מבוא
אחד ממרכיבי המעגל הבסיסי ולרוב מפוספס הוא מפסק.
מפסקים לא דורשים משוואות מהודרות. כל מה שהם עושים זה לבחור בין מעגל פתוח לבין קצר חשמלי. פשוט. איך היינו יכולים לחיות בלי כפתורים ומפסקים!? מה התועלת של מעגל שמהבהב בלי קלט ממשתמש? או רובוט קטלני בלי מפסק כיבוי בחרום? איך יראה העולם שלנו בלי הכפתור האדום שאסור בשום פנים ואופן ללחוץ עליו?
במדריך זה נעסוק בנושאים הבאים:
- מפסקים רגעיים ומוחזקים
- מה המשמעות של כל ה-SPST, SPDT, DPDT וכו'?
- מה ההבדל בין כפתורים "normally closed" ל-"normally open"?
- נראה הרבה תמונות יפות של כפתורים ומפסקים
- מאפיינים חשובים של מפסקים
- שימושים של מפסק
מדריכים מומלצים:
לפני שצוללים למדריך זה, וודאו שאתם שולטים במושגים הבסיסיים של אלקטרוניקה. אם אתם לא מכירים נושאים הבאים, מומלץ לקרוא את המדריכים שלהם לפני שתמשיכו:- מהו מעגל? במיוחד ההבדל בין מעגל סגור ופתוח
- מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם
- הספק חשמלי
- איך משתמשים ברב-מודד
- Binary - TODO
הנה דוגמאות של כמה מפסקים:
מחלקה של כל הכפתורים
מהו מפסק?
מפסק/מתג הוא רכיב השולט על פתיחה או סגירה של מעגל חשמלי. הם מאפשרים שליטה על מעבר זרם במעגל (בלי שצריך לחתוך או לחבר חוטים בצורה ידנית). מפסקים הם רכיבים קריטיים בכל מעגל שדורש התערבות של משתמש או שליטה.מפסק יכול להימצא באחד משני המצבים הבאים: פתוח או סגור. במצב כבוי - OFF, המפסק נראה כמו שער פתוח או פתח במעגל. וזה למעשה גורם למעגל להיות פתוח ולמנוע את זרימת הזרם.
במצב מופעל - ON, המפסק מתנהג כמו חתיכת חוט מוליך. קצר. זה סוגר את המעגל, מפעיל את המערכת ומאפשר לזרם לזרום ללא הפרעה דרך שאר המערכת.
דיאגרמה של מעגל עם לד, נגד ומפסק. כשהמפסק סגור, הזרם זורם והלד נדלק. אחרת הזרם לא זורם והלד לא מקבל מתח:
יש המון סוגים שונים של מפסקים: בורר, סיבובי, DIP, כפתור לחיצה, נדנדה, ממברנה… והרשימה רק נמשכת ונמשכת. לכל סוג מפסק יש סט מאפיינים הייחודיים לו ומבדיל אותו מאחרים. מאפיינים כמו למשל איזו פעולה הופכת את המתג, או בכמה מעגלים המפסק יכול לשלוט. בהמשך נעבור על כמה מאפיינים בסיסיים של המפסקים.
הגדרת מאפיינים
שיטת הפעלה
כדי לשנות את המצב מאחד לשני, המפסק צריך להיות מופעל - actuated. כלומר פעולה פיזית כלשהי צריכה להיות מופעלת על המפסק כדי לשנות את המצב שלו. שיטת הפעלה של מפסק זהו אחד המאפיינים המשמעותיים שלו.כמה דוגמאות של סוגי מפסקים: לחיצה, נדנדה, הזזה, ומגנטי.
ההפעלה של המפסק יכולה להגיע מלחיצה, הזזה, נדנוד, סיבוב, זריקה, משיכה, סיבוב מפתח, חימום, מגנוט, בעיטה, ליקוק… וכל פעולה פיזית אחרת שיכולה לגרום לחיבורים מכניים ליצור או להפסיק מגע.
רגעי או מוחזק
כל המפסקים מתחלקים לאחת משתי קטגוריות נפרדות: רגעי או מוחזק.מוחזק - Maintained, כמו מפסק האור על הקיר, נשאר באותו המצב עד שמופעל לעבור למצב אחר, ואז נשאר במצב זה עד שמופעל שוב. מפסקים כאלה נקראים גם כמתגים, או מפסק ON/OFF.
