Công tắc là gì?
Một công tắc là linh kiện điện có thể tạo hoặc ngắt mạch điện tự động (hoặc) thủ công.
Công tắc chủ yếu hoạt động theo cơ chế BẬT (closed) & TẮT (open). Nhiều mạch có công tắc để ảnh hưởng đến cách mạch hoạt động hoặc kích hoạt một số đặc tính nhất định của mạch.
Các đặc tính của công tắc
- Ứng dụng quyết định loại công tắc: gạt (toggle), nhấn (push-button), xoay (rotary), lưu lượng (flow), hoặc hành trình/giới hạn (limit).
- Số mạch công tắc điều khiển (số cực – poles) & số vị trí/ngõ ra nó có thể kết nối (số ngả – throws).
- Độ bền và độ dẫn điện phụ thuộc vật liệu tiếp điểm, thường là bạc, vàng, hoặc đồng.
- Dòng điện và điện áp tối đa an toàn của công tắc.
- Lực cần thiết để kích hoạt (hoặc) gạt công tắc.
- Số lần thao tác công tắc có thể chịu được trước khi hỏng.
- Số lần đóng cắt tải điện mà công tắc thực hiện được trước khi hỏng.
- Kiểu lắp đặt: lắp bảng (panel-mount), gắn bề mặt (surface-mount/SMT), hoặc xuyên lỗ (through-hole/THT).
- Khả năng thích nghi môi trường như chống nước, chống bụi, chịu nhiệt độ khắc nghiệt.
- Kích thước và thiết kế ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và tích hợp vào mạch/thiết bị.
Nhìn chung, có 2 loại công tắc dùng trong mạch điện:
- Công tắc cơ khí (Mechanical switches)
- Công tắc điện tử (Electronic switches)
Công tắc cơ khí
Công tắc cơ khí được phân loại theo kiểu kết nối mà chúng tạo ra.
Hai khái niệm quan trọng xác định loại kết nối của một công tắc là:
- Cực (Pole)
Số cực cho biết công tắc điều khiển bao nhiêu mạch. Công tắc một cực (SP) điều khiển một mạch. Công tắc hai cực (DP) điều khiển hai mạch độc lập. Số cực (poles) biểu thị số lượng mạch khác nhau do công tắc điều khiển. - Ngả (Throw)
Số ngả cho biết mỗi cực của công tắc có thể kết nối với bao nhiêu ngõ ra từ ngõ vào. Công tắc một ngả (ST) là công tắc bật/tắt cơ bản. Khi BẬT, dòng điện chạy giữa hai đầu cực của nó.
Khi TẮT, các đầu cực không nối với nhau nên không có dòng điện. Số ngả (throws) biểu thị số vị trí khác nhau mà công tắc có thể có.
Công tắc một ngả chỉ có một cặp tiếp điểm có thể đóng hoặc mở. Công tắc hai ngả có thể liên kết đến hai tiếp điểm khác, ba ngả đến ba, v.v.
Các loại công tắc cơ khí
Các loại cơ bản gồm:
- SPST – Single Pole Single Throw (Một cực, một ngả)
- SPDT – Single Pole Double Throw (Một cực, hai ngả)
- DPST – Double Pole Single Throw (Hai cực, một ngả)
- DPDT – Double Pole Double Throw (Hai cực, hai ngả)
- Công tắc áp suất (Pressure switches)
- Công tắc gạt (Toggle switch)
- Công tắc hành trình/giới hạn (Limit switch)
- Công tắc phao (Float switches)
- Công tắc lưu lượng (Flow switches)
- Công tắc nhấn (Push button switch)
- Công tắc nhiệt độ (Temperature switches)
- Công tắc cần điều khiển (Joystick switch)
- Công tắc xoay (Rotary switches)
Các mục dưới đây trình bày tóm tắt:
1) SPST – Single Pole Single Throw (Một cực, một ngả)
- SPST là công tắc bật/tắt đơn giản, kết nối hoặc ngắt hai đầu cực.
- Công tắc SPST dùng để đóng/ngắt nguồn của một mạch.
- Các công tắc này thường là kiểu gạt (toggle).
- Công tắc có tiếp điểm đầu vào và đầu ra.
- Sơ đồ công tắc đèn cơ bản cho thấy nó điều khiển một dây (một cực) và tạo một kết nối (một ngả).
- Đây là công tắc bật/tắt; khi công tắc đóng hoặc BẬT, dòng điện chạy qua các đầu cực và bóng đèn sáng.
- Khi công tắc mở hoặc TẮT, không có dòng điện chạy qua mạch.
2) SPDT – Single Pole Double Throw (Một cực, hai ngả)
- Công tắc này có một đầu vào và hai đầu ra.
