מדריך מתגים

מתגים הם חלק‏ בלתי נפרד מאלקטרוניקה. כמעט בכל התקן אלקטרוני יש מתג, אם לא מספר מתגים. זה בגלל שכאשר משתמשים בהתקנים, ישנם בדרך כלל מספר אופני פעולה. אופנים מובנים מאליהם הם מצב מופעל (ON) ומצב מושבת (OFF), אך לעתים קרובות ישנן הגדרות הניתנות לכוונון. חלונות מכונית מבוקרים על ידי מתגים רגעיים שיכולים להעלות או להוריד חלונות. עמדות משחק משתמשות במתגים לבקרת המשחק. הרשימה של יישומי מתגים היא אין סופית בתעשיית האלקטרוניקה. כיום ישנם בשוק מספר סוגים שונים של מתגים ונשקלים באופן כללי מספר שיקולים כשבוחרים מתג. חלק מהשאלות החייבות להישאל הן כמה קטבים וכמה השלכות נדרשים, האם על המתג להישאר מוחזק או רגעי ומהם השיקולים החשמליים כגון דרוגי זרם ומתח מקסימליים? אני מקווה שמאמר זה יכול לשפוך קצת אור על עולם המתגים.

לפני שנדבר על כל סוג של מתג, יהיה טוב לעבור על המעגלים השונים הנמצאים בכל מתג. ישנם שני מונחים המשמשים לתאר את המעגל במתג. אלה הם “קוטב” (“pole”) ו-“השלכה” (“throw”). “קוטב” מתייחס למספר המעגלים שישנם במתג. מתג של‏ קוטב יחיד יהיה בעל מעגל פעיל אחד בכל פעם. המונח “השלכה” מתייחס למספר המצבים בהם ניתן לחבר את הקוטב. איור 1 מראה שרטוט מעגל של מתג קוטב יחיד, השלכה יחידה (SPST).‏

איור 1: שרטוט מעגל SPST.

מתג‏ SPST‏ יהיה בעל קוטב אחד; שימוש בתצורה זו נותן רק מעגל אפשרי אחד. הוא פתוח או סגור.  מתג קוטב יחיד יכול להיות פתוח-במצב-רגיל (NO) או סגור-במצב-רגיל (NC). כשסגור, זרם יכול לזרום דרך המתג; כשפתוח, זרם לא יכול לזרום. דמיין עתה שישנו מסלול אחד בלבד לזרימת הזרם בכל פעם,‏ אך יש שתי אפשרויות להיכן הזרם יכול לזרום. זה יהיה קוטב יחיד שתי השלכות (SPDT‏). איור 2 ממחיש נקודה זו.

איור 2: שרטוט מעגל SPDT.

שימוש בלוגיקה מסוג זה מקל על הבנת מתגים. דוגמה אחרת דומה ל-SPDT‏ היא‏ שני קטבים, שתי השלכות (DPDT). היא תיראה בדיוק כמו איור 2‏, אך עם שני קטבים במקום אחד. איור 3‏ ממחיש את המעגל של DPDT.

איור 3‏: שרטוט מעגל DPDT‏.

