作者：Ryan Smoot，得捷电子DigiKey
开关在我们日常生活中司空见惯，其种类繁多，无处不在。开关有无数种形式，从微小的按钮到巨大的控制器，功能多种多样。这种多样性受到机械或电气操作、手动或电子控制等因素的影响，通常可以归结为个人在美学和用户界面方面的偏好。
电子开关采用 BJT、MOSFET、IGBT 等技术和其他半导体设计，由于成本不断降低、功能不断扩展，因此受到越来越多的关注，但机械操作式开关仍然是最常用的开关解决方案。本文将深入探讨开关基础知识，尤其是物理操作和致动模型，以了解开关外形与功能之间的关联。
1. 开关基础知识
选择任何开关之前，都必须掌握刀数和掷数的概念。简单地说，刀数表示单次开关可控制的电路数，而掷数则表示开关可选择的触点数。通过直观的视觉呈现，可以最有效地理解这一概念。
图 1：SPST 开关示意图。（图片来源：CUI Devices）
单刀单掷开关 (SPST) 可以控制一个单独的电路，只需打开和闭合一个触点即可。现在，我们将其与单刀双掷开关 (SPDT) 进行对比。
图 2：SPDT 开关示意图。（图片来源：CUI Devices）
在 SPDT 开关中，仍有一个单独的电路受控制，但开关可以在两个不同的触点之间转换。在SPDT 中，开关的作用并不仅仅局限于打开和闭合电路，而是电路本身的重新定向。
图 3：DPDT 开关示意图。（图片来源：CUI Devices）
对于双刀双掷 (DPDT) 开关，单次开关可控制两个电路，其中每次开关在两个触点之间切换。虽然SPST、SPDT、DPST 和 DPDT 是最常见的开关配置，但理论上对开关的刀数和掷数并无限制。如果有两个以上的刀或掷，则用数字标签代替“S”或“D”。例如，制造商可能会将四刀五掷开关标为 4P5T 开关。同样，双刀六掷开关可以表示为 DP6T。
2. 开关选型注意事项
在选型过程中，除了刀数和掷数外，还需要考虑一些其他开关规格。下面列出了一些比较常见的特性，但并不详尽。
尺寸：如前所述，开关有多种形状和尺寸。从比米粒还小的开关到大到无法用手移动的开关，其尺寸通常取决于预期的应用场所。在需要戴手套或微调困难的工业环境中，通常需要使用较大的开关，而紧凑型嵌入式设备通常需要尽可能小的开关。
默认状态：大多数开关都没有预定状态，但有些瞬动开关通常会呈现预先设定的状态，即常开 (NO) 或常闭 (NC)。
位数：该参数决定了单个设备中开关的数量。在某些情况下，这一概念可能会与“掷数”错误地混淆，但关键是要认识到，位数是指同一装置中的不同开关，每个开关都能独立致动。
安装：与其他电子元器件一样，开关也有多种安装配置。表面贴装和通孔开关通常为 PCB 上较小的开关，而面板安装和 DIN 导轨安装式开关往往较大。表面贴装和通孔安装的一个关键考虑因素是“间距”参数，即引线之间的间隔距离。对于通孔开关，间距特别重要，因为间距适当的话，可以配合试验板使用。
图 4：在试验板上使用通孔开关。（图片来源：CUI Devices）
致动：除了手动和电子致动外，开关还提供各种致动方法。包括用手或小型螺丝刀或工具致动。然而，最常见的是选择凸起或平坦的致动器平面。
额定电流和电压：开关的额定电压和电流范围很广，从几伏和几安到几百甚至几千伏和安。必须始终验证开关是否能满足指定应用的预期额定电流和电压。
环境因素：这通常是指用于表示开关防尘和防液体等级的侵入防护或 IP 等级。但有些开关可能具有更高的振动灵敏度或防破坏功能。
3. 机械开关的类型
下面提供的是机械操作和致动的开关类型，通常在较小、便携式或嵌入式系统中使用，但也并非完全如此。
