Tutorial sugli interruttori

Gli interruttori sono parte integrante dell'elettronica. Quasi tutti i dispositivi elettronici sono dotati di almeno un interruttore. Questo perché quando si utilizzano i dispositivi, in genere esistono diverse modalità operative. Le modalità più ovvie sono On e Off, ma spesso vi sono altre impostazioni che possono essere regolate. I finestrini di un'autovettura sono controllati da interruttori momentanei che possono alzarli e abbassarli. I videogiochi utilizzano interruttori per controllare i movimenti. L'elenco delle applicazioni degli interruttori è infinito nel settore dell'elettronica. Esistono diversi tipi di interruttori sul mercato e diverse considerazioni da fare prima di scegliere un interruttore. Alcune delle domande da porsi riguardano il numero di poli e di vie necessario, se l'interruttore deve essere permanente o momentaneo e le considerazioni elettriche, come la corrente massima e la tensione nominale. Questo articolo intende fare luce sul mondo degli interruttori.

Prima di passare all'esame di ciascun tipo di interruttore, sarebbe opportuno esaminare i diversi circuiti presenti in ogni interruttore. Esistono due termini utilizzati per descrivere il circuito di un interruttore. Si tratta di "polo" e "via". Un "polo" si riferisce al numero di circuiti presenti in un interruttore. Un interruttore unipolare avrà solo un circuito attivo alla volta. Il termine "via" si riferisce al numero di posizioni a cui può essere collegato il polo. La Figura 1 mostra lo schema di un interruttore unipolare a una via (SPST).

Figura 1: Schema di un circuito SPST.

Un interruttore SPST avrà un solo polo; esiste un solo circuito possibile utilizzando questa configurazione e questo è aperto o chiuso. Un interruttore unipolare può essere normalmente aperto o normalmente chiuso. Quando è chiuso, la corrente può passare attraverso l'interruttore; quando è aperto, no. Immaginate ora che ci sia un solo percorso per il passaggio della corrente in un determinato momento, ma che ci siano due opzioni per il passaggio della corrente. Si tratterebbe di un interruttore a una via bipolare (SPDT). La Figura 2 illustra questo punto.

Figura 2: Schema di un circuito SPDT.

L'utilizzo di questo tipo di logica facilita la comprensione degli interruttori. Un altro esempio simile a un SPDT è il DPDT (bipolare a due vie (DPDT). L'aspetto è simile a quello della Figura 2, ma con due poli anziché uno. La Figura 3 illustra un circuito DPDT.

Figura 3: Schema di un circuito DPDT.

Una cosa da tenere presente con gli interruttori è che diversi circuiti possono agire verso un obiettivo simile. Un esempio potrebbe essere un semplice interruttore ON/OFF senza azione momentanea. Questa funzione può essere ottenuta con un SPST o un SPDT. Prendiamo come esempio il modello GRS-2011-2019 di CW Industries. Questo dispositivo presenta due terminali sul fondo, come un interruttore SPST. Quando l'interruttore è in una posizione, i due terminali sono collegati e la corrente può scorrere. Quando l'interruttore è nell'altra posizione, non sono collegati e la corrente non può scorrere. Se si utilizza un SPDT come il modello GRS-2013A-2000 anziché un SPST, si può ottenere lo stesso risultato. Si tratta semplicemente di utilizzare solo due dei terminali e di lasciarne uno aperto. È utile nelle situazioni in cui è necessario un interruttore SPST normalmente aperto o normalmente chiuso. Un SPDT può essere una di queste opzioni. Tornando all'interruttore SPDT, è importante capire anche la sua funzione. Un SPDT può avere due o tre posizioni per l'attuatore. Per spiegarlo, si pensi a un interruttore ON-OFF-ON. Si tratta di un'applicazione comune per i motori in cui il motore può girare in un senso, poi fermarsi e quindi girare nell'altro senso. Un SPDT lo può fare, ma non è così per tutti gli interruttori SPDT. GRS-2013A-2000 è un interruttore ON-OFF-ON, quindi è possibile che tale interruttore esegua questa azione. Il modello D508J12S205QA di C&K non sarebbe in grado di raggiungere questo obiettivo; si tratta di un interruttore ON-MOM. Ciò significa che l'interruttore è generalmente in posizione ON e può spegnersi momentaneamente. Un'applicazione finale è ad esempio un nastro trasportatore alle casse dei supermercati. Collegando semplicemente i fili al contrario, il motore non funzionerà sul trasportatore fino a quando non si premerà l'attuatore. Quando lo si preme, all'interno dell'interruttore si crea un contatto momentaneo e la corrente può scorrere. Una volta rilasciato l'attuatore, l'interruttore torna alla sua normale posizione OFF e la corrente si interrompe.