יש לזכור דבר אחד בנושא מתגים, שמספר מעגלים שונים יכולים לעבוד כדי להשיג תוצאה דומה. דוגמה אחת יכולה להיות מתג on/off פשוט ללא פונקציה רגעית. את זה ניתן להשיג עם מתג SPST או SPDT‏. קח לדוגמה את ה-GRS-2011-2019 מבית CW Industries. להתקן זה יש שני הדקים בתחתיתו שסינונימי עם מתג SPST. כשהמתג נמצא במצב אחד ההדקים יהיו מחוברים וזרם יכול לזרום. כשהמתג נמצא במצב האחר ההדקים לא יהיו מחוברים וזרם לא יכול לזרום. אם נקח מתג SPDT כמו ה-GRS-2013A-2000 במקום SPST‏, הם יוכלו להשיג את אותו הדבר. פשוט, זה יהיה כרוך בשימוש בשני הדקים בלבד והשארת ההדק השלישי פתוח. זה נוח עבור מצבים בהם דרוש מתג ‏SPST פתוח-במצב-רגיל (NO) או סגור-במצב-רגיל (NC). מתג SPDT‏ יכול להיות כל אחת מאפשרויות אלו. בהסתכלות אחורה על SPDT‏, חשוב גם להבין את הפונקציה של המתג. מתג‏ SPDT‏ יכול להיות בעל שני מצבים או שלושה מצבים עבור המפעיל (Actuator). כדי להסביר את זה, חשוב על מתג שהוא ‏ON-OFF-ON. זה נפוץ עבור יישומי מנוע בהם המנוע יכול להסתובב בכיוון אחד, אחר כך לעצור ואחר כך להסתובב בכיוון השני. מתג‏ SPDT‏ יכול לעשות זאת, אך לא כל מתגי ה-SPDT‏. ה-GRS-2013A-2000‏ הוא מתג ON-OFF-ON, כך שיהיה אפשרי למתג זה לבצע פעולה זו. ה-D508J12S205QA מבית C&K לא יהיה מסוגל להשיג את זה; הוא מתג ON-MOM. זאת אומרת שהמתג יהיה בדרך כלל במצב ON ויכול לעבור רגעית למצב OFF. יישום בו זה ניתן לשימוש יכול להיות המסועים בתור הצ'ק-אאוט בחנות המכולת. פשוט, על ידי חיבור חוטים הפוך, המנוע לא יניע את המסוע עד ללחיצה על המפעיל (Actuator). כשהמפעיל (Actuator) נלחץ יהיה מגע רגעי במתג וזרם יהיה מסוגל לזרום. עם שחרור המפעיל, המתג חוזר לפוזיציית OFF הנורמלית וזרם מפסיק לזרום.

מאפיינים חשמליים גם כן חשובים לזכור כשבוחרים מתג. אם‏ מעגל דורש 50 אמפר, מתג המדורג 10 אמפר לא יעבוד. תמיד חשוב להסתכל על דרוגי מתח וזרם של מתג. קיימת גם‏ הבחנה בין מתחי וזרמי AC‏ לעומת DC‏. לעיתים קרובות יצרנים יציינו דרוגים של שניהם, אבל לא תמיד. כשמעריכים‏ דרוג מתח של מתגים, ראה מה היצרן מציין עבור סוג המתח. אם דרוג נוקב ב-‎125 V_AC, אז הוא מציין מתח AC. אם הדרוג נוקב ב-‎125 V, אז הוא מציין מתח DC. לשון דיבור זה יופיע בגיליון הנתונים או השרטוט של המוצר. באתר DigiKey ניתן לעשות הבחנה ‏נוספת. למוצר ה-PS1024ARED מבית E-Switch יש דרוג‏ AC‏; עם זאת, DigiKey‏ מציינת במקוון 125‎ V‎‏. זה מכיוון שהעמודה של אותו דרוג היא עבור "Voltage Rating – AC". איור 4‏ מראה את זה מאתר האינטרנט של DigiKey‏ ואיור 5‏ מראה את הדרוג על ה-PS1024ARED.

איור 4‏: מאפייני מוצר עבור PS1024ARED.

איור 5: רישום של מפרטים חשמליים PS1024A.

משהו שאינו ניכר באתר האינטרנט של DigiKey, אך ‏ברור מהערות הרישום הוא שישנם שני דרוגים שונים עבור מתג זה. הדרוג הראשון הוא 3‎ A ב-‎125 V_AC,‏ והדרוג השני הוא ‎1.5 A ב-‎250 V_AC. כיצד זה יתכן שיהיו שני דרוגים לאותו המתג? זה מכיוון שהספק הוא פונקציה של מתח וזרם. שני הדרוגים האלה נושאים את אותו דרוג הספק. אם נציב את המספרים הבאים לחישוב דרוג ההספק נקבל את אותה התוצאה.

