电子设备中开关应用实战经验谈

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开关是电子设备不可或缺的一部分。几乎每个电子设备中都有一个开关，有时甚至有好几个。这是因为设备在使用时往往存在多种工作模式。最明显的模式普是接通或断开，但往往有一些设置可以调整。汽车车窗由可以升降车窗的瞬动开关控制。游戏机使用开关来控制游戏。在电子行业，开关的应用数不胜数。当前市场中存在多种不同类型的开关，选择开关时通常需要考虑多个注意事项。需要提出的一些问题包括：需要多少刀和多少掷；开关需要保持功能还是瞬时功能；有哪些电气考虑因素，例如最大额定电流和额定电压等？希望本文能够对您了解开关世界有所启发。

在介绍每种开关类型之前，我们最好先来了解一下每种开关中存在的不同电路。有两个术语可用于描述开关中的电路。它们就是“刀”和“掷”。“刀”指的是开关中存在的电路数量。单刀开关一次只有一个活动电路。术语“掷”指的是刀可以连接到的位数。图 1 展示了单刀单掷开关 (SPST) 的电路图。

图 1：SPST 电路图。

SPST 开关只有一个刀；使用此配置只有一个可能的电路。要么是开路，要么是闭路。单刀开关可能为常开型或常闭型。闭合时，电流可以流过开关；打开时，电流无法流过开关。现在想像一下，在给定的时间，电流只有一条流动通路，但有两个目标选择。这就是单刀双掷 (SPDT) 开关。图 2 展示了这一情景。

图 2：SPDT 电路图。

使用这类逻辑可以轻松理解开关的概念。另一个与 SPDT 相似的实例是双刀双掷 (DPDT) 开关。它看起来与图 2 相似，但有两个刀而不是一个刀。图 3 展示了 DPDT 的电路。

图 3：DPDT 电路图。

关于开关需要记住的一点是，几种不同的电路可以实现相似的结果。不带瞬时功能的简单开关便是一个例子。此开关可使用 SPST 或 SPDT 来实现。以 CW Industries 的 GRS-2011-2019 为例。此器件的底部有两个端子，等同于 SPST 开关。当开关处在一个位置时，两个端子相互连接，电流可以流过。当开关处在另一个位置时，开关未连接，电流无法流过。如果使用 SPDT（例如 GRS-2013A-2000）而不是 SPST，也能实现相同的效果。它所涉及的不过是使用两个端子，并将其中一个保持开路状态。这在需要常开型或常闭型 SPST 开关时非常方便。一个 SPDT 就可同时满足这两种需求。回头再看一下 SPDT，了解该开关的功能也很重要。SPDT 的致动器可以有两个或三个位置。为说明这一点，考虑一个 ON-OFF-ON 类型的开关。这在电机应用中很常见，其中的电机可以在一个方向转动，停止，然后在另一个方向转动。SPDT 可以做到这一点，但并非所有 SPDT 开关都能如此。GRS-2013A-2000 是一种 ON-OFF-ON 开关，因此它能实现该操作。C&K 的 D508J12S205QA 则做不到这一点；它是一个 ON-MOM 开关。

这表示，开关通常处于 ON 位置，并且可以瞬时关断。其可能的应用之一是杂货店内的结账队列传送带。只需将电线向后勾起，传送带上的电机在致动器被按下之前将不会运转。致动器被按下时，开关内部将会出现瞬时接触，电流可以流过。松开致动器后，开关将返回到常闭位置，电流随即停止流动。

选择开关时需要记住的另一个要点是电气特性。如果电路需要 50 安，则不能使用额定电流为 10 安的开关。任何时候都要特别注意开关的额定电压和额定电流。甚至交流电压和电流与直流电压和电流之间也存在区别。制造商通常会同时提供两种额定值，但也不尽然。在评估开关的额定电压时，请注意制造商标注的电压类型。如果额定值为 125 VAC，则标注的是交流电压。如果额定值为 125 V，则标注的是直流电压。这一术语将会标注在产品的规格书或图纸上。在 Digi-Key 网站还可以做进一步的区分。E-Switch 的产品 PS1024ARED 具有交流额定值；但 Digi-Key 在线显示的是 125 V。这是因为该额定值列描述的是“额定电压 – AC”。图 4 展示了 Digi-Key 网站上的这一内容，图 5 则展示了 PS1024ARED 的额定值。