Anche le caratteristiche elettriche sono considerazioni importanti quando si sceglie un interruttore. Se un circuito richiede 50 A, un interruttore da 10 A non funziona. È sempre importante verificare i valori di tensione e corrente di un interruttore. Esiste anche una distinzione tra tensioni e correnti alternate e correnti continue. Spesso i produttori forniscono i valori nominali di entrambi questi aspetti, ma non sempre. Quando si valuta la tensione nominale di un interruttore, va considerato il valore indicato dal produttore per il tipo di tensione. Se un valore nominale indica 125 V_c.a., significa che si tratta di una tensione in corrente alternata. Se il valore nominale è di 125 V, si tratta di una tensione in corrente continua. Questo linguaggio sarà indicato nella scheda tecnica o nel disegno del prodotto. Sul sito Web di DigiKey è possibile fare un'ulteriore distinzione. Il prodotto PS1024ARED di E-Switch è classificato c.a., ma DigiKey indica 125 V online. Questo perché la colonna in cui si trova il valore nominale è "Tensione nominale - c.a.". La Figura 4 mostra questo dato dal sito Web di DigiKey e la Figura 5 mostra la caratteristica nominale di PS1024ARED.

Figura 4: Attributi di prodotto PS1024ARED.

Figura 5: Disegno relativo alle specifiche elettriche di PS1024A.

Un aspetto non evidente sul sito Web di DigiKey, ma evidente nelle note del disegno, è che esistono alcune caratteristiche nominali diverse per questo interruttore. Il primo valore nominale è 3 A a 125 V_c.a. e il secondo è 1,5 A a 250 V_c.a.. Come è possibile avere due caratteristiche nominali per lo stesso interruttore? Questo perché la potenza è una funzione della tensione e della corrente. Entrambe le caratteristiche nominali hanno la stessa potenza. Se si inserissero i seguenti valori per la potenza nominale, si otterrebbero gli stessi valori.

Spesso un interruttore ha solo un valore nominale c.a. e non uno c.c. Esiste una regola empirica che può essere utilizzata per determinare il valore nominale c.c. di un interruttore c.a. Qualunque sia la corrente nominale massima dell'interruttore, la corrente rimarrà invariata e la tensione c.c. sarà impostata a 30 V. PS1024A ha due valori nominali, 3 A a 125 V_c.a. e 1,5 A a 250 V_c.a.. Questa regola significa che l'interruttore può prendere il valore nominale di 3 A e utilizzarlo per un massimo di 30 V_c.c.. Si tratta di una regola generale, tratta da Carling Technologies, chiamata "Regola empirica della corrente continua". Spesso gli interruttori hanno anche una potenza nominale. Questo perché i carichi induttivi possono avere correnti di inserzione estremamente elevate. Il limite di impiego HP sarà designato per gli interruttori utilizzati con motori c.a. Questo non significa che uno di questi interruttori non possa essere utilizzato su altri dispositivi, ma è il motivo per cui tale caratteristica nominale è riportata sull'interruttore.

Interruttore a pulsante

Un tipo di interruttore è quello a pulsante. Questi interruttori sono dotati di un attuatore. L'attuatore può anche essere chiamato pulsante nel gergo comune. Questi interruttori spesso sono montati su pannelli o su una scheda. La Figura 6 illustra il modello KB16CKW01-5F-JF di NKK Switches.

Figura 6: KB16CKW01-5F-JF.

Un aspetto interessante dell'interruttore KB16CKW01-5F-JF è il numero di terminali. Si tratta di un SPDT, che dovrebbe avere solo 3 terminali, ma questo dispositivo ne ha 5. Questo perché è un interruttore luminoso. Molti interruttori sono illuminati e hanno una tensione di illuminazione nominale. Questo particolare interruttore ha una tensione di illuminazione di 2,1 V_c.c.. La documentazione indica che il terminale numero 2 è quello comune e che il LED sarà alimentato dai terminali L (+) e L (-), come mostra la Figura 7.