לעיתים קרובות למתג יהיה דרוג AC בלבד ללא דרוג DC. ישנו כלל אצבע שניתן להשתמש בו כדי לקבוע את דרוג ה-DC‏ עבור מתג AC. ללא קשר לדרוג הזרם הגבוה ביותר של המתג, הזרם ישאר אותו דבר ומתח ה-DC יוגדר כ-30 וולט. ל-PS1024A יש שני דרוגים, 3‎ A ב-‎125 V_AC ו-‎1.5 A ב-‎250 V_AC. כלל זה משמעותו שהמתג יכול לקבל את דרוג ה-A‏ 3‏ ולהשתמש בו עד ‎30 V_DC. זהו כלל כללי הנלקח מ-Carling Technologies ונקרא "כלל האצבע של DC”. לעיתים קרובות למתגים יהיה גם דרוג כוח סוס. זה מכיוון שעומסים השראותיים יכולים להיות בעלי זרמי התנעה (inrush currents) גבוהים מאוד. דרוג ה-HP ינתן עבור מתגים שמשתמשים בהם עם מנועי AC. זה אינו אומר שלא ניתן להשתמש באחד מהמתגים האלה עם התקנים אחרים, אך זו הסיבה מדוע דרוג זה מופיע על המתג.

מתג לחצן

סוג אחד של מתג הוא מתג הלחצן. מתגים אלה יהיו בעלי מפעיל (Actuator). ניתן גם להתיחס למפעיל (Actuator) כאל כפתור, אם משתמשים בשפה פחות פורמלית. מתגים אלה יורכבו לעתים קרובות בפנל או על גבי לוח. איור 6‏ מדגים את ה-KB16CKW01-5F-JF מבית NKK Switches.

איור 6‏: KB16CKW01-5F-JF.

נקודה‏ מעניינת אודות KB16CKW01-5F-JF היא מספר ההדקים שיש לו. זהו מתג SPDT‏ שצריכים להיות לו 3 הדקים בלבד, אך להתקן זה יש ‏5‏ הדקים. זה בגלל שהתקן זה מואר. מתגים רבים מוארים ויהיה להם מתח הארה נומינלי. למתג ספציפי זה יש מתח הארה של ‎2.1 V_DC. התעוד מציין שהדק מספר 2 הוא ההדק המשותף ונורית ה-LED תוזן מהדקים (+) L ו-(-) L כמתואר באיור 7‏.

איור 7‏: תעוד KB16CKW01-5F-JF.

לעיתים קרובות, בתחתית דף המוצר של מתגים תהיה רשימת אביזרים. התבוננות בתחתית דף המוצר של ה-KB16CKW01-5F-JF באתר האינטרנט של DigiKey‏ ניתן לראות ארבעה אביזרים שבאים עם המתג.

ניתן למצוא אביזרים אלה בתחתית הדף של ה-KB16CKW01-5F-JF באתר האינטרנט של DigiKey‏, או בתעוד גיליון הנתונים של הסדרה. לעיתים קרובות יצרנים ייצרו סידרה שלמה של מתגים. זו קבוצה של מוצרים קנייניים ההולכים ביחד. ה-KB16CKW01-5F-JF תוכנן במיוחד להתאים לאביזרים מסוימים המצוינים בתעוד. ניתן למצוא את אביזר המגן ההגנתי (protective guard) בעמוד D34 של גיליון הנתונים של הסדרה. איור 8‏ מדגים את המגן ההגנתי ביחד עם מק"ט ההזמנה שלו, AT494.

איור 8‏: תעוד עבור KB16CKW01-5F-JF.

לעתים קרובות יצרני מתגים שמים סדרה שלמה על גיליון נתונים אחד כי חלק מהשינויים מחלק אחד למשנהו יכולים להיות טריוויאליים. לעתים קרובות המק"טים השונים יהיו רק שינוי בצבע.‏ אביזר ה-LED ‏AT635F‏ הוא דוגמה טובה לזה. בתעוד יהיה רשום רק המספר AT635 כאופציה. למוצר המוזכר למעלה יש סיומת “F‏”. איור 9‏ מראה את תרשים ההזמנה המציין את סיומת ה-“F” כ-LED ירוק. בצד שמאל של תרשים ההזמנה נמצא מספר ה-LED הבסיסי AT635. בעמודה האמצעית ישנן אופציות של אדום, ענבר וירוק. המסגרת המסווגת "ירוק" מסומנת מתחת כ-5F. זה אומר שעבור ה-AT635F, ה-LED יהיה ירוק.

איור 9‏: תעוד עבור KB16CKW01-5F-JF.

