常用电子元器件之一：开关

开关的词语解释为开启和关闭。它还是指一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件。最常见的开关是让人操作的机电设备，其中有一个或数个电子接点。接点的“闭合”（closed）表示电子接点导通，允许电流流过；开关的“开路”（open）表示电子接点不导通形成开路，不允许电流流过。

今天介绍一下按照结构分类的几种常见的开关。

目录

一、按钮开关

1、轻触按键开关

2、自复位开关

3、自锁开关

（1）机械自锁开关

（2）D触发器模拟自锁开关

（3）控制器软件模拟自复位开关

4、船型开关

二、拨动开关

三、扭子开关

四、拨码开关

五、继电器开关

1、基本继电器电路

（1）PLC控制器驱动

（2）单片机驱动

2、继电器应用开关电路

（1）延时开关

（2）光控开关

（3）温控开关

六、红外感应开关

七、接近开关

1、开关型霍尔传感器

2、金属感应式接近开关

（1）涡流式接近开关

（2）电容式接近开关

（3）金属感应接近开关的组成部分

3、光电接近开关

（1）对射式

（2）反射式

八、浮球开关

九、行程开关

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一、按钮开关

按钮开关又称控制按钮（简称按钮），按钮通常用于电路发出启动或停止指令，以控制电磁起动器、接触器、继电器等电器线圈电流的接通和断开，在弱电中也可以直接控制电流的接通和断开。

1、轻触按键开关

又叫按键开关，最早出现在日本，称之为敏感型开关，使用时以满足操作力的条件向开关操作方向施压开关功能闭合接通，当撤销压力时开关即断开，其内部结构是靠金属弹片受力变化来实现通断的。轻触开关由：嵌件、基座、弹片、按钮、盖板组成其中防水类轻触开关在弹片上加一层聚酰亚胺薄膜(如图1所示）。轻触开关一般是焊接式的，焊在电路板上。

图1 轻触按键开关结构图

 常见的轻触开关如图2所示。

图2 常见轻触按钮开关

2、自复位开关

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图3 自复位开关

图4 自复位开关

图5 自复位开关

图6 自复位开关

3、自锁开关

（1）机械自锁开关

自锁开关，是一种常见的按钮开关。在开关按钮第一次按时，开关接通并保持，即自锁，在开关按钮第二次按时，开关断开，同时开关按钮弹出来。

自锁开关一般是指开关自带机械锁定功能，按下去，松手后按钮是不会完全跳起来的，处于锁定状态，需要再按一次，才解锁完全跳起来。它就叫自锁开关。早期的直接完全断电的电视机、显示器就是使用的这种开关。

带灯自锁开关与普通自锁开关的不同之处仅仅在于：带灯开关充分利用其按键中的空间安放了一只小型指示灯泡或LED，其一端接零线，另一端一般通过一只降压电阻与开关的常开触点并联，当开关闭合时，设备运转的同时也为指示灯提供了电源。其种类有对角式同时开关，平行式同时开关，跨越式同时开关。

图7 电路板焊接小电流自锁开关

图8 电路板焊接或栓接较大电流自锁开关

图9 电气控制大电流带灯自锁开关

图10 电气控制大电流急停自锁开关

（2）D触发器模拟自锁开关

本部分转自：模拟按钮自锁开关

虽然按钮自锁开关结构简单，便于安装，但也存在自锁机械装置存在磨损，影响其寿命的问题。所以还可以用D触发器4013+自复位按键来构成模拟自锁开关。

图11 模拟自锁开关原理图

原理简介：

当按动一次开关S1时，都可以控制D触发器翻转一次，接在输出端的红色、绿色LED发光二极管交替闪亮一次。电路的实质是用D触发器构成一个双稳态开关电路。

当接通电源时，U1的输出端Q1为高电平，红色LED1点亮，!Q1(!Q1上加个横线)为低电平，绿色LED2熄灭，!Q1端的低电平经过电阻R3、延时电容C2加到数据端D1上，使其也处于低电平状态。

当按下开关S1时，U1的第3脚（CP1端）与电源正极相通，CP1端由低电平上升到高电平，触发器翻转，由于在时钟脉冲信号上升沿到来之时，数据端D1正处于低电平状态，触发器翻转到低电平状态，即Q1变为低电平，!Q1变为高电平，红色LED1熄灭，绿色LED2点亮。

当松开S1时，尽管电源向电容C1充电，在电阻R1上产生正向脉冲电流，但由于R1的阻值比较小，产生的脉宽时间小于D触发器维持翻转所需的时间，因而触发器保持按下开关的状态。

正是利用这一点，避免了因机械开关触点抖动而造成的误触现象。

当S1再次按下时，产生上升沿时钟信号，这时U1的D1端（第5脚）为高电平，D触发器翻转到高电平，红色LED1点亮，绿色LED2熄灭，由R3、C2组成RC延时电路，使触发器翻转延时，以避免开关S1按键触点反弹时的抖动，从而造成触发器多次翻转。