Figura 7: Documentazione per KB16CKW01-5F-JF.

Spesso gli accessori degli interruttori sono elencati in fondo alla pagina del prodotto. Leggendo in fondo alla pagina del prodotto KB16CKW01-5F-JF sul sito Web di DigiKey si noteranno quattro accessori che accompagnano questo interruttore.

Questi accessori sono reperibili in fondo alla pagina di KB16CKW01-5F-JF sul sito Web di DigiKey o nella documentazione della scheda tecnica della serie. Spesso i produttori creano un'intera serie di interruttori. Si tratta di un gruppo di prodotti proprietari che si accompagnano. L'interruttore KB16CKW01-5F-JF è stato progettato specificamente per accettare alcuni accessori indicati nella documentazione. L'accessorio di protezione è riportato a pagina D34 della scheda tecnica della serie. La Figura 8 mostra la protezione e il relativo codice di ordinazione AT494.

Figura 8: Documentazione per KB16CKW01-5F-JF.

Spesso i produttori di interruttori inseriscono un'intera serie in un'unica scheda tecnica, perché alcune variazioni da un componente all'altro possono essere trascurabili. I codici componente spesso cambiano solo per via del colore. L'accessorio LED AT635F ne è un buon esempio. Nella documentazione è presente solo il codice AT635 come opzione. Il prodotto citato in precedenza ha il suffisso "F". La Figura 9 mostra lo schema di ordinazione che indica che il suffisso "F" si riferisce a un LED verde. Sul lato sinistro dello schema di ordinazione è riportato il numero del LED di base per AT635. Nella colonna centrale sono presenti le opzioni Rosso, Ambra e Verde. Il riquadro di nome "Verde" riporta la dicitura 5F. Ciò significa che per AT635F il LED sarà verde.

Figura 9: Documentazione per KB16CKW01-5F-JF.

Interruttore tattile

Gli interruttori tattili sono simili agli interruttori a pulsante, ma in genere sono molto più piccoli. Immaginate un router domestico personale dotato di un interruttore di reset. L'interruttore è tipicamente incassato nel telaio in plastica in modo da non poter essere premuto accidentalmente. Di solito per premere questo tipo di interruttore è necessario utilizzare la punta di una graffetta o uno stuzzicadenti. Questi tipi di interruttori sono in genere interruttori tattili, interruttori momentanei e non sono utilizzati come interruttori on/off. Spesso vengono utilizzati per azzerare, contare, fermare o per una funzione di questo tipo. In genere hanno valori di tensione e corrente molto bassi. MJTP1230 di APEM Inc. è un esempio di interruttore tattile. Questo interruttore è un SPST-NA, ovvero un circuito unipolare a una via normalmente aperto. Ciò significa che la corrente non può passare attraverso questo interruttore finché non si preme l'attuatore. Una volta rilasciato l'attuatore, l'interruttore si riaprirà automaticamente e la corrente non potrà più scorrere. La Figura 10 illustra il modello MJTP1230.

Figura 10: MJTP1230.

Questo interruttore è dotato di quattro linguette, tipico nel caso degli interruttori tattili. Questo non è dovuto al fatto che vi siano due circuiti diversi collegabili, ma piuttosto perché l'aggiunta di due linguette contribuisce a un maggior supporto fisico dell'interruttore quando viene saldato su una scheda. Le due linguette su un lato saranno collegate in modo permanente, indipendentemente dalla posizione dell'interruttore. L'altro lato dell'interruttore seguirà la stessa regola: le linguette sono sempre collegate. Quando si preme l'attuatore, si verifica la continuità tra le due metà dell'interruttore. Per quanto riguarda il circuito, questo interruttore seguirà lo schema della Figura 1.

Interruttore DIP

Gli interruttori DIP sono interruttori alloggiati in un "contenitore doppio in linea". Questi sono progettati per l'inserimento in una basetta sperimentale e sono un insieme di piccoli interruttori SPST. Un esempio di utilizzo è il controllo DMX per l'illuminazione da palcoscenico. Ogni apparecchio di illuminazione ha un indirizzo assegnabile. Nelle moderne luci controllate da DMX, questo può essere programmato da un microcontroller semplicemente spostando in alto o in basso un numero su un display. Sui vecchi apparecchi controllati via DMX, un interruttore DIP poteva essere modificato per dare l'indirizzo binario corretto per quell'apparecchio. Questi tipi di interruttori sono spesso montati in superficie o con fori passanti, ma esistono anche opzioni per montaggio a pannello. La Figura 11 illustra il modello 208-4, un interruttore DIP di CTS Electrocomponents.

