is verlicht. SPST-schakelaars met verlichting hebben gewoonlijk drie klemmen. De buitenste klemmen moeten de stroom van de bron naar de aarde leiden. De middelste terminal wordt gebruikt voor het licht. Als de schakelaar open staat, kan er geen stroom door het licht lopen. Wanneer de schakelaar gesloten is, loopt er stroom van de bron, via het licht, naar de aarde.

Een ander punt waarop u moet letten bij een tuimelschakelaar is de fysieke grootte van de aansluiting. Deze zijn vaak op een paneel gemonteerd en worden vaak afgesloten met discrete draden met snelkoppelingen. De CRE22F2BBRLE heeft klemmen van 0,25" breed. Dit staat vermeld op de DigiKey website onder de productattributen voor "Terminationstyle". Gangbare maten voor terminals zijn 0,110", 0,187" en 0,250". Snelkoppelingen hiervoor zijn te vinden op de pagina "Terminals - Snelkoppelingen, snel loskoppelen van connectors" op de DigiKey website.

Eindschakelaar

Vaak is er in de productie een schakelaar nodig om dingen te tellen. Stel je een productielijn voor die moet tellen hoeveel producten er op een bepaald moment doorheen gaan. Het product mag een bepaalde hoeveelheid wegen en een schakelaar kunnen bedienen. Deze toepassing zou kunnen vragen om een schakelaar die slechts een beetje moest bewegen om iets te tellen. De D2VW-5L2-1HS van Omron is een voorbeeld van een snapactionele eindschakelaar waarmee zoiets kan worden bereikt. Afbeelding 14 toont hoe de D2V2-5L2-1HS een verlengde arm heeft die voor een dergelijk proces kan worden gebruikt.

Afbeelding 13: D2VW-5L2-1HS.

Er zijn eindschakelaars met een klikmechanisme die hun schakeling behouden zoals een aan/uit-schakelaar; de meeste zijn kortstondig. Het is heel gebruikelijk om SPST-NO of SPST-NC snap action eindschakelaars aan te treffen. Een leuke truc die iets eerder werd genoemd is het gebruik van een SPDT-schakeling in plaats van de normaal open of normaal gesloten SPST. Dit is een goede truc, want als de toepassing normaal open of normaal gesloten vereist, zal de schakelaar de taak kunnen uitvoeren.

Het meest gebruikelijke accessoire voor een eindschakelaar met klikmechanisme is de bedieningsarm. Vaak zitten er rollen op, soms gewoon een platte staaf, er zijn verschillende soorten configuraties. Afbeelding 15 illustreert enkele van de actuatorstijlen voor de D2VW-serie.

Afbeelding 14: Actuatorstijlen.

Tuimelschakelaar

Tuimelschakelaars zijn een ander populair type schakelaar. Deze worden vaak op een paneel gemonteerd, net als de tuimelschakelaars. Deze kunnen worden gebruikt voor tijdelijke functies, maar worden gewoonlijk gebruikt voor permanente functies. Zij hebben gewoonlijk een actuator die eruit ziet als een kleine honkbalknuppel en een bus met schroefdraad voor paneelmontage. Afbeelding 16 toont de 200MSP3T1B1M2QEH van E-Switch.

Afbeelding 15: 200MSP3T1B1M2QEH.

Gangbare accessoires voor tuimelschakelaars zijn sluitringen en zeskantmoeren voor montage. Deze zijn meestal te vinden onderaan de productpagina op de DigiKey website in het gedeelte "Geassocieerd product". De 200MSP3T1B1M2QEH heeft beide vermeldingen op zijn productpagina zoals getoond in Afbeelding 17.

Afbeelding 16: bijbehorende borgring en zeskantmoer.

Andere gebruikelijke accessoires voor tactiele schakelaars zijn veiligheidskappen en laarzen. De figuren 18 en 19 illustreren deze accessoires. De veiligheidsafdekking is een accessoire voor de GTS447A101HR van CW Industries en de laars is een accessoire voor de M2012SS1W01 van NKK Switches.