רגעי - Momentary נשארים מופעלים כל עוד מפעילים אותם. אם לא מפעילים אותם, הם שומרים על מצב הכבוי (OFF) שלהם. כרגע יש מולכם כנראה 50 מפסקים כאלה… הכפתורים של המקלדת!
קצת סמנטיקה: רוב המפסקים שאנחנו מכנים כ"כפתורים" שייכים לקטגוריה של המפסקים הרגעיים. הפעלת כפתור בדרך כלל אומר שלוחצים עליו בצורה כלשהי, מה שמרגיש כמו שליטה רגעית. יש דבר כזה כפתור מוחזק (כפתור ננעל), אבל במדריך זה אם אנחנו מזכירים "כפתורים", אנחנו מתכוונים ל"מפסק לחיצה רגעי".
צורת הרכבה
כמו עם רוב הרכיבים, סגנון החיבורים של מפסק תמיד מתכנס להרכבה על משטח (SMD - Surface Mount) או דרך חור (PTH). מפסקים שמורכבים דרך חור לרוב יהיו גדולים יותר פיזית. חלק יכולים להיות מתוכננים כך שיתאימו למטריצה כדי להקל על הפיתוח.כפתורים אלה שמיועדים להרכבה דרך חור מתאימים מצויין למטריצה. מעולה לפיתוח!
מפסקי SMD קטנים יותר מהמקבילים שלהם ל-PTH. הם שוכבים בצורה שטוחה על המעגל המודפס. מתגי SMD בדרך כלל דורשים מגע עדין, הם לא בנויים להתמודד עם הרבה כוח מיתוג כמו מפסקים המורכבים בחורים.
לכרטיס Arduino Pro יש שני מפסקים: מפסק הזזה לשליטה על המתח ולחצן לאיפוס.
מפסקים המורכבים על פנל מיועדים לבלוט מחוץ למארז וגם זו שיטת הרכבה פופולרית. יהיה קשה לשנות מתג כשהוא חבוי בתוך מארז. למפסקים המורכבים על פנל יש כל מני צורות חיבורים: PTH, SMD, או רגלי הלחמה גדולים להלחמת חוטים.
מפסק מיתוג מואר המורכב על פנל:
מאפיין חשוב נוסף של מפסקים, שמגיע לו פסקה משלו, הוא סידור החיבורים הפנימי של המפסק. האם אתם מחפשים מפסק SPST? DPST? 4PDT? מה?
קטבים ומצבים (Poles and Throws), סגורים ופתוחים
למפסק צריכים להיות לפחות שני חיבורים, אחד כדי שדרכו הזרם יכנס, והשני כדי שדרכו הזרם יצא. זה מתאר את הגרסה הפשוטה ביותר של המפסק. לרוב, למפסק יש יותר משני חיבורים. אז איך כל החיבורים האלה מסתדרים עם הפעולה הפנימית של המפסק? לכך חשוב לדעת כמה קטבים (Poles) ומצבים (Throws) יש למפסק.מספר הקטבים (Poles) של המפסק מציין את כמות המעגלים הנפרדים שהמפסק יכול לשלוט בהם. מפסק עם קוטב אחד יכול להשפיע על מעגל בודד. מפסק עם 4 קטבים יכול לשלוט על 4 מעגלים שונים.
מספר המצבים (Throws) של המפסק מציין לכמה מצבים כל קוטב (Pole) יכול להיות מחובר. לדוגמה, אם למפסק יש 2 מצבים, כל מעגל (קוטב/Pole) במפסק יכול להיות מחובר לאחד משני החיבורים.
מידע זה מצויין מפורשות לכל מפסק. בדרך כלל תראו הגדרות כמו:
"single-pole, single-throw",
"single-pole, double-throw",
"double-pole, double-throw",
שלרוב מקוצרים לתצורה של SPST, SPDT, ו-DPDT.
SPST
מפסק single-pole, single-throw SPST הוא הכי פשוט שיכול להיות. יש לו כניסה אחת ויציאה אחת. המפסק יהיה או סגור, או פתוח לגמרי. ה-SPST מצויינים בתור מפסק ON-OFF. הם גם תצורה מאוד נפוצה למפסקים רגעיים. למפסקים SPST יהיו רק שני מחברים.בתמונה: סימון סכמטי של מפסק SPST במצב פתוח ומפסק נדנדה SPST מוחזק להרכבה בחורים.
