[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Podzespoły
Zwykłe i niezwykłe
elementy stykowe
Czym różnią się między sobą pary
przełączników, pokazane na fotografii
wstępnej?
Niektóre przełączniki w poszcze−
gólnych parach wyglądają tak samo,
inne różnią się rodzajem dźwigni i wy−
prowadzeń. Być może pierwszy raz
w życiu widzisz niektóre spośród ty−
pów przełączników pokazanych na fo−
tografii i chętnie zastosujesz je w kon−
struowanym właśnie urządzeniu.
Czy jest obojętne, które zastosu−
jesz? Czy jedynym kryterium będzie
sposób mocowania i wygląd dźwigni?
Jeśli masz jakieś wątpliwości, odwróć kartkę
i zajrzyj na następną stronę. Zobaczysz te sa−
me przełączniki, pokazane z innej strony.
Zwróć uwagę na napisy na przełącznikach –
staranie je przeanalizuj.
Okazuje się, że nieróżniące się na pozór
elementy mają inne parametry graniczne
i przeznaczone są do zupełnie innych zastoso−
wań. Przede wszystkim połowa przełączni−
ków ma napis 0,4VA. Oznaczenie 0,4VA
wskazuje jednoznacznie, że obciążalność sty−
ków jest bardzo mała. Iloczyn prądu i napięcia
pracy nie powinien więc przekraczać 0,4VA,
czyli na przykład 20V, 20mA albo 5V, 80mA.
Na pozostałych przełącznikach są napisy
określające maksymalny prąd i napięcie pra−
cy, na przykład 2A 250VAC, 5A 120VAC –
to są elementy przeznaczone do pracy przy
większych mocach.
Nie są to wcale wszystkie istotne różnice.
W swej praktyce spotkasz wiele innych ty−
pów przełączników, przycisków i innych ele−
mentów zawierających styki. Czy na przykład
nie zdziwi Cię zapis w katalogu wskazujący,
że
minimalne
obciążenie styku wynosi, po−
wiedzmy 0,5mA, 1V? A co wiesz o zależno−
ści trwałości styków od rodzaju obciążenia?
Przyjrzyjmy się bliżej niektórym zaga−
dnieniom związanym z przełącznikami.
ków jest przekonana, że
najlepsze są styki
złote lub złocone, bo przecież złoto nie rdze−
wieje, ma najlepszą przewodność elektrycz−
ną, a fakt, że stosuje się inne materiały sty−
ków, wynika tylko z oszczędności
.
Pogląd taki jest z gruntu fałszywy. Naj−
mniej ważny jest tu fakt, że złoto ma prze−
wodność nieco gorszą niż miedź czy srebro,
nieco lepszą niż aluminium. Marginalne zna−
czenie ma też cena złota, która w sumie wca−
le nie jest taka wysoka, a przecież styki nie
muszą być zbudowane z bryłek cennego kru−
szcu – wystarczy styk pozłacany, czyli cien−
ka warstewka szlachetnego metalu.
Prawdą jest jedynie to, że złoto się nie
utlenia i powierzchnia pozostaje czysta na−
wet w obecności różnych gazów i par.
Dlaczego więc złoto nie jest powszechnie
stosowane?
Złocone styki są stosowane bardzo często.
Trzeba jednak wiedzieć, że oprócz zalet ma−
ją też istotne wady.
Łuk elektryczny
Początkujący adepci elektroniki wyobrażają
sobie, że najwyższe dopuszczalne napięcie
na stykach zależy od przerwy między nimi.
Duże napięcie spowoduje, ich zdaniem,
Skróty dotyczące elementów stykowych
NO
– Normally Open − styki normalnie otwarte
NC
– Normally Closed − styk normalnie zwarty
CO
–ChangeOver − przełączny
SPST Single Pole Single Throw
– jednobiegunowy (pojedynczy) zwierny albo rozwierny
SPDT Single Pole Double Throw
− jednobiegunowy (pojedynczy) przełączny
DPST Double Pole Single Throw
− dwubiegunowy (podwójny) zwierny albo rozwierny
DPDT Double Pole Double Throw
− dwubiegunowy (podwójny) przełączny
3PDT
− trzybiegunowy (potrójny) przełączny
4PDT
– czterobiegunowy (poczwórny) przełączny
SP4T
– jednobiegunowy (pojedynczy) czteropozycyjny
SP9T
− jednobiegunowy (pojedynczy) dziewięciopozycyjny
Materiał styków
Styki przełączników i przycisków wykony−
wane są z różnych materiałów. Wielu, może
nawet większość początkujących elektroni−
break before make
– najpierw rozwiera, potem zwiera (popularne)
make before break
– najpierw zwiera (wszystkie), potem rozwiera (rzadko spotykane)
Elektronika dla Wszystkich
23
Podzespoły
przebicie, czyli powstanie łuku elektryczne−
go między kontaktami.