מתג טקטילי

מתגים טקטיליים דומים למתגי לחצן, אך הם בדרך כלל הרבה יותר קטנים. דמיין נתב‏ אישי ביתי שיש לו מתג איפוס. המתג בדרך כלל שקוע בפלסטיק כך שלא ניתן ללחיצה באופן מקרי. בדרך כלל כדי ללחוץ סוג זה של מתג דרוש שימוש במהדק נייר או קיסם‏. סוגי מתג אלה יהיו בדרך כלל מתגים טקטיליים, מתגים רגעיים ולא ישמשו בדרך כלל כמתג ON או OFF. לעיתים קרובות מתגים אלה ישמשו לאיפוס משהו, ספירת משהו, עצירת משהו או כל פונקציה בעלת אופי דומה. הם יהיו בדרך כלל בעלי דרוגי מתח וזרם נמוכים מאוד. ה-MJTP1230 מבית .Apem Inc‏ הוא‏ דוגמה‏ של מתג טקטילי. מתג זה הוא‏ SPST-NO, או קוטב יחיד השלכה יחידה פתוח-במצב-רגיל (NO). המשמעות של זה הוא שזרם לא יכול לזרום דרך מתג זה עד ללחיצה על המפעיל (Actuator). עם שחרור המפעיל, המתג יפתח שוב באופן אוטומטי ולא יוכל לזרום זרם. איור 10‏‏ הוא המחשה של ה-MJTP1230.

איור 10‏: MJTP1230.

ישנן ארבע רגליים למתג זה. לעיתים קרובות זה יהיה המקרה עם מתגים טקטיליים. זה לא בגלל שישנם שני מעגלים נפרדים שניתן לחברם, אלא בגלל שהוספת שתי רגליים נוספות מוסיפה תמיכה פיזית למתג כשהוא מולחם על גבי לוח. שתי הרגליים בצד אחד יהיו מחוברות באופן קבוע ללא קשר לפוזיציית המתג. הצד השני של המתג יפעל לפי אותו כלל כך שהרגליים הן תמיד מחוברות. כשהמפעיל (Actuator) נלחץ, יש המשכיות בין שני חצאי המתג. עד כמה שזה נוגע למעגל המדובר, מתג זה יתנהג לפי השרטוט באיור 1.

מתגי DIP

מתגי DIP הם מתגים שהם ב-"Dual Inline Package”. הם מתוכננים להיות מסוגלים להתאים בלוח Breadboard‏. מתגים אלה יהיו אוסף של מתגי SPST‏ קטנים. דוגמה לשימוש במתגים אלה היא בקרת DMX עבור תאורת במה. לכל גוף תאורה תהיה כתובת‏ שניתן לשייך אליו. באורות מבוקרים DMX מודרניים, זה ניתן לתכנות על ידי מיקרו-בקר ופשוט להזיז מספר למעלה או למטה על תצוגה. באורות מבוקרים DMX ישנים יותר, יהיה מתג DIP שיהיה ניתן לשינוי כך שיתן את הכתובת הבינרית הנכונה לגוף התאורה המסוים. מתגים מסוגים אלו מורכבים לעתים קרובות על משטח או בחור-עובר, אך קיימות גם אופציות של הרכבה-בפנל. איור 11‏ ממחיש את ה-208-4,‏ מתג DIP מבית CTS Electrocomponents.

איור 11: 208-4.

מתג נדנדה

מתגי נדנדה גם כן נפוצים מאוד בשוק‏. לסוג זה של מתג יש מפעיל (Actuator)‏ קעור המתנדנד הלוך חזור מכל פוזיציה. מתגי ON/OFF הם נדנדות עבור אלקטרוניקה לצרכנים. אלה יהיו בדרך כלל מורכבים בפנל, אך יכולים להיות מורכבים ישירות על לוח גם כן. איור 12‏ מציג את ה-CRE22F2BBRLE מבית ZF Electronics‏.

איור 12‏: CRE22F2BBRLE.

מתג זה הוא מתג‏ SPST‏ כך שהוא יידלק וייכבה בלבד. במתג זה קיים הדק אמצעי כי הוא מואר. מתגי SPST‏ עם תאורה בדרך כלל יהיו בעלי שלושה הדקים. ההדקים החיצוניים יהיו אחראים לאפשר לזרם לזרום ממקור להארקה. ההדק האמצעי משמש עבור התאורה. כשהמתג פתוח, לא יכול לזרום זרם דרך התאורה. כשהמתג סגור, יזרום זרם מהמקור, דרך התאורה, להארקה.

