開關教學

開關是電子產品不可或缺的一環。電子裝置或多或少都有開關。這是因為使用裝置時，通常有幾種操作模式。除了常見的開啟或關閉模式，通常也有可調式設定。車窗由瞬時開關控制，能使車窗升降。電玩遊戲機台會使用開關來控制遊戲。電子產業的開關應用無窮無盡。現今市面有幾種不同的開關，挑選時通常會考慮幾個因素，例如需要幾個極和擲、需要維護型開關還是瞬時開關，以及電氣方面的考量 (例如最大電流和電壓額定值)？希望本文能讓人更瞭解開關的世界。

在介紹各種開關之前，最好先瞭解每個開關裡的不同電路。目前有兩種術語描述開關電路，一是「極」，一是「擲」。「極」是指開關中的電路數量。單極開關一次只會有一個主動電路。「擲」是指極能連接至幾個位置。圖 1 展示單極單擲開關 (SPST) 的電路圖。

圖 1：單極單擲電路圖。

單極單擲開關有一個極；只有一種電路使用此配置，即開迴路或閉迴路。單極開關可為常開或常閉。閉合時，電流能流經開關，斷開時則無法流經開關。現在，假設電流某個時候只有一條路徑，但有兩個流向選擇。這就是單極雙擲 (SPDT)。下圖 2 說明了這點。

圖 2：單極雙擲電路圖。

運用這種邏輯有助於輕鬆理解開關。另一個類似單極雙擲的例子是雙極雙擲 (DPDT)。外觀如同圖 2，但有兩個極，而非一個。圖 3 展示了雙極雙擲的電路。

圖 3：雙極雙擲電路圖。

開關有一項要點：幾個不同的電路能合力達到類似的目的，其中無瞬時功能、只能開關的簡易型開關就是一個例子。單極單擲或單極雙擲都能辦得到。以 CW Industries 的 GRS-2011-2019 為例。此元件底部有兩個端子，等同於單極單擲開關。開關處於其中一個位置時便會連接電路，電流便能流動；處於另一個位置時則無法連接，此時電流將無法流動。如果以單極雙擲 (像是 GRS-2013A-2000) 取代單極單擲，也能做到這點，只要使用兩個端子並將其中一個斷開即可。這對於需使用常開或常閉的單極單擲開關時很方便，因為單極雙擲可以是常開或常閉。除了回顧單極雙擲之外，瞭解開關的功能也很重要。單極雙擲可以有兩三個致動器位置。為了說明這點，現在來談論 ON-OFF-ON (開-關-開) 的開關。這種開關在馬達應用中很常見，馬達有時向一個方向轉動，然後停止，再向另一個方向轉動。單極雙擲能做到這點，但並非所有單極雙擲開關都能辦到。GRS-2013A-2000 是一種 ON-OFF-ON (開-關-開) 開關，因此能辦得到。C&K 的 D508J12S205QA 是 ON-MOM (開-瞬時) 開關，因此無法達到。ON-MOM 是指此開關通常處於開啟位置並能暫時關閉。這可能可以應用於雜貨店櫃台的輸送機。將電線直接向後掛接後，只有按下致動器，輸送機上的馬達才會運轉。按下致動器時，開關內會短暫接觸，電流便能流動。一旦放開致動器，開關會回到通常關閉位置，電流不再流動。

選擇開關時，電氣特性也很重要。如果電路需要 50 A 電流量，額定電流 10 A 的開關將無法運作。查看開關上的電壓和電流額定值非常重要，就連 AC 電壓及電流和 DC 電壓及電流之間也有差別。製造商通常會給定兩者的額定值，但並非總是如此。在評估開關電壓額定值時，請查看製造商要求的電壓類型。如果額定值寫明 125 V_AC，表示需要 AC 電壓。如果寫的是 125 V，表示需要 DC 電壓。產品的規格書或圖則上會提出此術語。從 DigiKey 網站上能做進一步的區分。E-Switch 的產品 PS1024ARED 具有 AC 額定值，但 DigiKey 網路上標示 125 V。這是因為額定值的直欄，是針對「電壓額定值 – AC」(Voltage Rating – AC)。圖 4 是取自 DigiKey 網站上的資料，圖 5 顯示 PS1024ARED 的額定值。

