Interruttori: concetti fondamentali

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di Ryan Smoot

In questo articolo…

1. Interruttori SPST, SPDT, DPDT e altri ancora

2. Caratteristiche che determinano la scelta dell’interruttore

3. Interruttori meccanici: le tipologie più diffuse

4. Interruttori a confronto

Gli interruttori, dispositivi onnipresenti in ogni aspetto della vita quotidiana, sono disponibili in un gran numero di differenti tipologie. Oltre alle differenze basilari tra funzionamento meccanico o elettrico e azionamento manuale o elettronico, gli interruttori si differenziano in termini di dimensioni, forma, ingressi, uscite, interfacce e caratteristiche. Dagli interruttori di dimensioni appena sufficienti da poter essere visti a occhio nudo agli interruttori che richiedono l’uso di apparecchiature “ad hoc” per poter essere spostati, le opzioni sono praticamente infinite. Mentre tutti gli interruttori hanno i loro pregi e difetti, a volte i fattori che determinano l’impiego dei diversi interruttori sono rappresentati dall’estetica e dallo stile dell’interfaccia utente desiderata.

La conoscenza delle caratteristiche fondamentali dei diversi tipi di interruttori permetterà a un progettista di prodotto di prendere la miglior decisione circa il dispositivo da utilizzare non solo dal punto di vista estetico, ma anche da quello funzionale.

La diminuzione dei costi e il crescente numero di funzionalità disponibili hanno senza dubbio favorito la diffusione su larga scala degli interruttori elettronici basati su BJT, MOSFET, IGBT e altri dispositivi a semiconduttore. In ogni caso non rappresentano la soluzione ideale nella maggior parte delle operazioni di commutazione e gli interruttori che sfruttano l’apertura o la chiusura di contatti metallici detengono ancora la quota di mercato più consistente.

Oltre al funzionamento, gli interruttori possono essere azionati, ovvero commutati da uno stato a un altro, per via meccanica o elettronica. Il più delle volte l’azionamento meccanico viene effettuato da una persona fisica, mentre gli interruttori elettronici vengono solitamente messi in funzione in base a parametri quali pressione, temperatura, tempo o, più in generale, da qualsiasi ingresso proveniente da un sensore. Per ragioni di spazio, in questo articolo verranno trattati gli interruttori funzionanti e azionati manualmente.

Interruttori SPST, SPDT, DPDT e altri ancora

Qualsiasi tipo di discussione riguardante gli interruttori non può prescindere dalla comprensione del concetto di poli e vie. In sintesi, i poli indicano il numero di circuiti che un singolo interruttore è in grado di gestire. Le vie, invece, indicano il numero di contatti tra cui un interruttore può scegliere. Le semplici illustrazioni riportate di seguito contribuiranno a chiarire il concetto.

Fig. 1 – Interruttore SPST (Single Pole Single Throw)

Un interruttore con un unico polo e una sola via, identificato dall’acronimo SPST, può ovviamente controllare un solo circuito e l’interruttore apre e chiude un singolo contatto (Fig. 1). Si faccia ora i confronto con un interruttore con un singolo polo ma due vie, denominato SPDT (Fig. 2).

Fig. 2 – Interruttore SPDT (Single pole double throw)

Anche un interruttore SPDT può controllare un solo circuito, ma in questo caso può commutare tra due differenti contatti. In pratica si tratta di un semplice deviatore.

Fig. 3 – Interruttore DPDT (Double pole double throw)

In un interruttore a due poli e a due vie (Fig. 3), ci sono due circuiti controllati da questo singolo interruttore ed entrambi gli interruttori presenti hanno due contatti tra cui possono commutare. Sebbene SPST, SPDT, DPST e DPDT siano le configurazioni di interruttori più comuni, non esiste un limite teorico al numero di poli e vie di un interruttore. Per motivi di semplicità, se il numero di poli o vie è superiore a due, si utilizza un numero al posto delle lettere “S” o “D”. Per esempio un interruttore con tre poli e sei vie sarà indicato dal produttore come un interruttore 3P6T. Un interruttore con un singolo polo e cinque vie sarà identificato invece dalla sigla SP5T. Si tratta di una nomenclatura molto comune e una chiara comprensione sia dei termini sia del loro significato sarà un elemento cruciale nella scelta dell’interruttore più idoneo per la particolare applicazione considerata.