图 4：PS1024ARED 的产品属性。

图 5：PS1024A 的电气规格图。

有一点在 Digi-Key 网站上不太明显，但在图纸注释中很容易看出，即此开关有多个不同的额定值。第一个额定值是 3 A @ 125 VAC，第二个额定值是 1.5 A @ 250 VAC。同一开关为什么会有两个额定值呢？这是因为功率同时取决于电压和电流。这两个额定值的额定功率相同。如果将以下数字代入功率计算等式，将会得出相同的数字。

开关通常只有一个交流额定值，而没有直流额定值。确定交流开关的直流额定值可以使用一条经验法则。即，保留开关的最大额定电流（不论其为多少）不变，并将直流电压设为 30 伏。PS1024A 有两个额定值，3 A @ 125 VAC 和 1.5 A @ 250 VAC。依据此法则，开关可在不超过 30 VDC 的电压下承载 3 A 的额定电流。这是取自 Carling Technologies 的一条通用规则，被称为“直流经验法则”。开关往往还有一个额定马力。这是因为电感负载可能具有极高的涌流。额定马力适用于在交流电机中使用的开关。这并不表示这些开关不能在其他设备中使用，只不过这是在开关上标注该额定值的原因。

按钮开关

按钮开关是开关类型之一。这类开关有一个致动器。在不太正式的措辞中，致动器也被称为按钮。这类开关通常采用面板安装或贴装在电路板上。图 6 展示了 NKK Switches 的 KB16CKW01-5F-JF。

图 6：KB16CKW01-5F-JF。

关于 KB16CKW01-5F-JF，很有意思的一点是，它有多少个端子。这是一个 SPDT 开关，通常只有 3 个端子，但该器件有 5 个端子。因为它是发光开关。许多开关是发光开关，并具有标称的发光电压。此开关具有 2.1 VDC 发光电压。说明文档中注明，2 号端子为公共端子，LED 将由端子 L (+) 和 L (-) 供电（如图 7 所示）。

图 7：KB16CKW01-5F-JF 的说明文档。

在每个开关的产品页底部通常还会提供其配件列表。在 Digi-Key 网站上，KB16CKW01-5F-JF 的产品页底部显示了该开关附带的四个配件。

保护罩	AT494	第D34 页
取盖工具	AT109	第D34 页
LED	AT635F	第D28 页
套管安装套筒扳手	AT108	第D34 页

在 Digi-Key 网站的 KB16CKW01-5F-JF 页面底部，或通过该系列规格书上的说明文档，可以找到这些配件。制造商通常会开发完整系列的开关。这是一组归到一起的专有产品。KB16CKW01-5F-JF 专门设计成采用说明文档中标注的特定配件。保护罩配件位于系列规格书的第 D34 页。图 8 展示了该保护罩及其可订购零件编号 AT494。

         图 8：KB16CKW01-5F-JF 的说明文档。


通常开关制造商会将整个系列集中在一份规格书中，因为一个零件与另一个零件之间的一些更改可能非常琐碎。不同的零件编号之间往往只有颜色的变化。LED 配件 AT635F 便是一个很好的例子。在说明文档中，仅列出编号 AT635 一个选项。之前提到的产品包含后缀“F”。图 9 显示的订购方案将“F”后缀标注为绿色 LED。订购方案的左侧是基本 LED 编号 AT635。中间列提供了红色、琥珀色和绿色选项。标记“绿色”的方框下面显示“5F”。这表示，编号 AT635F 对应的 LED 将为绿色。