Afbeelding 17: Veiligheidsafdekking voor GTS447A101HR.

Afbeelding 18: Boot voor M2012SS1W01.

Draaischakelaar

Vaak is er behoefte aan een schakelaar die kan kiezen tussen verschillende bedrijfsmodi. Deze toepassingen vragen soms om een draaischakelaar. Deze hebben één tot enkele palen, maar kunnen vaak heel wat worpen hebben. De C7D0124N-C van Electroswitch is een voorbeeld van een draaischakelaar. Dit is een SP24T-schakelaar. Dit betekent dat er 24 verschillende mogelijkheden zijn om stroom door te laten, maar dat er slechts één tegelijk doorstroomt. Gangbare accessoires voor draaischakelaars zijn knoppen, wijzerplaten, borgringen en zeskantmoeren. Net als de vorige producten zijn deze accessoires meestal te vinden in het tabblad "Geassocieerd product" op de DigiKey website. Afbeelding 20 illustreert de C7D0124N-C.

Afbeelding 19: C7D0124N-C.

Een ander onderscheid dat voor een draaischakelaar kan worden gemaakt is of hij "Make-Before-Break" of "Break-Before-Make" is. Een andere vorm van spreektaal die hiervoor kan worden gebruikt is "Shorting" of "Non-Shorting". De term "Shorting" verwijst naar "Make-Before-Break". Dit betekent dat wanneer de schakelaar van de ene positie naar de andere gaat, er nooit een open circuit is. Op de schakelaar staan tijdelijk twee actieve circuits totdat hij volledig in de gewenste stand staat. De 212T0111S332RA van CTS Electrocomponents is een voorbeeld van een "Make-Before-Break" draaischakelaar. Het tegenovergestelde hiervan is "Non-Shorting" of "Break-Before-Make". Dit betekent dat het eerste circuit volledig wordt verbroken voordat de schakelaar in positie is voor zijn nieuwe circuit. De KC52A30.001NPS van E-Switch is een voorbeeld van een "Break-Before-Make" draaischakelaar.

Sleutelschakelaar

Sleutelschakelaars zijn een zeer gebruikelijke vorm van schakelaars. Het contact van een auto is een voorbeeld van een UIT-STAND-schakelaar. Wanneer de sleutel in het contact van een auto wordt gestoken, staat de schakelaar in de aan-stand, maar in de aan-stand doet hij niets totdat het voertuig wordt gestart. In de MOMENTAAR-stand wordt het voertuig gestart, waarna de sleutel weer in de AAN-stand wordt gezet. Om het voertuig uit te schakelen, moet de sleutel in de stand OFF worden gedraaid. Een voorbeeld van een sleutelschakelaar is de 84829-07 van Honeywell Sensing and Productivity Solutions, afgebeeld in Afbeelding 21.

Afbeelding 20: 84829-07.

Conclusie

Er zijn tegenwoordig veel verschillende soorten schakelaars op de markt. Ze werken allemaal aan hetzelfde doel, het verbinden van circuits. Er zijn gehandhaafde en tijdelijke schakelaarfuncties. Een schakelaar met een gehandhaafde functie houdt zijn positie vast totdat hij handmatig wordt bewogen. Omgekeerd zal een schakelaar met een kortstondige functie automatisch naar zijn stand terugkeren. De aanvraag zal het vereiste type schakelaar beperken. De schakeling van de schakelaar zal, samen met fysieke parameters zoals de maximaal toegestane stroom en spanning, enkele van de meest bepalende factoren zijn bij de keuze van een schakelaar. Het type schakelaar is verwisselbaar; een elektronische schakeling werkt even goed met een tuimelschakelaar als met een wipschakelaar. De stijl van de schakelaar wordt grotendeels bepaald door de persoonlijke voorkeur van de ingenieur en de omgeving waarin de schakelaar zal worden geplaatst.