SPDT
סוג נפוץ נוסף של מפסק הוא SPDT. ל-SPDT יש שלושה חיבורים: אחד משותף ושני חיבורים שמתחרים על החיבור למשותף. ה-SPDT מעולה לבחירה בין שני מקורות מתח, החלפת כניסה, או כל דבר אחר שתעשו שבו יש שני מעגלים שהולכים למקום אחד. רוב מפסקי הזזה הפשוטים הם מסוג ה-SPDT. למפסק SPDT בדרך כלל צריכים להיות 3 חיבורים. (הערה: כשאין ברירה, אפשר להפוך מפסק SPDT ל-SPST ע"י השארת אחת היציאות לא מחוברות).בתמונה: סימון סכמטי של מפסק SPDT ומפסק הזזה.
DPDT
הוספת קוטב (Pole) נוסף ל-SPDT מייצר מפסק double-pole, double-throw - DPDT. למעשה אלה שני מפסקי SPDT, שיכולים לשלוט על שני מעגלים נפרדים, אבל תמיד ממותגים יחד ע"י אותה הידית. ל-DPDT צריכים להיות 6 חיבורים.בתמונה: סימון סכמטי של מפסק DPDT ומפסק נדנדה DPDT בעל 6 חיבורים:
XPYT
מפסקים עם יותר משני קטבים (Poles) או מצבים (Throws) לא כל כך נפוצים, אבל קיימים (עם כל התהילה של צורה מוזרה וקשה לחיבור). ברגע שעוברים את אחד או שניים קטבים/מצבים, פשוט מציבים מספר לראשי התיבות. הנה מפסק 4PDT לדוגמה, הוא יכול לשלוט על 4 מעגלים, 2 מצבים לכל מעגל:בתמונה: סימון מאסיבי של מפסק 4PDT ומפסק 4PDT מאסיבי פיזית:
Normally Open/Closed
כשכפתור רגעי לא מופעל, הוא במצב ה"רגיל" שלו (Normal state). תלוי בצורה בה הכפתור בנוי, המצב הרגיל שלו יכול להיות מעגל פתוח או סגור. כשהכפתור פתוח עד שמפעילים אותו, הוא מוגדר כ-Normally Open, או בקיצור NO. כשאתם מפעילים כפתור NO, אתם סוגרים את המעגל, זו גם הסיבה שמפסקים כאלה נקראים גם "לחץ לביצוע" (push-to-make).לעומת זאת, אם הכפתור מתנהג כקצר עד שמופעל, הוא מוגר כ-Normally Closed, או בקיצור NC. מפסקים NC נקראים גם "לחץ לשבירה" (push-to-break). הפעלה של המפסק גורמת לפתיחת המעגל.
מבין שני הסוגים כנראה שתתקלו יותר במפסקים רגעיים מסוג Normally Open.
מפסקים רגעיים (Momentary Switches)
מפסקים רגעיים הם מפסקים שנמצאים במצב הפעיל שלהם כל עוד הם מופעלים (לחיצה, החזקה, מגנוט וכו'). לרוב מפסקים רגעיים משמשים בצורה טובה לקלט מהמשתמש, מקרים כמו איפוס, כפתורים של מקלדת.דוגמאות של מפסקים רגעיים
לחצן
לחצנים הם מפסקי לחיצה הקלאסיים. בדרך כלל למפסקים כאלה יש צליל נחמד של "קליל" למשוב על הלחיצה עליהם. הם מגיעים בכל מני צורות: גדול, קטן, צבעוני, מואר (כשנורית לד מאירה דרך הכפתור). יכולים להיות להם חיבורים להלחמה דרך חורים, התקנה על הלוח (SMD) או אפילו התקנה על פנל.בתמונה: מבחר של מפסקי לחיצה. נתחיל משמאל למעלה בכיוון השעון: כפתורי ארקייד כחול וורוד, כפתור 12x12 מ"מ, כפתור עם כובע לבן, כתום מואר, בזווית של 90 מעלות, להתקנה על פנל, ומיני כפתור לחיצה.