（3）控制器软件模拟自锁开关

软件模拟自锁开关一般由一个自复位按钮做控制端，接在控制器的第一个IO口P10，模式为输入，被控对象接在第二个IO口P11，模式为输出。当控制按键按下一次后，P10口检测到有一个上升沿（或下降沿）信号输入，那么就让输出端P11电平反转一次。这样就实现了按一次自复位开关，输出端开，再按一次自复位开关，输出端关的目的，功能与自锁开关相同。

4、船型开关

船形开关也称波形开关、跷板开关、翘板开关，IO开关、电源开关，因为其样子如船，所以称船形开关，其结构与钮子开关大致相同，只是把钮柄换成船型。船型开关常用作电子设备的电源开关，其触点分为单刀单掷和双刀双掷等几种，有些开关还带有指示灯，全透亮及点透亮等等。

图12 普通船型开关

图13 防水船型开关

图14 船型开关结构图

二、拨动开关

拨动开关是通过拨动开关柄使电路接通或断开，从而达到切换电路的目的的。拨动开关常用的品种有单极双位、单极三位、双极双位以及双极三位等，它一般用于低压电路，具有滑块动作灵活、性能稳定可靠的特点，拨动开关主要广泛用于:各种仪器/仪表设备，各种电动玩具，传真机，音响设备，医疗设备，美容设备，等其它电子产品领域。

图15 拨动开关

三、扭子开关

扭子开关，也称为钮子开关，又称摇头开关，它的名字得来于它的使用时总是扭来扭去的。扭子开关有多种类型，常见的有ON-OFF，ON-ON，ON-OFF-ON，OFF-ON，以及多个触点的开关。钮子开关是一种手动控制的微型开关，这点与拨码开关相似。大部分钮子开关在交直流电源电路的通断控制中广泛应用，较少应用于几千赫或高达1 兆赫的电路中。

图16 双触点扭子开关

图17 多触点扭子开关

四、拨码开关

拨码开关（也叫DIP开关，拨动开关，超频开关，地址开关，拨拉开关，数码开关，指拨开关）是一款用来操作控制的地址开关，采用的是0/1的二进制编码原理。

拨码开关多数用于程序控制板块，控制元器件性能电路导通断开。所以拨码开关也会根据行业板块称呼为：程序开关、地址开关、和最能耳熟能详的拨码开关。

图18 拨码开关

拨码开关每一个键对应的背面上下各有两个引脚，拨至ON一侧，这上下两个引脚接通；反之则断开。给每一个按键串上上拉或下拉电阻，就可以组成多位2进制信号输入电路，此信号输入到控制器，控制器就可以根据多位2进制编码，执行不同的控制程序。如图15所示，为8位拨码开关搭配8位排阻，排阻为上拉电阻。当SW2第一路拨码开关置于ON时，这一位S00电平为0，当置于OFF时，S00电平为1。当通过设置SW2的每一路开关时，控制S00——S07八路电平信号，这八路信号与控制器IO口相连，因此就相当于输入了一组8位二进制编码。

图19 拨码开关编码电路

五、继电器开关

继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。如图17所示，85、86为输入端，输入端电压为12V，输入端为87和30，输出电压为14V，电流上限为80A。

图20 继电器实物

图21 继电器结构图

图22继电器工作示意图

1、基本继电器电路

（1）PLC控制器驱动

控制器如果是PLC，驱动电流较大，那么可以直接驱动继电器，电路如图20所示。

图23 PLC驱动电路

（2）单片机驱动

如果控制器是单片机，驱动电流较小，需要加放大电路。驱动有以下三种：

a、三极管驱动继电器电路

图24 三极管驱动电路

b、NPN达灵顿继电器开关电路

图25 达灵顿驱动电路

c、光耦驱动继电器电路

图26 光耦驱动电路

此部分资料引自《三种继电器电路原理图详解》

2、继电器应用开关电路

此部分资料引自《用继电器自制延时开关电路》。

（1）延时开关

图27 延时开关

工作原理：将电源开关K2 闭合，再按下按钮开关K1，这时，晶体二极管V1、V2 导通，继电器吸合。同时电源对电容器C 充电。当K1 断开后由于C 已被充电，它将通过R 和V1V2 放电，从而维持三极管继续导通，继电器仍然吸合。经过一段时间的放电，C 两极间电压下降到一定值时，不足以维持三极管继续导通，继电器才释放。从K1 断开到继电器释放的时间间隔称为延时时间。它决定于R 和C 的大小。一般Ｃ为100 微法时，调节可调电阻器Ｒ可获得10 秒至90 秒的延时时间。

若Ｃ取1000 微法，则延时时间可达5 分钟以上。继电器上并联的二极管起保护作用，防止继电器断电释放时，由于自感产生高电压损坏晶体三极管。

（2）光控开关

图28 光控开关

工作原理：感光元件采用2cu 型光电二极管。光电二极管的电阻值随光照强度的增大而减小。调节R 可动触点的位置，可在一定光照强度下，使晶体管V１V２导通。继电器吸合。电解电容器C 起延时作用，防止在临界状态下，继电器工作不稳定。R 可调节临界光照强度值，其可动触点越向上调，启动光控开关的光强临界值越小，光控开关越灵敏（注意，可动触点不能置于下端）。