         图 9：KB16CKW01-5F-JF 的说明文档。

         触摸开关

触摸开关与按钮开关非常相似，但它们通常尺寸小得多。想象一个带有重置开关的个人家用路由器。此开关通常位于塑料中的凹陷位置，以免被意外按下。按下这类开关往往需要使用回形针或牙签。这类开关往往是触摸开关或瞬动开关，而且通常不会用作“通-断”型开关。它们通常用于实现重置、计数、停止或任何该性质的功能。它们的额定电压和额定电流往往很低。APEM Inc. 的 MJTP1230 便是一个触摸开关实例。此开关为 SPST-NO 开关，即单刀单掷常开型电路。这表示，在按下致动器之前，电流无法流过此开关。松开致动器后，开关将会自动恢复开路状态，电流便无法流过。图 10 展示的是 MJTP1230。

         图 10：MJTP1230。

         此开关有四个脚。触摸开关往往就是这种情况。这不是因为其中有两个可以连接的不同电路，而是因为增加两个额外的脚可以增加开关在焊接到电路板时获得的物理支撑。一侧的两个脚不论开关位置如何，都会永久相连。开关的另一侧将遵循相同的规则，两个脚始终相连。按下致动器后，开关的两半之间连通。就电路而言，此开关将遵循图 1 所示的电路图。

         DIP 开关

   DIP 开关就是采用“双列直插式封装”的开关。这些开关设计为可以装入试验板，并且是小型 SPST 开关的聚合体。此类开关的应用示例之一是舞台照明中的 DMX 控制。每个灯具都会分配一个地址。在现代的 DMX 控制灯中，通过微控制器，只需上下调整显示屏上的数字，便可对此进行编程。在旧式 DMX 控制灯中，会有一个 DIP 开关，通过更改此开关可以为该灯具提供正确的二进制地址。这类开关通常采用表面贴装或通孔安装，但也有面板安装选项。图 11 展示了 CTS Electrocomponents 的一款 DIP 开关 208-4。

         图 11：208-4。

         摇臂开关

摇臂开关在市场中也很受欢迎。这类开关具有可从每个位置往返摇动的凹形致动器。许多消费电子设备的 ON/OFF 开关采用的便是摇臂开关。它们通常采用面板安装，也可以直接安装到电路板上。图 12 展示了 ZF Electronics 的 CRE22F2BBRLE。

         图 12：CRE22F2BBRLE。
         此开关为 SPST 开关，因此它只能开启或关闭。由于它是发光开关，因此有一个中间端子。带发光功能的 SPST 开关通常有三个端子。外部端子负责让电流从源端流到地端。中间的端子用于指示灯。开关处于开路状态时，电流无法流过指示灯。开关闭合后，电流将从源端流经指示灯，然后流到地端。

         摇臂开关需要注意的另一个要点是，端子的实际物理尺寸。这类开关通常采用面板安装，因此它们往往使用分立电线和快连式端子进行端接。CRE22F2BBRLE 具有 0.25 英寸宽的端子。在 Digi-Key 网站上，这一点标注在产品属性“端接类型”下面。常见的端子尺寸包括 0.110 英寸、0.187 英寸和 0.250 英寸。在 Digi-Key 网站的“端子 - 快速连接，快速断开连接器”页面中可以找到这类快速连接器件。

         快动限位开关

在制造业，可能需要使用开关来对物件计数。想象在一条生产线上，需要对经过某一点的产品数量进行计数。该产品可能具有一定的重量，可以致动开关。此应用可能要求开关仅稍稍移动，从而完成对物件的计数。Omron 的 D2VW-5L2-1HS 便是可用于实现此类功能的快动限位开关的实例。图 14 展示了 D2V2-5L2-1HS 如何使用一个加长臂执行这一过程。

         图 13：D2VW-5L2-1HS。

         有些快动限位开关采用类似 ON/OFF 开关的保持电路；但大部分则为瞬时保持。最常见的莫过于 SPST-NO 或 SPST-NC 快动限位开关。稍早提过的一个实用技巧是，使用 SPDT 电路取代常开型或常闭型 SPST。它的实用性体现在，不论应用需要常开型还是常闭型开关，它都能胜任。