Wyobrażenie takie jest nieprawdziwe.
Rzeczywiście łuk może powstać, ale już
ćwierć milimetra przerwy wystarczy, by na−
pięcie przebicia było rzędu 1000V.
Niezbyt trafne jest też wyobrażenie, że
o maksymalnym prądzie styków decyduje re−
zystancja, a ściślej grzanie się styków i prze−
łącznika wskutek przepływu przez nią prądu.
Owszem, takie ograniczenie daje o sobie
znać, ale dopiero przy prądach rzędu 10
i więcej amperów.
Prawdą jest natomiast, że maksymalne
wartości napięcia i prądu są ściśle związane
z powstawaniem łuku elektrycznego. Miano−
wicie
w trakcie rozłączania styków
, przez
które płynie prąd, może powstać, i często
po−
wstaje, łuk elektryczny
. Wprawdzie jest to
niewielka iskierka, ale powstająca przy tym
wysoka temperatura powoduje zdeformowa−
nie powierzchni, a nawet przeniesienie drob−
nej części materiału na drugi styk.
Po pewnym czasie użytkowania po−
wierzchnia styków robi się nierówna, co po−
woduje wzrost rezystancji, a w końcu zwykle
prowadzi do uszkodzenia i braku kontaktu.
Ogólnie biorąc, czym większy prąd płynie
przez styk w chwili rozłączania i czym więk−
sze napięcie wystąpi na rozwartym styku,
tym silniejszy będzie łuk, dłużej się utrzyma,
a żywotność przełącznika będzie mniejsza.
Łuk może też powstać podczas łączenia
styków – w tym wypadku powstaje głównie
wskutek drgań styków i wynikającego z tego
krótkotrwałego rozłączania, w czasie kilku
czy kilkunastu milisekund, zanim powstanie
„czyste” zwarcie.
Ponadto duży impuls prądowy w chwili
włączania (lampy żarowe, silniki, obciąże−
nia pojemnościowe) też jest szkodliwy,
a w skrajnym przypadku może wręcz zgrzać
styki.
Łuk nie występuje przy rozłączaniu sty−
ków mało obciążonych. Można przyjąć, że nie
pojawi się, jeśli napięcie nie przekracza 20V,
a prąd 200mA. Mówimy wtedy o tak zwanym
„obwodzie suchym”, ang.
dry circuit
.
Poszczególne materiały mają różną od−
porność na wspomniane szkodliwe zjawiska
powodujące niszczenie styków. Na przykład
złoto jest materiałem miękkim i nie nadaje
się do styków pracujących przy dużych na−
pięciach i prądach. W takich warunkach zło−
cone czy nawet złote styki ulegną szybkiemu
wypaleniu. Styki złocone są powszechnie
stosowane w obwodach gdzie występują ma−
łe napięcia (do 20...30V) i małe prądy (do
1A), zwłaszcza w „obwodach suchych”,
gdzie napięcie nie przekracza 20V, a moc
0,4VA i nie powstaje łuk.
Przy większych prądach powszechnie sto−
sowane jest srebro i stopy srebra, przy je−
szcze większych (15A i więcej) różne stopy
zawierające srebro, kadm, ewentualnie inne
dodatki.
Takie styki są twardsze i mają większą
odporność na łuk elektryczny. Niestety, ze
względu na utlenianie powierzchni i inne
czynniki, nie zaleca się pracy przy bardzo
małych napięciach i prądach. Może to się
wydać dziwne, ale tak jest – w odpowie−
dzialnych obwodach przy małych prądach,
rzędu mikroamperów oraz małych napię−
ciach, rzędu miliwoltów, nie powinny być
stosowane popularne przełączniki ze styka−
mi srebrnymi, a jedynie przełączniki ze sty−
kami złoconymi. Tylko złoto zapewnia zna−
komite właściwości i długoczasową stabil−
ność przy bardzo małych prądach. Warto
o tym pamiętać, bo w katalogach przełączni−
ków zwykle nie podaje się minimalnego prą−
du i napięcia styków.