Caratteristiche che determinano la scelta dell’interruttore

Oltre al numero di poli e delle vie dell’interruttore, sono svariare le caratteristiche che differenziano i vari tipi di interruttori dei diversi produttori. Di seguito un elenco, anche se non completamente esaustivo, delle principali caratteristiche da prendere in considerazione.

Dimensioni

Come menzionato in precedenza, vi sono interruttori sufficientemente grandi da poter essere visibili a occhio nudo, le cui dimensioni sono più piccole di un granello di riso, oppure caratterizzati da ingombri tali da non potere essere trasportati se non con l’ausilio di un carrello elevatore. Per applicazioni industriali dove sono in gioco potenze elevate, un interruttore di grandi dimensioni non solo è necessario ma è anche preferibile, in quanto può essere controllato da personale che indossa guanti da lavoro oppure in tutte quelle situazioni in cui non è possibile effettuare movimenti precisi. In ogni caso, prodotti integrati di piccole dimensioni richiedono l’utilizzo di interruttori che siano, ragionevolmente, i più piccoli possibili.

Stato di default

La maggior parte degli interruttori non prevede una posizione di default, anche se esistono interruttori temporanei che dispongono di uno stato di default al quale ritornano nel momento in cui cessa l’azione delle forze su di essi esercitate. Questi interruttori temporanei possono essere di tipo NO (Normally Open – normalmente aperto) o di tipo NC (Normally Closed – normalmente chiuso).

Posizioni

Con questo termine si indica il numero di interruttori integrati in una singola unità. Anche se potrebbero insorgere occasionalmente confusioni con il concetto di vie, le posizioni indicano il numero di interruttori indipendenti presenti nella stessa unità che sono azionati separatamente gli uni dagli altri.

Opzioni di montaggio

Al pari della maggior parte dei dispositivi elettronici, gli interruttori prevedono numerose opzioni di montaggio. Gli interruttori vengono montati su una scheda PCB mediante fori passanti oppure utilizzando tecniche di montaggio superficiale. Nel primo caso, un terminale viene fatto passare attraverso la scheda PCB e quindi saldato sul lato opposto della scheda stessa, mentre nel secondo caso l’interruttore viene posto sulla parte superiore di una piazzola (pad) e saldato sul posto. La distanza che separa i terminali viene definito passo (pitch). Anche se è un parametro importante per entrambi i tipi di interruttori, lo è in particolare per i dispositivi a fori passanti poiché un passo appropriato rende gli interruttori adatti per il montaggio su una breadboard (ovvero la basetta che consente di inserire a pressione i componenti elettronici per sperimentare temporaneamente il funzionamento di circuiti senza ricorrere a saldature). Tra le altre opzioni di montaggio si possono annoverare il montaggio a pannello, spesso sulla parte frontale di un quadro elettrico, oppure su guida DIN, oltre a svariate altre tipologie che dipendono dalla particolare applicazione considerata. Inoltre ci potrebbe essere una correlazione tra dimensioni e tipologie di montaggio: gli interruttori più piccoli sono solitamente ospitati sulle schede PCB mentre quelli di maggiori dimensioni sono generalmente montati su pannelli o guide DIN. Nella figura 4 è riportato un esempio di un interruttore DIP con montaggio a fori passanti.

Fig. 4 – Esempio di un interruttore DIP con montaggio a fori passanti

Opzioni di azionamento

Oltre alle differenze tra azionamento manuale ed elettronico, esistono interruttori espressamente progettati per essere utilizzati con guanti molto spessi, come pure modelli che richiedono l’impiego di piccoli cacciaviti o di attrezzi speciali. Tra tutte le differenti opzioni di azionamento, la decisione più comune da prendere riguarda la scelta tra un azionamento in rilievo oppure piatto.