         快动限位开关最常见的配件是致动器臂。致动器臂上通常会有滚子，有时直接用一根扁条，并且存在多种不同的配置类型。图 15 展示了适用于 D2VW 系列的几种致动器样式。


         图 14：致动器样式。

         拨动开关

拨动开关是另一种常见的开关样式。这类开关通常采用与摇臂开关相似的面板安装形式。它们可以用于实现瞬时功能，但通常用于保持功能。用于面板安装用途时，它们的致动器通常看起来像一根棒球棒或一个螺纹衬套。图 16 展示了 E-Switch 的 200MSP3T1B1M2QEH。

         图 15：200MSP3T1B1M2QEH。

         拨动开关的常见配件包括用于安装的锁紧垫圈和六角螺母。通常可以在 Digi-Key 网站产品页面底部的“相关产品”区域找到这些配件。如图 17 所示，200MSP3T1B1M2QEH 的产品页面中列出了这两种配件。


         图 16：相关的锁紧垫圈和六角螺母。

         拨动开关的其他常见配件包括安全罩和护套。图 18 和 19 分别展示了这两种配件。图中安全罩是用于 CW Industries GTS447A101HR 的配件，护套则是用于 NKK Switches M2012SS1W01 的配件。

         图 17：用于 GTS447A101HR 的安全罩。

         图 18：用于 M2012SS1W01 的护套。

         旋转开关

许多情况下需要能够在多种工作模式间做出选择的开关。这类应用有时需要旋转开关。这些开关具有一到多个刀，但通常有很多掷。Electroswitch 的 C7D0124N-C 便是一个旋转开关实例。这是一个 SP24T 开关。这意味着电流有 24 种不同的流动通路选择，但一次只能流经一个通路。旋转开关的通用配件包括旋钮、刻度盘、锁紧垫圈和六角螺母。与前述产品一样，通常可以在 Digi-Key 网站的“相关产品”选项卡中找到这些配件。图 20 展示了 C7D0124N-C。

         图 19：C7D0124N-C。
         旋转开关还有另一种区分方法，即是“先合后开”还是“先开后合”。另一种可用于描述这一特征的术语是“短接”或“非短接”。术语“短接”指的是“先合后开”。这表示当开关从一个位置移到另一个位置时，一直没有断开电路。开关会短时保持两个活动电路，直至其完全移到所需的位置。CTS Electrocomponents 的 212T0111S332RA 便是一个“先合后开”旋转开关实例。相反的是“非短接”或“先开后合”。这表示，第一个电路在开关到达新电路的位置之前将保持完全断开的状态。E-Switch 的 KC52A30.001NPS 便是一个“先开后合”旋转开关的实例。

         钥匙锁开关

钥匙锁开关是一种很常见的开关形式。汽车点火器便是一个 OFF-ON-MOMENTARY（关-开-瞬时）开关实例。将钥匙插入汽车点火器后，开关处于 ON 位置，但在汽车起动之前，开关在 ON 位置不会执行任何操作。MOMENTARY 位置用于起动汽车，然后钥匙将会返回到 ON 位置。要关闭汽车电路，必须将钥匙转到 OFF 位置。图 21 中 Honeywell Sensing and Productivity Solutions 的 84829-07 便是一个钥匙锁开关实例。

         图 20：84829-07。

         总结
当前的市面上有很多种不同的开关。它们的最终目的只有一个，即连接电路。其中分为保持功能和瞬时功能。具有保持功能的开关会在被手动移动之前会保持在自己的位置。相反，即具有瞬时功能的开关会在启动后自动恢复到自己的默认状态。具体应用会缩小所需开关类型的范围。开关电路以及允许的最大电流和电压等物理参数，将成为选择开关时最重要的决定因素。开关样式可以互换；电路使用拨动开关与使用摇臂开关完全可以获得相同的结果。开关样式很大程度上取决于工程师的个人偏好，以及放置开关的环境。