- Nghĩa là nó có hai vị trí BẬT và một vị trí TẮT.
- Trong hầu hết các mạch, công tắc này đóng vai trò chuyển mạch, kết nối đầu vào tới một trong hai lựa chọn đầu ra.
- Tiếp điểm thường đóng (NC) mặc định nối với đầu vào, trong khi tiếp điểm thường mở (NO) được nối trong thao tác BẬT.
3) DPST – Double Pole Single Throw (Hai cực, một ngả)
- Công tắc này có 4 đầu cực: 2 đầu vào & 2 đầu ra.
- Hoạt động như hai công tắc SPST độc lập đóng cắt đồng thời.
- Chỉ có một trạng thái BẬT, nhưng có thể kích hoạt cả hai tiếp điểm cùng lúc, nối mỗi đầu vào với đầu ra tương ứng.
- Ở vị trí TẮT, cả hai công tắc đều ở trạng thái mở.
- Công tắc này điều khiển hai mạch đồng thời.
- Các công tắc này cũng có thể dùng tiếp điểm thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC).
4) DPDT – Double Pole Double Throw (Hai cực, hai ngả)
- Công tắc Dual-ON/OFF với hai vị trí BẬT (ON); có 6 đầu cực: 2 đầu vào và 4 đầu ra.
- Hoạt động như hai công tắc SPDT khác nhau vận hành đồng thời.
- Ở một vị trí, 2 tiếp điểm đầu vào được nối tới cùng cặp tiếp điểm đầu ra; ở vị trí khác, chúng được nối tới cặp tiếp điểm đầu ra đối diện.
5) Công tắc áp suất (Pressure Switch)
- Trong môi trường công nghiệp, công tắc này thường dùng để giám sát áp suất trong hệ thống khí nén và thủy lực.
- Dựa trên dải áp suất cần theo dõi, chúng được phân loại thành kiểu pít-tông, ống xếp kim loại (metal bellows) và màng (diaphragm).
- Mỗi loại cảm biến áp suất sẽ kích hoạt chuỗi kết nối một cực (SP) hoặc hai cực (DP).
- Ký hiệu công tắc áp suất thường là nửa hình tròn với phần phẳng gắn với một đường.
- Có thể thiết lập ở dạng thường đóng (NC) hoặc thường mở (NO).
6) Công tắc gạt (Toggle Switch)
- Công tắc gạt được điều khiển bằng tay gạt, cần gạt, hoặc cơ cấu lắc; thường dùng để điều khiển đèn.
- Tay gạt của các công tắc này thường có thể cấu hình theo nhiều kiểu, bao gồm SPDT, SPST, DPST và DPDT.
- Có thể chịu dòng lớn (tới 10 A) hoặc dòng nhỏ.
- Công tắc gạt có nhiều cấp, kích thước và kiểu dáng để phù hợp với đa dạng ứng dụng.
- Vị trí BẬT (ON) có thể là bất kỳ vị trí của tay gạt, tuy nhiên hạ xuống thường được coi là BẬT/đóng mạch (closed).
7) Công tắc hành trình/giới hạn (Limit Switch)
- Thiết kế để hoạt động dựa trên sự có/không có của chi tiết hoặc chuyển động của thiết bị, không phải do tác động tay người.
- Dùng tay cần kiểu “bumper” (tay chạm/cò chạm) phản ứng khi một chi tiết tác động vào nó, từ đó làm đổi vị trí các tiếp điểm của công tắc.
8) Công tắc phao (Float Switches)
- Chủ yếu dùng để điều khiển bơm động cơ DC & AC theo mực nước/chất lỏng trong hố thu (sump) hoặc bồn/tank.
- Công tắc kích hoạt khi phao trong bồn tăng hoặc giảm theo mực nước.
- Các tiếp điểm điện sẽ mở/đóng nhờ cụm thanh (rod)/chuỗi (chain) và quả đối trọng nổi.
Loại bóng thủy ngân (mercury bulb) là một dạng công tắc phao không có thanh phao hay chuỗi. - Bên trong bóng có tiếp điểm chứa thủy ngân; khi mực chất lỏng thay đổi, trạng thái tiếp điểm cũng thay đổi.
- Có hai dạng: thường đóng (NC) và thường mở (NO).
9) Công tắc lưu lượng (Flow Switches)
- Chủ yếu dùng để phát hiện lưu lượng không khí hoặc chất lỏng qua ống gió hoặc đường ống.
Với không khí, thường dùng cơ cấu snap-action của công tắc vi (microswitch). - Một cánh tay kim loại gắn microswitch; trên cánh tay này gắn tấm kim loại hoặc nhựa mỏng.