DIP 开关：DIP开关可采用通孔或表面贴装封装，最常见的是 SPST 开关阵列。它们与试验板和成品完美配合，能够成为半永久选择。这类开关有琴键式、滑动式和旋转式，用于在设备中进行选项设置，尤其是在工业应用和开发套件中。DIP 开关比跳线提供的选项更多，而且方便用户使用，但不适合频繁调整。
图 5：DIP 开关示例图。（图片来源：CUI Devices）
旋转式 DIP 开关：这类开关是 DIP 开关的一个子集，采用旋转形式，用于选择不同的选项（通常为 4 到 16 位），配有平面或凸起旋钮。与线性 DIP 开关一样，这类也有通孔或表面贴装两种选择。不过，与线性 DIP 开关不同，它们可采用 BCD 或十六进制输出。虽然结构紧凑、使用方便，但只能提供单一输出，并不适合连续使用。
图 6：旋转式DIP 开关示例。（图片来源：CUI Devices）
滑动式开关：滑动式开关通常被视作电源开关，通过滑动致动器来操作。这类开关通常属于 SPST，可以频繁使用。有些开关有多个刀或掷，要想精确定位可能颇具挑战性。虽然这类开关的容量比 DIP 开关大，但功率仍然很低，通常以表面贴装或通孔方式安装在 PCB 上。有时，它们还可用作消费类电子产品中的 DIP 开关，更方便使用。不过，如何在方便使用和避免意外致动之间取得平衡是个难题。
图 7：滑动式开关示例。（图片来源：CUI Devices）
触摸开关：触摸开关为人熟知的特点是有明显的“咔哒声”，设计为小型瞬动按钮，适合低电压、低电流信号。这类开关虽电子功能一般，但坚固耐用，使用寿命长达数十万甚至数千万次。虽然通常为单刀类型，但也可以具有多掷和高 IP 等级。游戏控制器、遥控器、车库门等消费类电子产品以及各种工业应用都广泛使用了这类开关，充分表明它们因小巧耐用而广受欢迎。
图 8：触摸开关示例。（图片来源：CUI Devices）
摇臂开关：摇臂开关中间转动，在两个选项之间切换，一般不是瞬动开关。这类开关通常用作高压电路的电源开关，有些还带有 LED 或白炽灯泡照明，用于指示开关状态。它们的 IP 防护等级高，适用于恶劣环境。尽管因尺寸和功能导致成本略高，但其简单的接口和致动方式使其在消费类电子产品中大受欢迎。在工业环境中，它们可以作为拨动开关的补充，可能会设有外盖以防意外致动。
图 9：摇臂开关示例。（图片来源：CUI Devices）
按钮开关：按钮开关通常称为按钮或按键，具有简单的进出致动功能。这类开关可以是瞬动开关，形状各异，通常集成了 LED，用于照明或指示开关状态。可处理各种电压和电流，通常安装在印刷电路板或面板上。它们方便用户使用，适合经常有人的公共区域。按钮坚固耐用，防破坏且 IP 防护等级高，适用于电梯或地铁等恶劣环境。但与更简单、更小的按钮开关型号相比，这类开关的尺寸、LED 选项和材料可能会导致成本增加。
图 10：按钮开关示例。（图片来源：CUI Devices）
拨动开关：拨动开关因其操作杆加长而为人熟知，适合戴手套或电机微调控制受限的场合。突出的控制杆能更清楚地给出目视反馈，无需额外的 LED 指示灯，其动作幅度较大，可确保切换准确无误。这类开关有不同的刀数和掷数，但通常较少配置为瞬动开关。拨动开关因易于致动、反馈快速和安全集成而备受推崇，非常适合工业或科学应用。由于它们在飞机、控制仪器和医疗设备中是任务关键型应用，因此成本往往更高。
图 11：拨动开关示例。（图片来源：CUI Devices）
总结
开关是在电子和电气系统中发挥关键作用的基本元器件。本文全面概述了开关的主要方面，包括其类型、操作、应用和注意事项。无论是设计消费类电子设备还是从事复杂的工业项目，选择合适的开关都会对系统的功能性和可靠性产生重大影响。CUI Devices 拥有一系列开关解决方案，可随时满足各种开关需求。