מטריצות כפתורים
מערכים גדולים של כפתורים, כמו המקלדת שלכם, או קבוצות קטנות יותר כמו לוח מקשים של שער, בדרך כלל מסדרים את כל הכפתורים לתוך מטריצה גדולה. לכל כפתור על הלוח מוקצים שורה ועמודה. כל זה דורש טיפול נוסף בצד המיקרובקר, אבל בסופו של דבר גישה זו מפנה כמות גדולה של קווי הקלט.
אחרים
מפסקים רגעיים לא תמיד חייבים להיות מופעלים ע"י לחיצה למטה כמו בכפתורים. זו יכולה להיות גם הפעלה לצדדים, כמו התנועות ברוב ידיות הג'ויסטיק.
ג'ויסטיק מכונות משחקים משתמש ב-4 מפסקים כדי לחוש תנועות למעלה, למטה, שמאלה וימינה. הרכיב הקטן הזה שמורכב על המעגל הוא מפסק רגעי 5 כיווני, כלומר מפסק כיווני SP5T (למעלה, למטה, שמאלה ימינה ולחיצה על הידית).
בצד השני של הספקטרום, מפסקי ריד (Reed Switch) נפתחים ונסגרים כשנחשפים לשדה מגנטי. אלה מצויינים ליצירת מפסק ללא מגע.
בתמונה: זוג מפסקי ריד: עליון במארז פלסטיק, התחתון חשוף.
מפסקים מוחזקים
מפסק מוחזק (maintained switch) נשאר במצב שלו עד שהוא מופעל למצב חדש. תסתכלו על הקיר הקרוב כדוגמה למפסק מוחזק, הדבר הזה ששולט על האור שלכם בחדר. מפסקים מוחזקים מעולים לשימוש "תגדיר ותעזוב", כמו אספקת מתח.דוגמאות של מפסקים מוחזקים
מפסק הזזה
אם אתם צריכים מפסק ON/OFF בסיסי, או בורר בין מצבים, מפסק הזזה כנראה הוא הפתרון בשבילכם. למפסקים כאלה יש ידית קטנה בולטת, המחליקה על פני הגוף לאחד משני מצבים (או יותר).בדרך כלל תמצאו מפסקי הזזה בתצורה של SPDT או DPDT. חיבור המשותף הוא בדרך כלל באמצע וחיבורים של שני המצבים בקצוות.
כמה דוגמאות של מפסקי הזזה משמאל לימין: מפסק מיני להרכבה בחורים, SMD בזווית של 90 מעלות, מפסק הזזה SMD DPDT המורכב על מעגל LilyPad.
מתג/מפסק מיתוג
כשאתם שומעים מפסק מיתוג, תחשבו "תירה את הטילים!". למפסקי מיתוג יש ידית ארוכה שנעה בתנועת נדנוד. כשהם מועברים למצב חדש, מפסקי מיתוג משמיעים צליל מספק של נקישה.מכסה שיגור טילים היא תוספת חובה למפסק מיתוג.
מפסקי מיתוג בדרך כלל הם SPST (שני חיבורים), SPDT (שלושה חיבורים), אבל תוכלו למצוא אותם גם בתצורות אחרות. וכמו תמיד, תוכלו למצוא אותם להתקנה בחורים, הלחמה על מעגל, או כנראה נפוצים יותר להתקנה על פנל.
מפסקי DIP
מפסקי DIP הם מפסקים להרכבה בחורים המעוצבים באותה הצורה כמו השבבים. אפשר להרכיב אותם במטריצה באותה הצורה כמו שהייתם מרכיבים שבב DIP במרכז המטריצה.בתמונה: מפסק DIP עם 8 מצבים, שימושי להגדרת 8 יחידות של משהו.
מפסקים אלה מגיעים במערכים של כמות מסויימת של מפסקי SPST עם ידית הזזה קטנה. אלה היו פופולריים מאוד בתקופות הקדומות של מחשוב, אבל הם שימושיים גם היום להגדרה חומרתית של התקן כלשהו.
כפתורים ננעלים
לא כל הכפתורים הם רגעיים. חלק מהכפתורים ינעלו במקום, וישמרו על המצב שלהם עד שילחצו שוב כדי לחזור למצב הקודם שלהם. כפתורים כאלה אפשר למצוא למשל בהתקני אפקטים לגיטרות.