Warto nadmienić, że niektóre firmy pro−
dukują przełączniki uniwersalne. Mają one
srebrne styki, pokryte cieniutką warstewką
złota. Przy małych prądach i napięciach zło−
te pokrycie zapewnia doskonałe parametry.
Przy większych prądach i napięciach war−
stewka złota wprawdzie szybko ulega uszko−
dzeniu, ale srebro nadal zapewnia dobre wła−
ściwości. Oczywiście taki uniwersalny styk
po pracy z dużymi prądami nie nadaje się do
małych prądów, bo warstewka złota ulega
nieodwracalnemu zniszczeniu.
Inne właściwości
Wszystkie przełączniki są skutecznie
uszczelnione od strony kontaktów lutowni−
czych. Mało które są natomiast uszczelnione
od strony manipulatora (dźwigni). Do wnę−
trza przełącznika, podczas (automatycznego)
montażu i czyszczenia lub potem w trakcie
eksploatacji mogą dostać się płyny lub opary,
które się skroplą. Coś takiego zdarza się i jest
przyczyną kłopotów, które pojawiają się po
pewnym czasie eksploatacji.
Aby je wyeliminować, można zastosować
wersje szczelne (
sealed
). Przełączniki ozna−
czone na fotografii 2 literkami B, C, D, E są
uszczelnione w pełni i mogą być zanurzane
w kąpielach czyszczących, co jest istotne
w trakcie automatycznego montażu na płyt−
kach drukowanych. Nie boją się także trud−
nych warunków eksploatacji.
Fot. 2
Parametry graniczne
Domyślasz się, że trwałość styków zależy od
warunków pracy. A jak wobec tego rozumieć
maksymalny prąd i napięcie, podawane w ka−
talogach oraz na przełącznikach?
Niewątpliwie w małym przełączniku, ob−
ciążonym nadmiernie dużym prądem i pracu−
jącym przy wysokim napięciu, styki szybko
ulegną wypaleniu. Czy jednak istnieje jakaś
graniczna wartość napięcia i prądu, zapew−
niająca bezawaryjną pracę przez czas nieo−
graniczony?
W zasadzie odpowiedź brzmi: NIE!
Nie ma żadnej wartości granicznej, obo−
wiązuje tu prosta zasada: czym mniejszy
prąd i napięcie, tym większa trwałość, i na
odwrót. Podane w katalogu maksymalne na−
pięcie i prąd to wartości, przy których prze−
łącznik powinien bezawaryjnie połączyć
i rozłączyć obwód określoną liczbę razy.
Zwykle liczba ta to kilkadziesiąt tysięcy.
24
Elektronika dla Wszystkich
Podzespoły
„Typowy” przełącznik pokazany na foto−
grafii 2 w prawym dolnym rogu ma według
katalogu następujące parametry: prąd maksy−
malny: 5A przy 125VAC albo 28VDC (ob−
ciążenie rezystancyjne); 2A przy 250VAC
(obciążenie rezystancyjne).
Identyczna z wyglądu wersja ze stykami
złoconymi ma obciążalność maksymalną
0,4VA, przy czym napięcie nie powinno
przekraczać 20V, by wykluczyć powstawanie
łuku podczas wyłączania.
Oba typy przełączników mają trwałość
elektryczną 50 000 operacji (cykli) za−
łącz/wyłącz przy podanym obciążeniu ma−
ksymalnym. Początkowa rezystancja styku,
mierzona przy napięciu 2...4VDC, 100mA,
nie przekracza 10mΩ. Rezystancja izolacji
wynosi co najmniej 1GΩ, a wytrzymałość na
przebicie (między stykami oraz stykami
a obudową) wynosi co najmniej 1500VRMS.
Fotografia 3
pokazuje dwa podobne łącz−
niki o większej obciążalności – także i tu ob−
ciążalność jest zdecydowanie różna.