光控开关可用来控制电灯”。若用常闭触点１和2，可形成“天亮灯熄”的控制作用。若使用常开触点１和3，可形成“光照灯亮”的控制作用。

（3）温控开关

图29 温控开关

工作原理：感温元件为kF－12 型热敏电阻。这类热敏电阻具有负温度系数。其电阻值随温度升高而减小。调节好R 的阻值可使晶体管V１V2 在热敏电阻处于某一温度值时导通而使继电器吸合。达到用温度控制开关的目的。R 可调定临界温度值。

温控开关可用其常开触点控制电风扇。天热时，温度升高到某一值时，电风扇可自动开启。也可用常闭触点控制电热器，温度低时加热，温度高时，自动关闭。

在要求不太高的场合。光电二极管和热敏电阻均可用三极管3A×81 或3A×31 挫去外壳顶部后代替。尤其是玻壳的3A×81，刮去玻壳外的黑漆，用其c、e 两极即可代替光电二极管。也可直接用c、e 极代替热敏电阻。焊掺前，可用万用表欧姆档测试三极管的极间电阻，可调节光照强度（靠近电灯）或温度（靠近电烙铁），挑选电阻值随光照和温度变化较大者即可。

六、红外感应开关

红外开关是靠感应来控制开启与关闭的，包括人体感应开关、人体感应灯、 微波感应开关微、波感应灯、无线遥控开关、人体感应开关模块、高频收发模块和家居智能产品。
 

图30 人体红外感应开关

工作原理：红外感应开关就是以红外感应技术为基础的一种自动控制开关，通过感应外界散发红外热量来实现控制功能，红外感应开关可以快速开启自动门、灯具、防盗报警器等各类设备。

红外感应开关的原理就是红外线技术自动控制功能，当有人进入红外感应开关感应范围里时，传感器探测到人体温度后红外光谱发生变化，开关自动接通负载，当人离开后，开关延时自动关闭负载，红外感应开关还有过零检测功能，是无触点电子开关，使用寿命比较长。

红外感应开关在安装的时候不能带电接线，主要用于控制日光灯、节能灯等产品，*次需要加电使用，要30-60秒的时间进行内部电压建立时间，这样红外感应开关才可以正常使用。

不要把红外感应开关安装在有热气流通过的场所，控制负载为发热应大于1米，无零线无应急控制2线产品可以不用考虑接线极性，如果有应急控制或零线产品必须按规定进行接线，红外感应开关调节光控照度、延时旋钮时，不能用太大力，否则会对产品造成损坏。

七、接近开关

接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（plc）装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。
接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节等。

1、开关型霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。当有磁性物质接近时或远离时，会产生高低不同的电平。

霍尔开关常见的形式有直插式和螺纹式两种，如图28和图29。两种都是三脚电压式，三脚的线序为Vcc、GND和信号输出。

图32 螺纹式霍尔开关

2、金属感应式接近开关

（1）涡流式接近开关

这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。

（2）电容式接近开关

这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。

（3）金属感应接近开关的组成部分

（a）振荡器、开关电路及放大输出电路。

（b）振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。

（c）振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。

图33 方形金属感应接近开关

图34 圆形螺纹金属感应接近开关

3、光电接近开关

光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路接通电路，从而检测物体的有无。物体不限于金属，所有能反射光线（或者对光线有遮挡作用）的物体均可以被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。安防系统中常见的光电开关烟雾报警器，工业中经常用它来计数机械臂的运动次数。

光电开关是传感器的一种，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电绝缘），所以它可以在许多场合得到应用。采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强的优点。

（1）对射式

对射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离。对射式主要用于检测距离较远的场景，如安防，以及生产线上的产品计数。以及用于检测距离较近对红外反射不敏感的物体。

图35 安防红外对管

图36 工业用红外对管

图37 工业用红外对管

图38 对射式红外对管原理

（2）反射式

反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。对射式适合检测较近距离，对红外线反射比较敏感的场合，此种方式的优点是结构紧凑，易于安装。

图39 反射式红外对管

图40 反射式红外对管

八、浮球开关

浮球开关是一种结构简单，使用方便的液位控制器件，它不需提供电源，没有复杂电路，它具有比一般机械开关体积小，工作寿命长等优点。选型时只要材质选用正确，任何性质的液体或压力、温度皆可使用，其在造船工业、发电机设备、石油化工、食品工业、水处理设备、染整工业、油压机械等方面都得到了广泛的应用。

浮球液位开关的工作原理如图所示： 通常将密封的非磁性金属或塑胶管内根据需要设置成一点或多点磁簧开关，再将封装有永磁铁的浮球固定在杆径内磁簧开关相关位置上，利用浮 球的上下浮动使磁簧开关产生开关动作，输出 0/1 开关量信号，从而起到感应检测液位液面变化的作用。

图41 浮球开关原理

图42 多点式浮球开关

图43 单点式浮球开关

九、行程开关

行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。

图44 行程开关

图45 行程开关

（全文结束）