דבר נוסף לשים אליו לב במתג נדנדה הוא הגודל הפיזי בפועל של ההדק. מתגי נדנדה מורכבים לרוב בפנל כך שהסיומת שלהם לרוב היא חוטים בדידים המשתמשים בהדקים בסגנון חיבור מהיר. ל-CRE22F2BBRLE יש הדקים שהם ברוחב "0.25. זה נקרא באתר האינטרנט של DigiKey תחת מאפייני המוצר “סגנון סיומת” (“Termination Style”). מידות נפוצות של הדקים הן ”0,110, ”0,187 ו-”0,250. חיבורים מהירים עבורם ניתן למצוא בעמוד “הדקים – חיבורים מהירים, מחברי ניתוק מהיר” באתר האינטרנט של DigiKey‏.

מתג הגבלה חילוף-מגעים-מהיר (Snap Action)

לעיתים קרובות בייצור יש צורך במתג למניית דברים. דמיין קו‏ ייצור שעליו לספור כמה מוצרים עברו דרכו בנקודה מסוימת. המוצר שוקל משקל מסוים ומסוגל להפעיל מתג. יישום זה יכול להשתמש במתג שרק צריך לזוז קצת כדי לספור משהו. ה-D2VW-5L2-1HS מבית Omron‏ הוא דוגמה של מתג הגבלה חילוף-מגעים-מהיר (Snap Action) שניתן להשתמש בו כדי לבצע משהו כזה. איור 14‏ מראה כיצד ל-D2V2-5L2-1HS יש זרוע ‏מוארכת שניתן להשתמש בה בתהליך כזה.‏

איור 13: D2VW-5L2-1HS.

ישנם מתגי הגבלה חילוף-מגעים-מהיר (Snap Action) שהמעגלים שלהם דומים למעגל מתג ON/OFF; רובם יהיו רגעיים. מאוד נפוץ למצוא מתגי הגבלה חילוף-מגעים-מהיר SPST-NO או SPST-NC‏. ‏טריק יפה שהוזכר מקודם הוא השימוש במעגל ‏SPDT‏ במקום ה-SPST הפתוח-במצב-רגיל (NO) או הסגור-במצב-רגיל (NC)‏. זהו טריק טוב כי אם היישום דורש מתג פתוח-במצב-רגיל (NO) או סגור-במצב-רגיל (NC), המתג יהיה מסוגל לבצע את המשימה.

האביזר הנפוץ ביותר עבור מתג מגביל חילוף-מגעים-מהיר (Snap Action) הוא זרוע המפעיל (Actuator)‏. לעיתים יהיה עליהן גלגל קטן, לפעמים רק פס שטוח, ישנם מספר סוגי תצורה שונים. איור 14‏ ממחיש מספר סגנונות מפעיל (Actuator) עבור סדרת ה-D2VW.

איור 14‏: סגנונות מפעיל (Actuator).

מתג Toggle

מתגי Toggle הם סגנון נפוץ נוסף של מתג. מתגים אלה לרוב יורכבו בפנל, כמו מתגי הנדנדה. מתגים אלה ניתנים לשימוש עבור פונקציות רגעיות, אך בדרך כלל משמשים עבור פונקציות מוחזקות. אופיינית הם בעלי מפעיל (Actuator) הדומה למחבט בייסבול ותותב מתוברג עבור מטרות הרכבה בפנל. איור 15‏ מראה את ה-200MSP3T1B1M2QEH מבית E-Switch.

איור 15: 200MSP3T1B1M2QEH

אביזרים נפוצים עבור מתגי Toggle הם דסקיות נעילה ואומים משושים עבור הרכבה. בדרך כלל ניתן למצוא אותם בתחתית דף המוצר באתר האינטרנט של DigiKey באזור "מוצר נלווה" (“Associated Product”). ל-200MSP3T1B1M2QEH יש את שניהם רשומים בדף המוצר כמתואר באיור 17.

איור 16‏: דסקית נעילה ואום משושה נלווים.

אביזרים נפוצים אחרים עבור מתגי מגע הם כיסויי ומגפי (Boot) בטיחות. איורים 18 ו-19 ממחישים אביזרים אלה בהתאמה. כיסוי הבטיחות הוא‏ אביזר עבור ה-GTS447A101HR מבית CW Industries והמגף (Boot) הוא אביזר עבור ה-M2012SS1W01 מבית NKK Switches.

