Koncový spínač 20x jinak

Zdravím všechny konstruktéry robotů, planárních manipulátorů, XY plotterů, 3D tiskáren a dalších elektronických hejbacích mechanismů – právě pro vás je určen tento článek. Povíme si v něm totiž o koncových spínačích, bez kterých se většinou taková zařízení neobejdou.

K čemu je koncový spínač dobrý, je asi váženému čtenáři jasné - jedná se o detektor polohy pohyblivé části mechanizmu, lidově řečeno o doraz. Obecně se nemusí jednat o koncovou polohu, ale o jakoukoliv "důležitou" polohu, kde pohyb může být rozdělen na jednotlivé fáze (např. dvě koncové polohy a jedna středová u lineárního posuvného mechanizmu, tj. 3x koncový spínač). 

Nyní ale již k jádru samotného článku – rád bych vám zde stručně nastínil různé metody, jak polohu pohyblivé části mechanizmu detekovat. A hned mě napadá kvízová otázka. Schválně, kolik typů snímačů (ve smyslu různých principů měření) vás napadne, když se řekne "koncák"?
Jsou to např. tyto:

Mechanické spínače

Přesná odpověď na otázku tedy zní: Více než dvanáct :-). Existují jistě i další typy snímačů, na které jsem zapomněl a také takové, o kterých nevím, že existují. V tomto textu však není cílem vyjmenovat všechny, ale zaměřit se na ty hlavní. Pojďme se tedy podívat ty důležité podrobněji.k

Když se řekne koncák, každý si pravděpodobně vybaví tento typ. Princip funkce je zcela prostý – při dojezdu do žádané polohy se sepne/rozepne mechanický kontakt. Koukněte na Animaci 1, kde je znázorněn mechanický princip spínání mikrospínače.

Animace 1: Princip funkce mikrospínače [1]

Jak by mohlo vypadat základní zapojení spínače? To znázorňuje Animace 2. Ke spínači jsou připojeny dvě LED diody – každá na jeden kontakt. Pokud je pohyblivý mechanismus v koncové poloze (tedy např. sepnutý spínač), svítí zelená LEDka, jinak svítí červená. Možná ještě častěji bývá toto zapojení realizováno pouze s jednou LEDkou, druhý kontakt bývá nezapojený.

Animace 2: Obvod s koncovým spínačem a signalizací koncové polohy

Výhody a nevýhody mech. spínačů

Mezi výhody mechanických spínačů patří:

• Možnost spínaní AC i DC napětí. Spínání AC napětí je velká výhoda – to umí jen velmi málo typů koncových spínačů.  
• Možnost spínání malého (mn, ELV) a často také nízkého (nn, LV) napětí. 
• Možnost spínaní "velkých" proudů (často až 10 A)
• Jednoduché zapojení

Mezi nevýhody patří:

• Omezená životnost. Výrobci většinou minimální životnost udávají v počtu cyklů (1 cyklus = 1 sepnutí + 1 rozepnutí). Ta se pohybuje řádově v desítkách nebo stovkách tisíc cyklů. 
• Spínač musí být v kontaktu s pohyblivým mechanizmem.
• Nízká frekvence spínání. Teoreticky tento typ spínačů zvládne frekvenci spínání v řádu jednotek nebo desítek Hz. V praxi se však samozřejmě takto nepoužívají, a to kvůli výše uvedené omezené životnosti.

Produkty v eshopu 

Pro ty z vás, kterým se nechce klikat v eshopu, jsem udělal výčet všech mechanických spínačů, které máme v nabídce:

Mimochodem, kolega Luboš sepsal super článek o aplikaci spínače 1427791330. Najdete tam zapojení i program pro Arduino...

Indukční snímače

Princip funkce těchto snímačů (velmi zjednodušeně řečeno) spočívá v tom, že snímač ve svém okolí aktivně vytváří magnetické pole, které se změní, pokud je v blízkosti kovový předmět. Snímač obsahuje vyhodnocovací elektroniku, která tuto změnu mag. pole rozpozná a přepne svůj výstup z log. 0 do log. 1 (nebo naopak).