Tensione e corrente nominale

Mentre alcuni interruttori sono caratterizzati da valori di tensione e corrente nominali pari a pochi Volt e inferiori a 1/10 di Ampere rispettivamente, altri supportano decine di migliaia di Volt e centinaia (se non migliaia) di Ampere. Anche se tensioni e correnti nominali sono solitamente correlati, ciò non è sempre vero. Le specifiche progettuali che consentono a un interruttore di “sopravvivere” a valori di corrente molto elevati non sono le stesse che permettono al medesimo interruttore di supportare elevate tensioni. E’ dunque necessario assicurarsi che l’interruttore sia in grado di gestire i valori nominali sia delle correnti sia delle tensioni previste dalla particolare applicazione considerata.

Fattori ambientali

In linea generale ci si riferisce alla protezione dell’ingresso (IP – Input Protection), che indica la capacità di resistere a infiltrazioni di polvere o acqua. La protezione può anche includere quella da vibrazioni o urti di natura fisica. Esistono interruttori a prova di atti vandalici o adeguatamente “irrobustiti”, espressamente progettati per operare anche se sottoposti ad attacchi diretti da parte degli utilizzatori.

Anche se vi sono altre caratteristiche che potrebbe essere specifiche per una particolare linea di interruttori o di applicazioni, quelle sopra menzionate sono comuni a tutti gli interruttori presenti sul mercato.

Interruttori meccanici: le tipologie più diffuse

Anche se la gamma può sembrare infinita, la maggior parte degli interruttori è riconducibile a un ristretto numero di differenti tipologie. Gli esempi riportati qui di seguito funzionano e sono azionati meccanicamente e vengono usati frequentemente, anche se non esclusivamente, in sistemi embedded o portatili di piccole dimensioni.

Interruttori DIP

Gli interruttori DIP sono formati da una matrice di interruttori ospitati in un package a fori passanti o a montaggio superficiale. Le versioni per montaggio a fori passanti sono solitamente progettate per essere inserite in una breadboard ma, grazie alle loro ridotte dimensioni, possono essere facilmente integrate all’interno di prodotti finiti. La matrice è solitamente composta da una serie di interruttori SPST, dove tutti gli interruttori possono essere usati separatamente o insieme per creare un unico blocco da utilizzare per segnali a bassa tensione o corrente. Interruttori di questo tipo sono ideali nei casi in cui gli utilizzatori devono fare selezioni semi-permanenti senza dover staccare blocchi di ponticelli. Gli interruttori DIP sono disponibili in una varietà di forme, solitamente a pianoforte, ma anche a scorrimento e rotativi: queste ultime categorie saranno descritti nel seguito con maggior dettaglio.

Gli interruttori DIP (fig. 5) sono solitamente utilizzati in applicazioni che prevedono la possibilità di impostare opzioni su un dispositivo, come un trasmettitore o un ricevitore, e sono spesso adottati in ambito industriale per lo stesso scopo. Essi sono spesso presenti anche nei kit di sviluppo, dove vengono impiegati per re-instradare i segnali da un microcontrollore centrale a differenti periferiche. Essi sono più semplici da utilizzare rispetto ai ponticelli e prevedono un gran numero di opzioni, anche se non sono progettati per un utilizzo costante o frequente. In ogni caso, quando è necessario ricorrere a essi, risultano di semplice uso.

Fig. 5 – Esempio di un interruttore DIP

Interruttori DIP rotativi

Gli interruttori DIP rotativi sono un sottoinsieme degli interruttori DIP, con i quali condividono la forma: la differenza è data dal fatto che la selezione avviene per mezzo di un movimento rotatorio (fig. 6). Ciò consente all’utilizzatore di selezionare una tra molteplici opzioni discrete, il cui numero è variabile da 4 a 16 posizioni. Essi possono essere azionati con un piccolo cacciavite o con le dita nel caso sia prevista una manopola di azionamento in rilievo. Al pari degli interruttori DIP lineari, sono disponibili in versioni per montaggio a fori passanti o superficiale, ma le uscite sono in formata BCD o esadecimale. Essi condividono molti dei vantaggi tipici degli interruttori DIP, tra cui ingombri ridotti e semplicità d’uso, ma hanno una sola uscita. Inoltre non sono progettati per un uso continuo e il numero di rotazioni che possono essere eseguite nel corso della vita operativa sono dell’ordine delle decine di migliaia, contro le centinaia di migliaia (o addirittura i milioni) di rotazioni che altri tipi di interruttori sono in grado di garantire.