- Khi luồng khí lớn đi qua tấm kim loại/nhựa, cánh tay sẽ dịch chuyển và kích hoạt tiếp điểm của công tắc.
- Với chất lỏng, có bản paddle đặt vuông góc trong đường ống; khi dòng chất lỏng tác dụng lực lên paddle, vị trí tiếp điểm sẽ thay đổi.
- Ký hiệu công tắc dùng cho lưu lượng khí và lưu lượng chất lỏng thường giống nhau; lá cờ/flag trên ký hiệu cho thấy paddle nhận biết chuyển động/lưu lượng của chất lỏng.
- Ngoài ra, các công tắc này cũng có cấu hình thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC).
10) Công tắc nhấn (Push Button Switch)
- Là công tắc tiếp xúc tạm thời (momentary): nối hoặc ngắt khi tác dụng lực/nhấn nút.
- Thông thường, lực được tạo bởi ngón tay nhấn nút.
- Khi thôi tác dụng lực, nút sẽ trở về vị trí bình thường.
- Lò xo bên trong điều khiển hai trạng thái của nút: nhấn & nhả.
- Gồm tiếp điểm cố định và tiếp điểm di động; tiếp điểm cố định nối nối tiếp với mạch cần đóng cắt, còn tiếp điểm di động gắn với nút nhấn.
- Phân loại push button gồm thường mở (NO), thường đóng (NC), và nhấn kép/hai tác động (double action) như minh họa.
- Nút nhấn hai tác động thường dùng để điều khiển hai mạch điện.
11) Công tắc nhiệt độ (Temperature Switches)
- Thanh lưỡng kim (bimetallic strip) – dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt – là phần tử phát hiện nhiệt phổ biến nhất.
- Hai kim loại khác nhau, mỗi loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, được ghép thành thanh lưỡng kim.
- Khi nhiệt độ làm thanh cong/biến dạng, tiếp điểm công tắc sẽ được kích hoạt.
Một phương pháp khác là dùng ống thủy tinh chứa thủy ngân để vận hành công tắc nhiệt độ. - Nhiệt làm thủy ngân trong ống giãn nở, tạo áp suất để tác động/kích hoạt các tiếp điểm.
12) Công tắc cần điều khiển (Joystick Switch)
- Thiết bị cầm tay dùng công tắc joystick như bộ điều khiển di động; cần có thể di chuyển theo nhiều hướng.
- Khi di chuyển cần, sẽ kích hoạt một hoặc nhiều tiếp điểm công tắc.
- Thích hợp cho các thao tác như lên, xuống, trái, phải.
- Thường thấy trong cẩu trục, bộ điều khiển cáp, và máy móc.
13) Công tắc xoay (Rotary Switches)
- Cho phép một đường (line) kết nối tới nhiều đường khác.
- Có trong thiết bị thông tin liên lạc (chọn kênh), radio đa băng tần (chọn band), và đồng hồ điện (chọn thang đo/range).
- Tùy theo số cực (đường được nối) và số ngả (cách kết nối), công tắc có các cấu hình: 1 cực – 12 ngả, 2 cực – 6 ngả, 3 cực – 4 ngả, và 4 cực – 3 ngả.
- Gồm nhiều tiếp điểm cố định và một tiếp điểm di động gắn với núm xoay.
Công tắc điện tử là gì?
Các công tắc điện tử thường được gọi là công tắc trạng thái rắn (solid-state) vì không có bộ phận chuyển động cơ học và do đó không có tiếp điểm cơ khí.
Công tắc bán dẫn chịu trách nhiệm điều khiển phần lớn thiết bị, bao gồm truyền động động cơ (motor drives) và thiết bị HVAC.
Hiện có nhiều dòng công tắc trạng thái rắn trên thị trường dành cho người tiêu dùng, ứng dụng công nghiệp, và ô tô. Các công tắc này có đa dạng kích thước và dải thông số định mức.
Các loại công tắc điện tử
Một vài ví dụ về công tắc trạng thái rắn:
- Bipolar Transistors (Transistor lưỡng cực – BJT)
- MOSFET
- IGBT
- TRIAC
- DIAC
- SCR
- Gate Turn-Off Thyristor (GTO)
- Power Diode (Diode công suất)
1) Bipolar Transistors (Transistor lưỡng cực – BJT)
- Transistor là một dạng công tắc trạng thái rắn hoạt động tương tự công tắc thông thường: cho phép hoặc ngăn dòng điện.
- Trong mạch đóng cắt, transistor làm việc ở chế độ bão hòa (saturation) khi BẬT (ON) và chế độ ngắt (cut-off) khi TẮT (OFF)/chặn dòng. Không sử dụng vùng hoạt động (active region) cho ứng dụng đóng cắt.