Figura 11: 208-4.

Interruttore a bilanciere

Anche gli interruttori a bilanciere sono molto diffusi sul mercato. Questo tipo di interruttore ha un attuatore concavo che oscilla avanti e indietro da ogni posizione. Molti interruttori ON/OFF sono a bilanciere per l'elettronica consumer. In genere sono montati a pannello, ma possono essere montati anche direttamente su una scheda. La Figura 12 mostra il modello CRE22F2BBRLE di ZF Electronics.

Figura 12: CRE22F2BBRLE.

Questo interruttore è di tipo SPST, quindi si accende o si spegne soltanto. Su questo interruttore è presente un terminale centrale perché è illuminato. Gli interruttori SPST luminosi hanno solitamente tre terminali. I terminali esterni sono responsabili del passaggio della corrente dalla sorgente alla terra. Il terminale centrale è utilizzato per la luce. Quando l'interruttore è aperto, la corrente non può passare attraverso la luce. Quando l'interruttore è chiuso, la corrente passa dalla sorgente, attraverso la luce, fino a terra.

Un altro aspetto da tenere presente in un interruttore a bilanciere è la dimensione fisica del terminale. Spesso questi interruttori sono montati a pannello e quindi vengono terminati con fili discreti utilizzando terminali a connessione rapida. Il modello CRE22F2BBRLE ha terminali di larghezza pari a 6,35 mm. Questo è indicato sul sito Web di DigiKey sotto gli attributi del prodotto per "Stile di terminazione". Le dimensioni comuni dei terminali sono 2,79 mm, 4,75 mm e 6,35 mm. Le connessioni rapide per questi dispositivi sono disponibili nella pagina "Terminali - Connettori a connessione/disconnessione rapida" del sito Web DigiKey.

Interruttore di finecorsa a scatto

Spesso nella produzione è necessario un interruttore per il conteggio di oggetti. Immaginate una linea di produzione che deve contare quanti prodotti passano in un dato punto del percorso. Il prodotto può pesare una data quantità e deve essere in grado di azionare un interruttore. Questa applicazione potrebbe richiedere un interruttore che deve solo muoversi un po' per contare qualcosa. Il modello D2VW-5L2-1HS di Omron è un esempio di interruttore di finecorsa a scatto utile in un'operazione di questo tipo. La Figura 13 mostra come l'interruttore D2V2-5L2-1HS abbia un braccio esteso che potrebbe essere utilizzato per questo tipo di processo.

Figura 13: D2VW-5L2-1HS.

Esistono interruttori di finecorsa a scatto che mantengono il loro circuito come un interruttore ON/OFF, ma la maggior parte di essi è momentanea. È molto comune trovare interruttori di finecorsa a scatto SPST-NA o SPST-NC. Una buona soluzione già citata poco sopra è l'uso di un circuito SPDT al posto di un SPST normalmente aperto o normalmente chiuso. Questo è utile perché se l'applicazione richiede un interruttore normalmente aperto o normalmente chiuso, l'interruttore sarà in grado di svolgere tale compito.

L'accessorio più comune per un interruttore di finecorsa a scatto è il braccio dell'attuatore. Spesso questi interruttori sono dotati di rulli, a volte di una semplice barra piatta e sono forniti in varie tipologie di configurazione. La Figura 14 illustra alcuni stili di attuatori della serie D2VW.

Figura 14: Stili di attuatori.

Interruttore a levetta

Gli interruttori a levetta sono un altro tipo di interruttore molto diffuso. Spesso sono montati a pannello come gli interruttori a bilanciere e possono essere utilizzati per l'azione momentanea, anche se di solito sono utilizzati per l'azione sostenuta. In genere hanno un attuatore simile a un birillo e una boccola filettata per il montaggio a pannello. La Figura 15 mostra il modello 200MSP3T1B1M2QEH di E-Switch.