אחרים
בקושי התחלנו לכסות את המגוון העצום של מפסקים מוחזקים הקיימים בשוק. יש מפסקי שרשרת משיכה, שיכול להוסיף נגיעה קלאסית לפרוייקט שלכם. מפסק-מפתח, למקרים בהם אתם לא רוצים שכל אחד יוכל להפעיל את רובוט הרוצח שלכם. מפסקים סיבוביים, כמו הבורר שעל הרב מודד, מספק מנגנון קלט ייחודי, במיוחד כשאתם צריכים מספר גדול של מצבים.
וכמובן איזה מדען משוגע יוכל לחיות בלי מפסק סכינים גדול וישן?
שימוש במפסקים
שליטה בכיבוי והפעלה
אחד השימושים הברורים ביותר של מפסק זה השליטה הפשוטה בכיבוי והפעלה. סוג השליטה שאתם מבצעים כל פעם שאתם נכנסים לחדר חשוך. אפשר לממש מיתוג ON/OFF ע"י חיבור מפסק SPST בטור לקו המתח. בדרך כלל מפסקים כאלה יהיו מוחזקים, כמו מפסק מיתוג או מפסק הזזה, אבל גם למפסקים רגעיים יש מטרות משלהם.
על ספק כוח למטריצה הזה, מפסק SPDT משמש להפעלה וכיבוי של המעגל. מפסק SPDT נוסף משמש לבחירת מתח היציאה של מייצב המתח ע"י שינוי מחלק המתח.
כשמממשים מפסק כזה, זכרו שכל הזרם שהפרוייקט צורך יזרום דרך המפסק הזה. באופן אידיאלי מפסק הוא מוליך מושלם, אבל בחיים האמיתיים יש לו התנגדות קטנה בין שני המוליכים. בגלל התנגדות זו, לכל המפסקים יש הגדרה של זרם מקסימלי שהם יכולים לעמוד בו. תעברו את הזרם המקסימלי שמוגדר למפסק, תוכלו לצפות לפלסטיק מותך ועשן קסום.
לדוגמה, מפסק הזזה SPDT זה מעולה לשליטה על זרם בפרוייקטים קטנים (כמו משחק "סיימון אמר"), אבל אל תנסו להשתמש בו כדי לשלוט על בקרי מנוע שריריים, או רצועות עם 100 לדים. למטרה זו תשקלו להשתמש במפסק מיתוג של 2A או מפסק למנורה של 6A.
קלט מהמשתמש
כמובן, קלט מהמשתמש הוא אחד מהשימושים הנפוצים למפסקים. לדוגמה, אם אתם רוצים לחבר מפסק/כפתור לקו הכניסה של מיקרובקר, כל מה שדרוש זה מעגל פשוט כמו זה:
כשהמפסק שלכם פתוח, הכניסה של מיקרובקר מחוברת ל-5V דרך הנגד. כשהמפסק סגור, הכניסה מחוברת ישירות ל-GND. הנגד במעגל כזה הוא נגד pull-up, שדרוש כדי "למשוך" את הכניסה ל-"1" לוגי ולמנוע קצר לאדמה כשהמפסק נסגר.
לאן ממשיכים?
ובכן, זה בערך מכסה את הבסיס של מפסקים. כשלב הבא, תוכלו לחקור את המדריכים על המושגים הבאים:- נגדי Pull-up - נגדי Pull-up משלימים רוב המעגלים עם מפסקים רגעיים. הם שומרים שקווי המתח והאדמה לא יתקצרו, ושקווי הכניסה לא "יצופו".
- Transistors (TODO) - אלה יכולים לשמש (בין היתר) כסוג של מתג מבוקר אלקטרונית.
- Relays (TODO) - מתג נוסף שנשלט אלקטרונית. מעולה להדלקה וכיבוי של מעגלים בהספק גבוה.
- Accelerometer Basics - TODO - חיישני תנועה ומדי תאוצה, כמו אלה שברוב הטלפונים הסלולריים ובקרי משחק הוידאו החדשים, שמחליפים במהרה את המפסקים המשעממים כמקור קלט מהמשתמש.
- How to Power a Project - TODO - איזה סוג של מקור מתח המפסק שלכם ידליק ויכבה?