- Khi dòng kích thích ở cực base được cấp phù hợp cho NPN hoặc PNP, transistor được kích hoạt/BẬT.
Đường dẫn collector–emitter sẽ dẫn khi có dòng base nhỏ từ mạch điều khiển (nối giữa base và emitter). - Khi giảm điện áp base xuống hơi âm và loại bỏ dòng base, transistor TẮT.
Dù dùng dòng base nhỏ, transistor có thể mang dòng lớn qua collector–emitter.
2) MOSFET
- Có lẽ là thiết bị đóng cắt bán dẫn phổ biến nhất. MOSFET là thiết bị đóng cắt đơn cực (unipolar), tần số cao. Phần lớn điện tử công suất sử dụng công nghệ này.
MOSFET có ba cực: drain (D), source (S), gate (G). - Là thiết bị điều khiển bằng điện áp: trạng thái BẬT/TẮT được điều khiển bằng cách thay đổi điện trở giữa drain–source thông qua điện áp điều khiển (V_GS).
- Có MOSFET kênh P hoặc kênh N. Với MOSFET kênh N, V_GS dương (so với source) lớn hơn điện áp ngưỡng sẽ BẬT MOSFET.
- MOSFET kênh P hoạt động tương tự nhưng cực tính điện áp đảo ngược: thường BẬT khi V_GS âm (≤ −V_th) và V_DD được bố trí cực tính ngược phù hợp với mạch.
3) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
- IGBT kết hợp nhiều ưu điểm của MOSFET công suất và transistor lưỡng cực công suất.
- Có sụt áp trạng thái BẬT (ON-state voltage drop) thấp (nhỏ hơn MOSFET, gần với transistor công suất) và là thiết bị điều khiển bằng điện áp giống MOSFET.
- Là thiết bị đóng cắt bán dẫn tốc độ cao với ba cực: gate, emitter, collector.
- Áp dương (lớn hơn điện áp ngưỡng) đặt giữa gate–emitter sẽ kích hoạt/BẬT IGBT (tương tự MOSFET).
- Giảm điện áp gate–emitter về 0 V sẽ TẮT IGBT; để giảm tổn hao khi TẮT và tắt dứt khoát, thường cần xung âm ở gate.
4) TRIAC
- TRIAC (TRIode for AC) là công tắc hai chiều (bidirectional) tương đương hai SCR dùng chung một cực gate.
- Quản lý công suất AC ở cả bán kỳ dương và bán kỳ âm, nên thường dùng trong dimmer đèn, bộ điều tốc động cơ, truyền động, hệ thống điều áp, và các thiết bị điều khiển AC khác.
5) DIAC
- DIAC (DIode for AC) là thiết bị đóng cắt hai chiều với hai cực (không phân anode/cathode theo nghĩa thông thường) vì có thể kích hoạt theo cả hai chiều.
Nói cách khác, DIAC có thể dẫn theo hai hướng.
6) SCR (Silicon Controlled Rectifier)
- SCR là thiết bị đóng cắt tốc độ cao dùng rộng rãi trong điều khiển công suất.
- (Lưu ý: câu gốc viết “Diodes có ba cực…”, nhưng SCR mới là phần tử có ba cực: anode, cathode, gate; SCR là phần tử dẫn một chiều.)
- Bật/Tắt SCR bằng cách điều chỉnh tín hiệu gate và phân cực giữa anode–cathode.
Cấu trúc 4 lớp P–N xen kẽ của SCR tạo ra các tiếp giáp J1, J2, J3.
7) Gate Turn-Off Thyristor (GTO)
- GTO là thiết bị đóng cắt bán dẫn lưỡng cực. Có các cực: gate, cathode, anode.
Đúng như tên gọi, có thể TẮT qua cực gate. - Dòng gate dương nhỏ cho phép GTO dẫn. Xung gate âm sẽ TẮT GTO.
Biểu tượng GTO có hai mũi tên tại cực gate biểu thị dòng hai chiều qua gate.
8) Power Diode (Diode công suất)
- Diode chuyển trạng thái giữa điện trở cao và điện trở thấp. Diode chế tạo từ Silicon và Germanium.
- Để làm việc ở dòng cao và nhiệt độ mối nối cao, diode công suất thường làm từ Silicon. Là tiếp giáp PN tạo bởi bán dẫn loại p và loại n. Có hai cực: anode, cathode.
- Phân cực thuận (anode dương, cathode âm) làm tiếp giáp PN dẫn (như công tắc BẬT).
Phân cực ngược (cathode dương tương đối so với anode) sẽ ngăn dòng (như công tắc TẮT).
