機械按鈕和開關滿足關鍵的設計需求

觸控螢幕和薄膜開關對薄型的視覺化控制面板相當實用。但在某些應用上，設計人員則需注重安全性、取用簡便性、高電壓或電流的切換能力、啟動時的已知配置或耐用性。在此情形下，機械開關和按鈕通常會是理想的選擇，但設計人員必須謹慎挑選。

機械開關有許多種類型，形狀、樣式、尺寸、功能、功率性能和機械行為也不盡相同。本文將協助設計人員整理不同的選擇參數，並了解如何最妥善地應用目前一些最新的裝置。

哪一種開關或按鈕？

要決定哪一種開關最適合，首先要判斷系統的需求。要找出適合某項應用的機械開關，首先要找出符合人體工學和實體需求的開關尺寸，然後針對該尺寸選擇具有適當電氣規格和環境規格的開關。

緊急停止

在安全性層面，緊急停止按鈕是個很明顯的例子。許多工業系統必定有大型的紅色或橘色按鈕，上面會以容易閱讀的大型字母標示「Emergency Stop」(緊急停止) 一詞。此按鈕必須位於伸手可及的顯眼位置、容易按壓，並且能提供明確的觸覺回饋，指出已完成開關功能。在某些工業環境中，若無法滿足此條件可能會發生危險。

RAFI USA 的 Lumotast 16 緊急停止按鈕，是非常適合此應用的解決方案。此常開 (NO) 按鈕的外形很常見，是蘑菇形狀的大型錐狀按鈕 (圖 1)。當操作人員大力按下按鈕時，兩個銀質觸點會相互接觸、閂鎖並保持接觸，即使操作人員將手移開也不會鬆開。要將此按鈕重置到開啟狀態，必須順時針或逆時針旋轉按鈕的蘑菇頭。

圖 1：RAFI USA Lumotast 16 緊急停止按鈕的安裝方法很簡單，很容易就能裝入標準的 16.2 mm 安裝孔。(圖片來源：RAFI)

Lumotast 16 可處理高達 6 A 和 250 W，針對高可靠度操作進行設計。內部開關設計含有三個平行的備援觸點，因此即使其中一組觸點無法連接，另外兩組仍可確保達到可靠停止。為了能目視檢查連接狀態，此開關的配線方式，可在啟動時發出亮紅光。開關正面採用 IP67 保護等級，適合在絕大多數嚴苛的工業環境中使用。

Lumotast 16 的按鈕直徑為 30 mm，用在工業控制面板中不會太小，用在手持式控制盒中也不會太大。

安裝 Lumotast 16 時，請先確定開關安裝位置下方留有 18 mm 的安裝深度間隙。鑽鑿一個 16.2 mm 的安裝孔。將具有「Emergency Stop」(緊急停止) 黑色字樣的黃色安裝孔軸環，放置在安裝孔的最上方。接著將 Lumotast 16 開關放入安裝孔中，再使用隨附的安裝環首螺帽來固定。最後對底面兩個標準公端快接叉形端子進行接線作業。

防破壞設計

機械按鈕的另一項重要應用是針對蓄意破壞提供保護。防破壞開關必須可承受對開關構造的蓄意破壞，例如用錘子反覆敲擊或者企圖將開關撬開。

針對防破壞應用，E-Switch 推出 PVA3H2B0SS3R1 SPDT 防破壞發光按鈕開關。此 2 A、36 V 直流開關具備 IP65 防護等級。具有 RGB 發光環，並採用薄型設計，可增加防破壞能力 (圖 2)。

圖 2：E-Switch 的 PVA3 搭配紅光邊框。此開關安裝後幾乎和面板齊平，因此比起較厚的開關，擁有更高的防破壞能力。(圖片來源：E-Switch)

此開關安裝在任何安裝孔為 16 mm 的面板後，幾乎和面板齊平。請確認安裝位置有足夠的間隙，以便可連到底面的觸點。此款 SPDT 開關有四個觸點，還有三個供 RGB 燈光使用的 LED 觸點，及一個共用接地。因此面板底面必須進行一共八個連接。請妥善規劃面板的佈局，以便能夠輕鬆完成所有連接，而不至於讓接線擠壓或彎折。