איור 17‏: כיסוי בטיחות עבור GTS447A101HR.

איור 18: מגף עבור M2012SS1W01.‏

מתג סיבובי

לעיתים קרובות יש צורך במתג שיכול לבחור בין מספר אופני פעולה. יישומים אלה יכולים לפעמים לדרוש מתג סיבובי. מתגים אלה יהיו בעלי קוטב אחד או מספר קטבים (poles), אך לרוב יהיו בעלי לא מעט השלכות (throws). ה-C7D0124N-C מבית Electroswitch‏ הוא דוגמה של מתג‏ סיבובי. זהו מתג SP24T. זה אומר שישנן 24 אפשרויות שונות לזרם לזרום דרכו, אך הוא יזרום רק דרך השלכה אחת בכל פעם. אביזרים נפוצים עבור מתגי סיבוב הם כפתורים, לוחיות חיוג, דיסקיות נעילה ואומים משושים. בדומה למוצרים הקודמים, אביזרים אלה יכולים בדרך כלל להימצא תחת לשונית “מוצר נלווה” (“Associated Product”) באתר האינטרנט של DigiKey. איור 19 ממחיש את ה-C7D0124N-C.

איור 19: C7D0124N-C.

הבחנה נוספת שניתן לעשות למתג סיבובי היא באם הוא "מחבר-לפני-שמנתק" או "מנתק-לפני-שמחבר". לשון דיבור אחרת הניתנת לשימוש כדי לתאר את זה היא "מקצר" או "לא מקצר". המונח “מקצר” מתייחס ל“מחבר-לפני-שמנתק”. זה אומר שכאשר המתג נע מפוזיציה אחת לאחרת, אף פעם אין מצב של מעגל פתוח. במתג יהיו זמנית שני מעגלים אקטיביים עד שעובר במלואו לפוזיציה המבוקשת. ה-212T0111S332RA מבית CTS Electrocomponents הוא דוגמה של מתג‏ סיבובי "מחבר-לפני-שמנתק". ההפך מזה הוא “לא מקצר” או “מנתק-לפני-שמחבר”. זה אומר שהמעגל הראשון יתנתק לגמרי לפני שהמתג נמצא במצב עבור המעגל החדש שלו. ה-KC52A30.001NPS מבית E-Switch הוא דוגמה של מתג‏ סיבובי "מנתק-לפני-שמחבר".

מתג מנעול-מפתח

מתגי מנעול-מפתח הם צורת מתג נפוצה מאוד. מתנע‏ רכב הוא דוגמה של מתג OFF-ON-MOMENTARY. כשמפתח מוכנס במתנע רכב, המתג נמצא במצב ON, אך לא יעשה דבר במצב ON עד להתנעת הרכב. המצב הרגעי (MOMENTARY) הוא מה שמתניע את הרכב, נקודה בה המפתח מוחזר למצב ON. כדי לכבות את הרכב, דרוש לסובב את המפתח למצב OFF. דוגמה למתג מנעול-מפתח הוא ה-84829-07 מבית Honeywell Sensing and Productivity Solutions‏ המתואר באיור 20‏.

איור 20: 84829-07.

מסקנה

כיום ישנם בשוק סוגים רבים ושונים של מתגים. הם כולם עובדים להשיג את אותה תוצאה, חיבור מעגלים. ישנן פונקציות מתג מוחזקות ורגעיות. מתג‏ עם פונקציית אחזקה‏ יחזיק את המצב שלו עד שיוזז ידנית. ולהפך, מתג עם פונקציה רגעית יחזור אוטומטית למצב ברירת-המחדל שלו. היישום יקבע את סוג המתג הדרוש. מעגל המתג, יחד עם פרמטרים פיזיקליים כגון זרם ומתח מקסימליים מותרים, יהיו בין הגורמים החשובים ביותר בבחירת מתג. סגנון המתג יכול להיות ניתן להחלפה; מעגל‏ אלקטרוני יעבוד היטב עם מתג Toggle‏ כמו שיעבוד עם מתג נדנדה (Rocker). סגנון המתג ייקבע בגדול על ידי ההעדפות האישיות של המהנדס, והסביבה בה ימוקם המתג.