圖 4：PS1024ARED 的產品屬性。

圖 5：PS1024A 電氣規格圖。

此開關有幾種不同的額定值，這在 DigiKey 網站上並不明顯，但在圖片的註記中很明顯。第一個額定值是 3 A (125 V_AC)，第二個額定值是 1.5 A (250 V_AC)。同個開關怎麼可能有兩個額定值？這是因為功率隨電壓及電流而異。這兩個額定值具有相同的額定功率。要是為額定功率使用以下數字的電源，會得到相同的功率數。

通常一個開關只有一個 AC 額定值，沒有 DC 額定值。有一套經驗法則能用來判定 AC 開關的 DC 額定值。無論開關的最高額定電流為何，電流將保持不變，DC 電壓將設定為 30 V。PS1024A 有兩種額定值：125 V_AC 時為 3 A，250 V_AC 時為 1.5 A。這個規則代表開關能採用 3 A 額定值，並將此值用於高達 30 V_DC。這是 Carling Technologies 公司的一項通則，稱為「DC 經驗法則」。開關通常也有額定馬力。這是因為電感式負載能擁有極高的湧入電流。與 AC 馬達搭配使用的開關，會設計額定馬力。這並非意味這些開關不能在其他裝置上使用，但帶有該額定值的開關更適合搭配馬達使用。

按鈕開關

有一種開關是按鈕開關。這種開關有致動器。在非正式用語中，致動器也可以稱為按鈕。這些按鈕通常安裝在面板或電路板上。圖 6 為 NKK Switches 的 KB16CKW01-5F-JF。

圖 6：KB16CKW01-5F-JF。

KB16CKW01-5F-JF 有趣之處在於端子的數量。此元件為單極雙擲，理應只有 3 個端子，但卻有 5 個。這是因為此裝置會發光。現今許多開關都會發光，並有標稱照明電壓。這個開關的照明電壓為 2.1 V_DC。根據文件的說明，2 號端子是通用端子，且端子 L (+) 和 L (-) 會關閉 LED，如圖 7 所示。

圖 7：KB16CKW01-5F-JF 的文件。

開關的產品頁面底部通常列有配件。在 DigiKey 網站上查看 KB16CKW01-5F-JF 的產品頁面底部時，可以看到此開關隨附的四個配件。

從 DigiKey 網站的 KB16CKW01-5F-JF 頁面底部，或系列規格書的文件中，都能看到這些配件。製造商通常會為開關打造完整的系列，這些自行研發的系列產品可互相結合。KB16CKW01-5F-JF 的設計可搭配文件中的某些配件。保護罩配件可參見系列規格書 D34 頁。圖 8 顯示了保護罩和可訂購的零件編號 AT494。

圖 8：KB16CKW01-5F-JF 的文件。

通常，開關製造商會在一份規格書中完整收錄整個系列，因為零件之間的差異可能很瑣碎。往往只因顏色不同，就另開新的零件編號。LED 配件 AT635F 就是很好的例子。文件中只會將編號 AT635 列為選配。前面提到的產品，尾碼為「F」。圖 9 顯示了訂購方案，其說明尾碼「F」為綠色 LED。此訂購方案左側是基底 LED 編號 AT635。中間欄有「Red」(紅色)、「Amber」(琥珀色) 和「Green」(綠色) 選項。「Green」(綠色) 方塊下面顯示 5F。意思是 AT635F 的 LED 將為綠燈。

圖 9：KB16CKW01-5F-JF 的文件。

觸動開關

觸動開關與按鈕開關類似，但一般小很多。想像一個具有重置開關的個人家用路由器。開關通常嵌於塑膠中，因此不會意外按到。這種開關一般要靠迴紋針或牙籤才能按下。這些類型的開關，通常是觸動開關和瞬時開關，且一般不用作「開啟／關閉」開關。這些常用於重設、計數或停止某物，或重設任何此性質的功能。額定電壓和額定電流一般非常低。APEM Inc. 的 MJTP1230 是觸動開關的一個例子。這款開關為 SPST-NO，即單極單擲常開電路，意思是除非按下致動器，否則電流無法流經此開關。一旦鬆開致動器，開關會自動再次斷開，電流將無法流動。圖 10 是 MJTP1230 的圖解。

圖 10：MJTP1230。

這款開關有四個支腳。觸動開關通常是這樣。多加兩根支腳並不是為了連接兩個不同的電路，而是為了在將開關焊接到電路板上時提供額外的支撐。無論開關的位置為何，一邊的兩條支腳會永遠連接。開關另一側也是一樣，支腳會永遠連接。按下致動器時，開關兩半彼此具有連續性。電路方面，這款開關將依圖 1 的電路圖運作。

指撥開關

指撥開關是「雙列直插封裝」開關。這些開關將能裝入試驗電路板中。其中匯集許多小型的單極單擲開關。一個使用範例是 DMX 舞台照明控制。每個燈具都能指派一個位址。現今以 DMX 控制的燈光中，這能以微控制器進行編程，只要在顯示器上面上下移動數字即可。以往的 DMX 控制型燈光有指撥開關，可更改為此開關，為該燈具提供正確的二進位位址。這些開關類型通常是採表面黏著或通孔式安裝，但也有面板安裝選擇。圖 11 展示了 CTS Electrocomponents 的指撥開關 208-4。

圖 11：208-4。

翹板開關

翹板開關在市場上也很受歡迎。這種開關具有凹面致動器，從各位置來回搖動。許多「開啟／關閉」開關，都是用於消費性電子產品的翹板開關。這些裝置一般安裝在面板上，但也能直接裝在電路板上。圖 12 為 ZF Electronics 的 CRE22F2BBRLE。

圖 12：CRE22F2BBRLE。

此開關為單極單擲開關，因此只會開啟或關閉。開關上有中間端子，因為此開關會發光。能發光的單極單擲開關通常有三個端子。外部端子負責使電流從源極流向接地。中間端子用於燈具。開關斷開時，電流無法流過燈具。開關閉合時，電流會從源極經由燈具流到接地。

對於翹板開關，還要考慮端子的實際尺寸。這些開關常安裝在面板上，因此常使用快速連接式端子與離散的電線端接。CRE22F2BBRLE 具有 0.25" 寬的端子。DigiKey 網站說明了這點，寫於「Termination Style」(端接樣式) 產品屬性下方。常見的端子尺寸為 0.110"、0.187" 和 0.250"。其快速連接可參見此 DigiKey 網頁：「Terminals – Quick Connects, Quick Disconnect Connectors」(端子 – 快速連接，快速斷開連接器)。

瞬動極限開關

製造業常需利用開關來計數。想像一條生產線必須計算某時間點的產品通過數。產品可能有一定的重量並能使開關致動。此應用可能需要一個只需稍稍移動就能記數的開關。Omron 的 D2VW-5L2-1HS，就是一種能提供此用途的瞬動極限開關。圖 14 說明 D2V2-5L2-1HS 如何具備能用於這種過程的延伸臂。

圖 13：D2VW-5L2-1HS。

現今有自帶電路的瞬動極限開關，像是 ON/OFF 開關；這些開關大多為瞬時開關。SPST-NO 或 SPST-NC 瞬動極限開關相當常見。前文提到了一個實用技巧，就是使用單極雙擲電路代替常開或常閉的單極單擲。假如應用需要常開或常閉，該開關能執行此任務。

瞬動極限開關最常見的配件是致動器臂，通常帶有滾輪，有時只是一根平桿，有幾種不同的配置類型。圖 15 說明了 D2VW 系列的一些致動器樣式。

圖 14：致動器樣式。

搖頭開關

搖頭開關是另一種常用的開關。通常裝於面板上，這一點和翹板開關類似。搖頭開關能用於瞬時功能，但通常用於保持功能。通常具備致動器 (外觀像小棒球棒)，和用於面板安裝的螺紋襯套。圖 16 為 E-Switch 的 200MSP3T1B1M2QEH。

圖 15：200MSP3T1B1M2QEH。

搖頭開關常見配件為鎖定墊圈，和用於安裝的六角螺帽。從 DigiKey 網站產品頁面底部的「Associated Product」(相關產品) 區域中，通常能找到這些產品。200MSP3T1B1M2QEH 的產品頁面上列出了這兩者，如圖 17 所示。

圖 16：相關鎖定墊圈和六角螺帽。

其他常見的觸動開關配件有安全蓋和護罩。圖 18 和 19 分別說明了這些配件。安全蓋是 CW Industries 的 GTS447A101HR，護罩是 NKK Switches 的 M2012SS1W01 配件。

圖 17：GTS447A101HR 的安全蓋。

圖 18：M2012SS1W01 的護罩。

旋轉開關

現今常需使用提供數種操作模式的開關。這些應用有時可能需使用旋轉開關。旋轉開關的極數一至數個，但擲數往往很多。Electroswitch 的 C7D0124N-C 是旋轉開關的一個例子。這是一款 SP24T 開關。SP24T 是指電流有 24 種流通選擇，但一次只能流經一個。旋轉開關的常見配件為旋鈕、刻度盤、鎖定墊圈和六角螺帽。和先前的產品一樣，一般可從 DigiKey 網站的「Associated Product」(相關產品) 標籤中找到這些配件。圖 19 是 C7D0124N-C 的圖解。

圖 19：C7D0124N-C。

旋轉開關的另一個區別是「先接後斷」與「先斷後接」，也就是專業上所謂的「短接」或「非短接」。「短接」指的是「先接後斷」，即當開關移位時，絕不會有開路。開關暫時有兩個主動電路，直到完全移至所需的位置為止。CTS Electrocomponents 的 212T0111S332RA，是「先接後斷」旋轉開關的一個例子。「短接」的相反是「非短接」，即「先斷後接」，也就是在開關針對新電路就位之前，第一個電路會先完全斷開。E-Switch 的 KC52A30.001NPS，則是「先斷後接」旋轉開關的一個例子。

鍵鎖開關

鍵鎖開關是很常見的開關形式。汽車點火是 OFF-ON-MOMENTARY (關-開-瞬時) 開關的一個例子。將鑰匙插入汽車點火開關時，開關處於開啟位置，但在汽車發動前，不會在此位中執行任何動作。瞬時位置會使汽車發動，此時鑰匙會返回開啟位置。若要讓汽車停止運作，必須將鑰匙轉到關閉位置。圖 20 為鍵鎖開關的其中一個例子，即 Honeywell Sensing and Productivity Solutions 的 84829-07。

圖 20：84829-07。

結論

目前市面有許多不同類型的開關。這些開關都旨在達到同一個目的，即連接電路。另外它們也有保持與瞬時開關功能，具有保持功能的開關，在手動移動前會保持在固定位置；相反，具有瞬時功能的開關會自動返回預設狀態。實際應用會縮小所需的開關類型範圍。開關電路以及物理參數 (例如最大允許電流與電壓)，是挑選開關時的首要因素之一。開關樣式可以互換；無論是使用搖頭開關或翹板開關，電子電路的表現都一樣好。開關的樣式主要取決於工程師的個人喜好，以及開關的放置環境。