Figura 15: 200MSP3T1B1M2QEH.

Gli accessori più comuni per gli interruttori a levetta sono le rondelle di tenuta e i dadi esagonali per il montaggio. In genere si trovano in fondo alla pagina di prodotto sul sito Web DigiKey, nella sezione "Prodotto associato". Il modello 200MSP3T1B1M2QEH ha entrambe le caratteristiche elencate nella pagina di prodotto, come mostra la Figura 16.

Figura 16: Rondella di tenuta e dado esagonale associati.

Altri accessori comuni per gli interruttori tattili sono le coperture di sicurezza e le fodere isolanti. Le figure 17 e 18 illustrano rispettivamente questi accessori. La copertura di sicurezza è un accessorio per il modello GTS447A101HR di CW Industries, mentre la fodera isolante è un accessorio per il modello M2012SS1W01 di NKK Switches.

Figura 17: Copertura di sicurezza per GTS447A101HR.

Figura 18: Fodera isolante per M2012SS1W01.

Interruttore rotativo

Spesso è necessario un interruttore in grado di selezionare diverse modalità operative. Queste applicazioni possono talvolta richiedere un interruttore rotativo. Questi interruttori hanno da uno a più poli e spesso possono avere un numero elevato di vie. Il modello C7D0124N-C di Electroswitch è un esempio di interruttore rotativo. Si tratta di un interruttore SP24T. Ciò significa che ha 24 opzioni per il passaggio della corrente, ma la corrente scorrerà attraverso solo una alla volta. Gli accessori più comuni per gli interruttori rotativi sono manopole, piastre di selezione, rondelle di tenuta e dadi esagonali. Come per i prodotti precedenti, questi accessori sono solitamente reperibili nella sezione "Prodotto associato" del sito Web DigiKey. La Figura 19 illustra il modello C7D0124N-C.

Figura 19: C7D0124N-C.

Un'altra distinzione utile nel caso degli interruttori rotativi è tra azione MBB e BBM. Per esprimersi con il linguaggio gergale tipico in alcuni settori, questo fenomeno è descritto come "circuitante" o "non circuitante" rispettivamente. Ciò significa che quando l'interruttore passa da una posizione all'altra, non ha mai un circuito aperto. L'interruttore avrà temporaneamente due circuiti attivi finché non si sposterà completamente nella posizione desiderata. Il modello 212T0111S332RA di CTS Electrocomponents è un esempio di interruttore rotativo circuitante (MBB). L'opposto è il non circuitante (BBM). Ciò significa che il primo circuito sarà completamente interrotto prima che l'interruttore sia in posizione per il nuovo circuito. Il modello KC52A30.001NPS di E-Switch è un esempio di interruttore rotativo non circuitante (BBM).

Interruttore a chiave

Gli interruttori a chiave sono un tipo di interruttore molto comune. L'accensione di un'automobile è un esempio di interruttore OFF-ON-MOM. Quando si inserisce la chiave nell'accensione dell'automobile, l'interruttore è in posizione ON, ma non fa nulla finché il veicolo non viene avviato. La posizione MOM è quella che avvia il veicolo, a quel punto la chiave viene riportata in posizione ON. Per spegnere il veicolo, è necessario girare la chiave in posizione OFF. Un esempio di interruttore a chiave è il modello 84829-07 di Honeywell Sensing and Productivity Solutions, illustrato nella Figura 20.

Figura 20: 84829-07.

Conclusione

Esistono oggi sul mercato molti tipi diversi di interruttore. Tutti funzionano per soddisfare lo stesso obiettivo: collegare i circuiti. Esistono interruttori con azione sostenuta e momentanea. Un interruttore con azione sostenuta mantiene la sua posizione finché non viene spostato manualmente. Per contro, un interruttore con azione momentanea tornerà automaticamente allo stato predefinito. L'applicazione finale restringerà il tipo di interruttore necessario. Il circuito dell'interruttore, insieme a parametri fisici come la corrente e la tensione massime consentite, saranno tra i fattori più determinanti nella scelta dell'interruttore. Il tipo di interruttore può essere intercambiabile; un circuito elettronico funziona bene sia con un interruttore a levetta che con un interruttore a bilanciere. Lo stile dell'interruttore dipende in larga misura dalle preferenze personali del tecnico e dall'ambiente in cui sarà collocato.