Gaszenie łuku, a więc także trwałość, zale−
ży także od odległości między stykami po roz−
warciu – czym ta odległość większa, tym szyb−
ciej gaśnie łuk. Konstruując urządzenie, można
zastosować wersję przełącznika ze zwiększo−
nym odstępem między rozwartymi stykami.
Różnice dopuszczalnych wartości przy
prądzie stałym i zmiennym mogą być zadzi−
wiająco duże. Dla pewnego przełącznika
ze stykami srebrnymi maksymalne prądy
i napięcia wynoszą: 22A@480VAC,
0,25A@250VDC, 0,5A@125VDC,
a dla wersji ze stykami złoconymi tylko:
1A@125VAC, 1A@30VDC.
Trwałość styków oraz związana z tym
maksymalna wartość napięcia i prądu silnie
zależą też od obciążenia.
Tabela 1
dotyczy
prądu stałego
i przełącznika o dopuszczal−
nym prądzie styków normalnie zwartych
(NC) równej 30A i styków normalnie otwar−
tych (NO) – 15A. Pokazuje maksymalne prą−
dy pracy przy różnych napięciach i różnej
odległości między stykami dopuszczalne dla
zachowania nominalnej trwałości. Warto od−
notować zadziwiająco małe wartości dopu−
szczalne przy sterowaniu obciążeń indukcyj−
nych i ich zależność od wielkości przerwy.
Wynika to z przepięć i łuku powstającego
podczas przerywania prądu w indukcyjności.
Dla napięć zmiennych zależności są łago−
dniejsze, ale i wtedy trwałość zależy silnie od
napięcia i charakteru obciążenia.
się ogromnie różnić. Także podawane wartości
maksymalnego prądu i napięcia wcale nie cha−
rakteryzują do końca właściwości elementu,
jeśli nie podano, jakiej trwałości dotyczą.
Fotografia 4
pokazuje dwa podobne
przełączniki. Ten niebieski, produkcji chiń−
skiej, można kupić już za kilkadziesiąt gro−
szy, czerwony, produkcji amerykańskiej fir−
my C&K, kosztuje około czterech złotych.
Każdy, kto choć raz miał do czynienia
z jednym i z drugim, doceni zalety droższego
przełącznika firmowego (czerwonego). Nie−
bieski korpus wykonany jest ze zwykłego two−
rzywa sztucznego, które mięknie pod wpły−
wem temperatury. W rezultacie podczas luto−
wania bardzo łatwo całkowicie zepsuć prze−
łącznik lub radykalnie pogorszyć jego właści−
wości. Podczas lutowania, po rozgrzaniu styki
przemieszczają się, a to na pewno pogorszy
właściwości; można je też z łatwością wyjąć.
Okazuje się, że
niektóre z nich
mają zaśniedzia−
łe końcówki lu−
townicze i trzeba
je przed lutowa−
niem oskrobać.
Bez takiego
oskrobania po−
rządne przyluto−
wanie przewo−
dów jest bardzo
trudne.
Parametry i... parametry
Żeby dać pełniejszy obraz zagadnienia, ko−
niecznie trzeba wspomnieć o dodatkowych
właściwościach i sposobach wyznaczania pa−
rametrów granicznych. Na przykład
wyniki testu trwałości mechanicznej
ogromnie zależą od sił działających
na przełącznik podczas przeprowa−
dzania testów. W rezultacie liczbowe
wyniki podawane przez różne firmy
mogą być podobne, a rzeczywista
trwałość i inne walory użytkowe będą
Fot. 3
Fot. 4
Warunki pracy
Czasem w katalogach podaje się
trwałość me−
chaniczn
ą, wyrażoną w liczbie cykli pracy.
Zwykle trwałość mechaniczna przełącznika
jest rzędu kilku milionów cykli lub nawet
więcej. Związana jest ona ze zmęczeniem ma−
teriału sprężystych części przełącznika.
Natomiast przełączniki obciążone elek−
trycznie będą mieć dużo mniejszą trwałość,
rzędu kilkuset, a raczej kilkudziesięciu ty−
sięcy cykli.
Rysunek 1
pokazuje typową trwałość
pewnego łącznika dużej mocy przy różnym
obciążeniu. Jak widać, trwałość zależy nie
tylko od napięcia, ale także od przesunięcia
fazy, czyli tzw. kosinusa
Rys. 1
Tabela 1
Obciążenie maksymalne przy prądzie stałym [A]
.