Fig. 6 – Esempio di un interruttore DIP rotativo

Interrutori a scorrimento

Come implica il nome stesso, gli interruttori a scorrimento, vengono azionati facendo scorrere l’azionamento in una direzione o nell’altra. Quando vengono utilizzati come interruttori di potenza, che è probabilmente l’applicazione più comune, sono spesso disponibili in configurazione SPST. Visto il campo d’impiego, sono in grado di supportare tensioni e correnti nominali di valore più elevato rispetto agli interruttori DIP e progettati per un uso più frequente. Anche se solitamente sono interruttori di tipo SPST, a volte sono disponibili con più poli o vie. Nel caso delle versioni con più vie, a volte può risultare difficile far scorrere l’interruttore verso la posizione desiderata. Sebbene la capacità sia relativamente superiore rispetto a quella gli interruttori DIP, il loro consumo è abbastanza contenuto e molto spesso sono montati (a fori passanti o in superficie) sulle schede PCB. A volte sono utilizzati nei prodotti elettronici consumer in quanto di più semplice accessibilità rispetto agli interruttori DIP, ma in questo caso talvolta risulta difficile fare un bilancio ottimale tra semplicità d’uso e azionamento accidentale. Un esempio di interruttore a scorrimento è riportato in figura 7.

Fig. 7 – Esempio di un interruttore a scorrimento

Interruttori tattili

Gli interruttori tattili (Fig. 8) sono in pratica dei pulsanti che quando azionati emettono un click che può essere sia avvertito al tatto, da cui il nome tattile, sia percepito come suono. Sono di dimensioni relativamente modeste e sempre di tipo temporaneo. Progettati per segnali a bassa tensione e bassa corrente, compensano le ridotte funzionalità elettroniche con la “robustezza” fisica. Sono progettati per un utilizzo quasi continuo, con durate operative misurate in centinaia di migliaia, milioni se non addirittura decine di milioni di azionamenti. Oltre a ciò, essi possono essere sigillati con semplicità in modo da garantire un grado di protezione IP molto elevato. Questi interruttori sono quasi sempre montati su una scheda: il montaggio può essere a fori passanti, in superficie o sui bordi. Anche se solitamente hanno un solo polo, non è raro trovare modelli con più vie. Gli interruttori tattili sono estremamente comuni, disponibili con un gran numero di opzioni e realizzati da moltissimi produttori. La loro ubiquità, le piccole dimensioni e la robustezza ne hanno favorito la diffusione in un gran numero di prodotti elettronici di consumo, tra cui controllori per videogame, controlli remoti, porte per garage, anche se possono essere utilizzati in applicazioni nei settori medicale, automotive o industriale che richiedono un semplice interruttore temporaneo per le interfacce.

Fig. 8 – Esempio di un interruttore tattile

Interruttori a bilanciere

Gli interruttori a bilanciere (Fig. 9) hanno un perno nel mezzo che consente di commutare tra due opzioni. Possono essere interruttori temporanei, anche se solitamente non è questo il loro utilizzo principale. Essi sono molto spesso utilizzati come interruttori di potenza per i circuiti della rete elettrica essendo in grado di gestire elevati valori di tensioni e correnti nominali. Questi interruttori possono essere montati su pannello all’esterno di un dispositivo o di un armadio, anche se sono previste versioni per montaggio a fori passanti o in superficie. A volte sono disponibili in modelli illuminati a LED o, nelle versioni più datate, con lampadine a incandescenza. L’illuminazione serve a mostrare lo stato dell’interruttore, ovvero se è spento oppure acceso. Possono essere anche forniti con grado di protezione IP, in modo da consentirne l’uso negli ambienti più severi. L’interfaccia di immediata comprensione e l’azionamento estremamente semplice sono i motivi della grande diffusione di questi interruttori nei prodotti elettronici consumer. Essi sono tendenzialmente più costosi rispetto ad altri tipi di interruttori presenti sul campo, principalmente a causa delle maggiori dimensioni e alla presenza di caratteristiche aggiuntive. Gli interruttori a bilanciere sono spesso impiegati in applicazioni industriali, sovente in abbinamento con gli interruttori a levetta, e a volte prevedono una copertura per evitare azionamenti accidentali. Interruttori di questo tipo sono spesso presenti nei veicoli per abilitare o disabilitare alcune funzionalità, come a esempio la trazione integrale.