安裝面板的厚度可介於 1 mm 至 8 mm。不過，面板愈厚，防破壞的能力就愈強。

選擇適合應用的 PVA3 配置，可以是暫時性接觸或閂鎖型接觸。將致動器壓入開關主體內，開關就會作用。扁平的致動器與開關肩部齊平，表示按鈕作用中，致動器若高於開關肩部則表示按鈕未作用中。

若要以視覺方式回饋開關的運作狀態，可使用微控制器或可編程邏輯控制器 (PLC) 訊號來點亮指示器軸環的紅色、綠色和藍色 LED。若要產生自訂顏色，則將 LED 與微控制器或 PLC 的脈寬調變輸出連接。

為提供更強的防破壞能力，此開關的主體和致動器可選用鎳或不鏽鋼材質。

啟動時讀取配置

有時之所以需要使用開關，是為了進行幕後的開發或配置，而不是為了達到使用者控制。雖然 EEPROM 或快閃記憶體提供非揮發性儲存空間，可在啟動時進行讀取，但有時必須在系統通電前目視檢查配置。針對這些情況，開發人員過去數年都倚賴常用的 8 腳位 DIP 開關，例如 Omron Electronics 的 A6FR-8101 (圖 3)。

圖 3：Omron 的 A6FR 系列 DIP 開關具有短型致動器，又稱為鋼琴式開關，採用通孔方式裝入插槽或 PC 板中。(圖片來源：Omron)

若必須在系統通電前設定系統配置或開機參數，即可使用這些 DIP 開關。雖然使用手指就能變換 DIP 開關的位置，但使用筆尖會更容易控制。這些開關可搭配短型或長型致動器，能裝入 16 引腳 DIP 插槽或直接焊接到 PC 板上。A6FR 與舊型 DIP 開關的設計不同，使用雙滑動觸點，可確保達到高可靠度的通／斷連接。這些 DIP 開關的額定值為 25 mA 和 24 VDC，因此適合用於數位電路。

控制高電壓和高電流

有時需要對電壓和電流進行簡單的硬性控制。軟薄膜開關若要執行高功率控制，需要使用介面電路，但可能會無謂增加操作的複雜度，特別是在控制與其他系統無關的情況下。針對這類情形，可使用翹板開關，即可安全控制電壓和電流，並達到高可靠度。

以E-Switch 生產的 RA811C1121 耐用型發光電源翹板開關 (圖 4) 為例。此開關可在 125 VAC 下處理 16 A。

圖 4：E-Switch 的 RA8 系列翹板開關具有塑膠分隔器，可防止兩個端子意外發生短路。此系列提供多種選項，包括顏色、直式或直角端子，以及開關配置。(圖片來源：E-Switch)

E-Switch 的 RA8 系列安裝在 19 x 13 mm 的矩形安裝孔中。翹板開關雖然容易使用，但在原型製作過程中，最困難的卻是製作出能將翹板開關卡入其中的矩形孔。有個常用的技巧是使用比矩形孔寬度再小一點的鑽頭，在此例子中，是使用 13 mm 鑽頭。首先，用鉛筆畫出矩形孔，然後在面板上鑽出兩個相鄰的孔，並小心不要超出鉛筆線條範圍。接著，用銼刀修出矩形孔，並去除任何尖銳的邊緣部分。

RA8 能在嚴苛的工業環境中使用。工作溫度範圍介於 -20°C 至 +85°C，加上 PVC 蓋帽後可達到 IP54 防護等級。接觸電阻為 30 mΩ，可大幅降低高電壓時的熱度。

在處理高電壓開關時，確保每個連接部分都必須隔開，以免意外造成短路。RA8 提供塑膠分隔器，能讓端子互相隔開，因此能簡化此作業。

雖然強烈建議不要對通電中的端子進行配線，但在生產環境中有時必須如此做。即便 RA8 能在通電中配線作業時降低發生意外的機率，但仍請採取所有安全預防措施，包括配戴絕緣手套。

結論

機械開關適合在特定情況中使用，包括高電壓控制、保全、安全性、取用簡便性，或是以上情況的組合。機械開關提供多種選項，若正確選擇，不論是設計人員還是最終的客戶，都能安心使用。