Musisz wiedzieć, że trwałość jest lepsza
przy prądzie zmiennym, a dużo gorsza przy
prądzie stałym. Wynika to z faktu, że przy
prądzie zmiennym część rozłączeń nastąpi
przy chwilowym małym napięciu i prądzie,
a łuk sam będzie gasł, gdy chwilowe napięcie
okresowo będzie zmniejszać się do zera. Po−
nadto przy prądzie stałym może następować
powolne przenoszenie materiału z jednego
styku na drugi (być może nawet spotkasz
w jakimś katalogu zalecaną biegunowość
przy prądzie stałym).
φ
Odległość
między
stykami
[mm]
Napięcie
stałe
[V]
Styk
zwierny
(NO)
grzejnik
Styk
rozwierny
(NC)
grzejnik
Styk
zwierny
(NO)
żarówka
Styk
rozwierny
(NC)
żarówka
Styk
zwierny
(NO)
silnik
Styk
rozwierny
(NC)
silnik
6...8
15
20
1,5
3
8
8
0,25
24...30
2
2
1,5
2
1
1
220...230
0,2
0,2
0,2
0,2
0,02
0,02
6...8
15
20
1,5
3
15
20
0,5
24...30
6
6
1,5
3
5
5
220...230
0,2
0,2
0,2
0,2
0,03
0,03
6...8
15
20
1,5
3
15
20
1,0
24...30
10
10
1,5
3
10
10
220...230
0,3
0,3
0,3
0,3
0,05
0,05
6...8
15
20
1,5
3
15
20
1,75
24...30
15
20
1,5
3
10
10
220...230
0,3
0,3
0,3
0,3
0,2
0,2
Elektronika dla Wszystkich
25
Podzespoły
Natomiast czerwony korpus wykonany
jest z odpornego na temperaturę tworzywa
(DAP), które skutecznie zapobiega przesu−
nięciu czy wyrwaniu styków podczas lutowa−
nia. Nic dziwnego, że czerwony przełącznik
ma oznaczenia świadczące o certyfikatach
agencji amerykańskiej: Underwriters Labora−
tories Inc. (odwrócone stylizowane litery
UR) oraz kanadyjskiej: Canadian Standards
Association (stylizowane litery CSA).
te i złocone mogą i powinny pracować przy
małych prądach. Nie nadają się do prądów
dużych, powyżej 1A i do napięć ponad 100V,
bo wtedy ich żywot będzie krótki.
W praktyce okazuje się, że styki złocone
tak naprawdę są potrzebne tylko w miej−
scach, gdzie występują jednocześnie i małe
prądy i małe napięcia. Będą to różne przy−
rządy pomiarowe i aparatura audio najwyż−
szej klasy, a głównie te obwody, gdzie wy−
stępują małe sygnały. W tych przypadkach
naprawdę warto postarać się o złocone styki.
W pozostałych przypadkach stosowane
będą elementy ze stykami wykonanymi z in−
nych materiałów, głównie ze srebra. Jak
wspomniano, styki srebrne przeznaczone są
do większych obciążeń, ale mogą spokojnie
pracować przy małych prądach we wszelkich
obwodach sterujących. Jeśli są to obwody
sterujące, gdzie nie ma małych sygnałów
analogowych, gdzie występują jedynie sy−
gnały logiczne (jest/nie ma), nie trzeba się
specjalnie bać o utlenianie styków.
Zawsze warto pamiętać, że podane warto−
ści maksymalne zazwyczaj dotyczą trwałości
rzędu kilkudziesięciu tysięcy cykli. Dla
zwiększenia trwałości warto pracować przy
mniejszym obciążeniu.
Ogólnie biorąc, trzeba wziąć pod uwagę
przede wszystkim niezawodność oraz cenę.
Cenę każdy bierze pod uwagę, gorzej
z niezawodnością. Jednak prawdziwy kon−
struktor nie zlekceważy tematu styków. Co
prawda polskie relacje cen i płac nie sprzyja−
ją powszechnemu stosowaniu wyrobów mar−
kowych, jednak warto wiedzieć, że zazwy−
czaj oszczędności na jakości podzespołów są
tylko pozorne. W przypadku produkcji seryj−
nej niezawodność jest niezmiernie ważna.
