Elementy_Stykowe.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

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.

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).

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

1,5

0,25

24...30

1,5

220...230

0,2

0,02

6...8

1,5

0,5

24...30

1,5

220...230

0,2

0,03

6...8

1,5

1,0

24...30

1,5

220...230

0,3

0,05

6...8

1,5

1,75

24...30

1,5

220...230

0,3

0,2

Elektronika dla Wszystkich

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

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: