原创 触摸开关的基本结构和操作

2024-6-21 17:26 188 2 2 分类: 智能硬件

触摸开关是一种公认的电气开关,与同类机械开关一样通过手动操作接通或断开电路。这种开关最初是在 20 世纪 80 年代初是用作键盘和键盘的薄膜或丝网印刷开关的,由于其性能不尽人意且缺乏触觉反馈,在推广之处遇到了阻力。然而,在 20 世纪 80 年代末,在设计中纳入金属拱顶的版本获得了更广泛的普及,这要归功于其经过改善的触觉反馈效果、强大的致动力和更长的使用寿命。正是这些变化成就了今天在广泛的消费和商业应用中普遍使用的、极为常见的触摸开关。


如上所述,触摸开关的关键特色是,当致动器受到压力时,会提供可感知的“咔哒”或触觉撞击反馈,以表明开关已成功完成操作。作为瞬动器件,只要用户不再施加压力,开关就会释放,进而切断电流。虽然通常情况下用作常开器件,但触摸开关也有常闭版本,在按下致动器时电流切断,释放后电流即刻导通。


图 1:常见的触摸开关(图片来源:CUI Devices)


触摸式还是按钮式?


触摸开关和按钮开关是两种经常被混为一谈或名称可以互换的开关。虽然性质和功能相似,但按钮开关的操作方式是在一定行程内按下致动器来启动电流,并通过再次按下执行器切断电流。相比之下,只需在最小的致动器行程内按下致动器并保持,触摸开关即可接通和切断电流。


虽然有些按钮可以用作瞬动开关,但所有的触摸开关都属于瞬动型。触摸开关通常具有比按钮开关更小的封装、更小的额定电压、电流。与按钮开关相比,触摸开关的声音或触觉反馈也是一个关键的区别,虽然按钮提供面板或PCB 安装款式,但触摸开关只用于直接在 PCB 上安装。


基本结构和操作


触摸开关在简单性、坚固性方面优于机械开关的一个关键因素是其数量有限的内部器件,使其能够实现预期功能。典型的触摸开关设计通常包括以下四个器件:


  1. 顶盖:该部件保护开关的内部机构,可以由金属或其他材料组成,具体取决于预期功能。顶盖还可以作为接地端子,以保护开关免受静电放电的危害。
  2. 柱塞:位于顶盖下方和拱形触头的上方,柱塞是用户操作部件,以使拱形触头弯曲,激活开关。柱塞采用平坦结构或者凸起结构。
  3. 拱形触头:该部件外形呈弧形,与底座相配合,当与柱塞接触时,会发生偏转或反转。这种弯曲过程会产生咔哒声和咔哒触感,同时与底座上的两个固定触头连接,接通电路。一旦按压力消失,拱形触头就会恢复原来的形状并断开电路。拱形触头和柱塞的材料(金属、橡胶等)将有助于决定开关的触感和声音。
  4. 模制树脂底座:这是触摸开关的最后一个部件,含有将开关与 PCB 相连接的端子和触头。


图 2:典型触摸开关的结构(图片来源:CUI Devices)


主要优点和规格


触摸开关的正确选择不能只停留在评估产品数据表上的规格。除了诸如瞬动、较低的额定功率和电流、因较少运动活动而具有的坚固性以及较低成本等一些常见特性和有优点之外,触摸开关的可感知触觉和声音对其选型有很大的影响。这可能是一个难以量化的特性,因为激活开关所需的压力及其触觉反馈会根据预期用途和功能而发生变化。例如,相比在家庭或办公室环境中使用的开关,汽车应用中使用的触摸开关可能需要更大的致动力,以避免振动造成意外输入。通常,确定开关具有正确特性的最佳途径是通过原型开发和测试。


总之,这里有几个关键的规格在选择过程中仍需牢记:

  • 额定电压:开关在接通或断开时能承受的最大电压。
  • 额定电流:开关能够承载且不会因此受损的最大电流。
  • 激活力(或操作力):在开关上使致动器移动所需的作用力或压力(以克力或 gf 为单位表示)。
  • 挠度(或致动器行程):压下开关所需的总行程。
  • 接触力:开关连接端子所需的作用力或压力(以克为单位)。
  • 致动器高度:致动器在开关本体上方的高度。(见图 3)
  • 生命周期:开关在正常工作条件下的预期使用寿命。
  • 温度范围:指工作温度范围,在此温度范围内,开关的各项性能符合规格要求。
  • 安装方式:开关在 PCB 上的安装方法,分为通孔安装或表面贴装。
  • IP 等级:对开关(或其他产品)的防尘、防止液体侵入等性能进行级别划分的国际标准。请参阅 CUI Devices 的 IP67 级触摸开关。


图 3:触摸开关的常见致动器高度(图片来源:CUI Devices)。


触摸开关的接线


大多数触摸开关包含四个引脚,用于在 PCB 上安装期间起稳定作用。这四个引脚内部连接成两组。虽然从技术上讲,只有两根导线需要用于布线,但最佳做法是使用所有可能的引脚。此外,有些触摸开关只有两个可用引脚,也有 5 引脚版本,这种版本可在非常小的封装中实现类似操纵杆的控制功能。



图 4:常见的 4 引脚触摸开关的配置(图片来源:CUI Devices)


结论


凭借体积小、高度低、使用寿命长,触摸开关能够满足各种消费和工业产品的许多需求,包括可穿戴技术等方面的最新应用。当需要低功耗、瞬动性能时,触摸开关仍将是一种能够提供触觉和听觉反馈的必备开关解决方案。

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