A wynika ona z niezawodności wszystkich
części składowych danego urządzenia. Przy−
Kuchnia konstruktora
Powyższe rozważania nie świadczą, że wszy−
stkie niebieskie przełączniki są gorsze od czer−
wonych. O jakości nie decyduje kolor obudo−
wy, tylko sposób produkcji i zastosowane ma−
teriały. Obecnie u dystrybutorów dostępne są
najróżniejsze przełączniki, przyciski i inne
łączniki różnych firm. Niektóre można zoba−
czyć na
fotografii 5
. Szczegółowe ich
omówienie zajęłoby wiele miejsca. Warto jed−
nak mieć świadomość, że poszczególne typy
łączników mają określone przeznaczenie. Nie−
co inaczej są zbudowane przełączniki prze−
znaczone do urządzeń motoryzacyjnych,
gdzie napięcie pracy zazwyczaj wynosi kilka−
naście woltów, a prądy w niektórych obwo−
dach bywają duże. Inaczej są wykonane prze−
łączniki przeznaczone do urządzeń zasilanych
z sieci 220V, gdzie z kolei napięcie jest stosun−
kowo wysokie, a prądy zwykle niezbyt duże.
Także małe przyciski mają styki przezna−
czone do różnych obciążeń.
Jakie więc stosować przyciski i przełącz−
niki? Czy warto płacić kilka złotych za prze−
łącznik znanej firmy? A może wystarczy taki
za kilkadziesiąt groszy?
Konstruktor, a tym bardziej hobbysta, nie
muszą w każdym przypadku studiować kata−
logów. Będą pamiętać, że wszelkie styki zło−
Fot. 5
26
Elektronika dla Wszystkich
Podzespoły
pomina się tu zasada najsłabszego ogniwa
łańcucha: obwody elektroniki mogą być zna−
komite, a o rzeczywistej atrakcyjności i jako−
ści wyrobu końcowego zadecydują “prymi−
tywne” podzespoły stykowe. Niejeden pro−
ducent urządzeń elektronicznych przekonał
się, że próba zaoszczędzenia paru złotych na
elementach stykowych po pewnym czasie
mści się boleśnie dużą liczbą reklamacji,
a nawet spadkiem zaufania do firmy. Są też
przypadki odwrotne – liczba reklamacji spa−
da niemal do zera po zastosowaniu porząd−
nych elementów stykowych.
W przypadku pojedynczego urządzenia
mało kto zastanawia się nad trwałością, zwła−
szcza że rządzą tu zasady statystyki i nie
sposób przewidzieć, jak się zachowa dany
egzemplarz. Dlatego w pojedynczym, ama−
torskim modelu część osób zechce zas−
tosować tani przełącznik kupiony za
złotówkę lub nawet taniej (ale od razu warto
zakupić drugi na wypadek uszkodzenia pod−
czas lutowania i trzeci na wymianę za jakiś
czas). Jeśli natomiast komuś zależy na trwa−
łości, stałości parametrów, a także na wyglą−
dzie zewnętrznym, wyda kilka złotych wię−
cej i będzie miał pewność, że przełączniki nie
będą najsłabszym punktem całej konstrukcji.
i wiele innych przełączników. Przeglądając
katalogi i oferty (np.: ELFA, Conrad, Schu−
richt, RS) nie będziesz już się dziwić, że
przełącznik kosztuje kilka czy nawet kilkana−
ście złotych.
Jeśli zechcesz wykonać urządzenie, które
ma długo i niezawodnie pracować, poważnie
zastanowisz się, czy zastosować taniutkie,
chińskie przełączniki po złotówce, czy wy−
dasz znacznie więcej na solidne przełączniki
porządnej marki.
Piotr Górecki
Podsumowanie
Po lekturze artykułu może i Ty, Czytelniku,
zupełnie inaczej spojrzysz na zamieszczoną
na drugiej stronie reklamę sklepu Euroelek−
tronika, oferującego między innymi takie
Od Redakcji. Zdjęcia w artykule pochodzą
z materiałów udostępnionych przez p. Toma−
sza Widomskiego, prezesa firmy Elproma
Elektronika Sp. z o. o. (www.elproma.com.pl).
Elektronika dla Wszystkich
27
[ Pobierz całość w formacie PDF ]