Fig. 9 – Esempio di un interruttore a bilanciere

Interruttori a pulsante

Gli interruttori a pulsante sono molto spesso denominati semplicemente pulsanti (Fig. 10). L’azionamento è molto semplice, in quanto è sufficiente una semplice pressione, rispetto ai movimenti rotatori o laterali richiesti da altri tipi di interruttori. Solitamente sono di forma rotonda, anche se non mancano modelli quadrati o rettangolari e possono essere di tipo temporaneo. Spesso sono corredati da LED che servono per illuminare l’interruttore, semplificandone così l’uso, oppure per indicarne lo stato (acceso/spento). Essi possono gestire un’ampia gamma di potenze e livelli di tensione e correnti e molto spesso sono ospitati su schede PCB o montati a pannello. La loro estrema semplicità ne ha favorito la diffusione nelle aree pubbliche, dove vengono utilizzati senza problemi da una moltitudine di persone. I pulsanti possono essere realizzati in modo da risultare estremamente robusti: esistono linee di prodotti espressamente concepite per resistere ad atti vandalici e tali caratteristiche, abbinate a un elevato grado di protezione IP, ne fanno i componenti ideali per l’uso in ambienti gravosi come metropolitane e montacarichi. A causa delle loro dimensioni, della presenza (opzionale) di LED e dei materiali di elevato livello qualitativo impiegati nelle versioni adatte a resistere ad atti vandalici, questi interruttori tendono a essere molto più costosi rispetto ad altri tipi di interruttori. Gli interruttori a pulsante più semplici e di dimensioni inferiori impiegati in applicazioni di networking, nelle periferiche di computer, nei sistemi audio o in altre tipologie di strumenti sono caratterizzati da un prezzo inferiore.

Fig. 10 – Esempio di un interruttore a pulsante

Interruttori a levetta

Gli interruttori a levetta (fig. 11) si distinguono per la presenza di una leva che sporge rispetto alla posizione in cui sono montati, rendendoli i candidati ideali in tutte quelle situazioni in cui l’utente indossa guanti o risulta difficoltoso effettuare movimenti di precisione. La levetta fornisce un ottimo riscontro visuale dello stato dell’interruttore senza bisogno di ricorrere a un LED aggiuntivo e la notevole escursione non dà adito a dubbi circa il fatto che l’interruttore sia attivato oppure disattivato. Essi sono disponibili con un gran numero di poli e vie in molteplici versioni. Essi possono essere configurati come interruttori temporanei, anche se non si tratta di un utilizzo molto comune. Questi interruttori possono essere montati su una scheda PCB, in posizione orizzontale o verticale, anche se spesso sono montati a pannello. Facilità di azionamento, rapido riscontro visivo e possibilità di integrare protezioni in modo semplice li rendono i candidati ideali per applicazioni industriali e scientifiche. La sporgenza causata dalla presenza della levetta potrebbe limitare il loro utilizzo nei casi in cui gli spazi in verticale risultino ridotti. Poiché essi sono progettati per applicazioni “mission-critical”, come a esempio aerei, strumentazione di controllo e apparecchiature medicali, il loro costo tende a essere piuttosto elevato.

Fig. 11 – Esempio di un interruttore a levetta

Interruttori a confronto

La gamma di interruttori è quantomai varia e articolata e le tipologie esaminate in questo articolo sono solo una piccola parte rispetto alle opzioni disponibili. In ogni caso, questo sotto-insieme è sufficiente per soddisfare le esigenze di una molteplicità di applicazioni e i pregi e i difetti analizzati per ciascuna categoria consentono ai progettisti di individuare la soluzione più adatta per i loro design.

Nella tabella 1 sono riassunte le principali caratteristiche delle tipologie di interruttori prese in considerazione unitamente alle configurazioni tipiche. Anche se esistono eccezioni rispetto alle generalizzazioni riportate nella tabella, le informazioni riportate danno un’indicazione di massima delle potenzialità di questi interruttori.

Tab. 1 – Caratteristiche salienti delle principali categorie di interruttori

                                    DIP              Rotativi       A scorrimento   Tattile        A bilanciere     A pulsante        A levetta

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