Indukční snímače můžeme rozdělit dle typu výstupu do čtyř základních kategorií:

• PNP NO. V přítomnosti kovového předmětu sepne výstup (NO = normally open), spínacím prvkem je PNP tranzistor. 
• PNP NC. V přítomnosti kovového předmětu rozepne výstup (NC = normally closed), spínacím prvkem je PNP tranzistor. 
• NPN NO. V přítomnosti kovového předmětu sepne výstup (NO = normally open), spínacím prvkem je NPN tranzistor. 
• NPN NC. V přítomnosti kovového předmětu rozepne výstup (NC = normally closed), spínacím prvkem je NPN tranzistor. 

Obrázek 1: Indukční snímač

Zátěž se u snímačů s PNP tranzistorem připojuje mezi výstupní svorku snímače a zápornou svorku napájecího napětí (–, GND), tedy mezi černý a modrý vodič u NO konfigurace a bílý a modrý vodič u NC konfigurace. U NPN tranzistorů je zapojení podobné. Zátěž se připojuje mezi výstupní svorku snímače a kladnou svorku napájecího napětí (+, VCC), tedy mezi černý a hnědý u NO konfigurace a bílý a hnědý u NC konfigurace. 

Nutno také dodat, že výrobci standardně nabízejí dva typy indukčních snímačů – stíněné a nestíněné. Rozeznat je lze velmi jednoduše – stíněné mají plastovou "hlavičku" zapuštěnou, u nestíněných vyčnívá (na Obrázku 1 se jedná o tu modrou část). Rozdíl těchto dvou typů je v tom, že stíněné snímače je možno zcela zastavět do kovového držáku, nestíněné musí vyčnívat (jsou citlivé i na kovové předměty na boku, tj. nacházející se mimo podélnou osu snímače).  Standardně se tyto snímače vyrábí ve dvouvodičovém (chybí kladný napájecí vodič a jeden z dvojice vodičů NO/NC), třívodičovém (chybí jeden z dvojice vodičů NO/NC) a čtyřvodičovém zapojení.

Výhody a nevýhody indukčních snímačů

Mezi výhody indukčních spínačů patří:

• Bezkontaktní měření 
• Odolnost proti vnějším vlivům (prach, vlhkost, olej, vysoká teplota, ...), vysoký stupeň krytí
• Kompaktní rozměry (většinou válcové čidlo, min. průměr bývá od 3 mm nebo s vnějším závitem od M4).
• Vysoká frekvence spínání v řádu jednotek nebo desítek kHz
• Dlouhá životnost

 Mezi nevýhody patří:

• Detekční schopnost v rozsahu jednotek až desítek mm, závisí také na tvaru detekovaného objektu 
• Možnost detekce pouze elektricky vodivých materiálů
• Možnost spínání většinou pouze malé DC napětí

Produkty v eshopu 

V této kategorii nabízíme snímač LJ12A3-4-Z/BY (kód produktu 1449885814). 

Kapacitní snímače

Tyto snímače pracují na principu detekce změny kapacity v závislosti na změně dielektrika (přiblížení měřeného objektu).

Tak a teď můžu udělat copy–paste, protože zbytek povídání by byl stejný, jako u indukčních snímačů. Taky to bývají "válečky", taky používají na výstupu konfigurace PNP/NPN a NO/NC, také jsou stíněné a nestíněné, zapojují se stejně... Jeden zásadní rozdíl tu ale je – kapacitní snímače dokážou detekovat i přiblížení objektů elektricky nevodivých materiálů. Můžete je tedy použít např. pro plastové, gumové, dřevěné,  skleněné a další materiály. Dokonce můžou mít i kapalné skupenství. Kdybych měl říct ještě nějaké rozdíly, pak bych se zmínil o větší citlivosti kapacitních snímačů, jejich menší max. spínaní frekvenci a také o tom, že standardně nebývají tak malé, jako indukční snímače.

Výhody a nevýhody kapacitních snímačů

Mezi výhody kapacitních spínačů patří:

• Bezkontaktní měření 
• Možnost detekce širokého spektra materiálů, vč. kapalného skupenství
• Vysoká citlivost detekce
• Odolnost proti vnějším vlivům (prach, vlhkost, olej, vysoká teplota, ...), vysoký stupeň krytí
• Relativně malé rozměry (většinou válcové čidlo s vnějším závitem od M12).
• Vysoká frekvence spínání v řádu desítek nebo stovek Hz
• Dlouhá životnost

 Mezi nevýhody patří:

• Detekční schopnost v rozsahu jednotek až desítek mm, závisí také na tvaru detekovaného objektu 
• Měření je ovlivněno při změně okolních podmínek (teplota, vlhkost vzduchu, ...)
• Menší přesnost v porovnání s indukčními snímači
• Možnost spínání většinou pouze malé DC napětí

Fotoelektrické snímače

Stejně jako u předchozích typů snímačů nejdříve nastíním princip funkce. Standardní fotoelektrický snímač se skládá ze tří hlavních částí – světelného zdroje (IR LED, laserová dioda atp.), světelného detektoru (fotorezistor, fotodioda nebo fototranzistor) a vyhodnocovací elektroniky. Elektronika vyhodnocuje množství světla, které dopadá ze světelného zdroje na detektor a tak určí, zda je přítomen měřený objekt.

Existuje několik základních typů fotoelektrických snímačů:

• Optické závory. U tohoto typu je zdroj světla  na jiném místě, než vyhodnocovací elektronika s detektorem. Měřený objekt se nachází mezi zdrojem a detektorem. Je-li paprsek přerušen (měřený objekt je přítomen, na detektor dopadá méně nebo žádné světlo), elektronika situaci vyhodnotí a přepne výstup do log. 0 nebo log. 1 (dle typu výstupu). Takový snímač můžeme najít např. u pásových dopravníků v obchodech.
• Retroreflektivní. Princip funkce je shodný s předchozím typem, akorát konstrukce snímače je jiná – detektor a zdroj světla jsou na stejném místě a zdroj světla svítí do odrazky, od které se světlo odráží zpět do detektoru. Takový snímač se používá např. ve výtahu.
• S difuzním odrazem. U tohoto typu je zdroj světla a detektor na stejném místě, nepoužívá se však odrazka. Zdroj světla svítí na měřený objekt, od kterého se světlo odráží zpět do detektoru. Je-li objekt dostatečně blízko, dopadá na detektor více světla a elektronika vyhodnotí přítomnost objektu. Tento typ snímače se používá např. v koupelně u vysoušeče rukou, dávkovače mýdla a osvěžovačů vzduchu.

Výhody a nevýhody fotoelektrických snímačů

Mezi výhody patří:

• Bezkontaktní měření 
• Možnost detekce širokého spektra materiálů
• Vysoká citlivost detekce
• Snímání na malou i na velkou vzdálenost (v řádu až desítek metrů)
• Vysoká frekvence spínání v řádu až desítek kHz
• Dlouhá životnost
• Může být velmi levný

 Mezi nevýhody patří:

• Menší odolnost proti vnějším vlivům (např. prach může výrazně ovlivnit funkci)
• Měření může být ovlivněno barvou materiálu a odrazivostí povrchu měřeného tělesa (u difuzního typu)
• Složitější instalace (dvě instalační místa u optických závor, nutnost odrazky u retroreflektivních snímačů) 
• Možnost spínání většinou pouze malé DC napětí

Produkty v eshopu 

V tabulce níže je uveden přehled všech produktů, které souvisí s fotoelektrickou detekcí.

Ultrazvukové snímače

Toto je poslední typ snímačů, o kterém se rozepíšu trochu podrobněji. Určitě je ale znáte, jelikož dnes je najdete v každém novějším autě (parkovací senzory). Ultrazvukové snímače mají vždy vysílač a přijímač ultrazvukového signálu. Vždy měří vzdálenost, a to metodou "time of flight", zkráceně ToF, v češtině "doba letu". Vysílač vygeneruje zvuk o frekvenci více než 20 kHz, který se odrazí od měřeného objektu zpět (k přijímači). Snímač změří čas mezi vysláním a přijetím signálu. Jelikož známe rychlost zvuku ve vzduchu  (cca 330 m/s)  a dobu letu, můžeme spočítat dráhu, kterou signál urazil. Ta odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi snímačem a měřeným objektem. 

Výhody a nevýhody ultrazvukových snímačů

Mezi výhody patří:

• Bezkontaktní měření 
• Možnost detekce širokého spektra materiálů (dokonce všech materiálů :) )
• Odolné proti vlhkosti
• Relativně levné
• Dlouhá životnost

 Mezi nevýhody patří:

• Závislost měření vzdálenosti na teplotě
• Nemohou snímat na vzdálenost v řádu jednotek mm 
• Problém s detekcí malých, úzkých nebo měkkých objektů
• Náročné programování

Produkty v eshopu 

Tady nebude tabulka potřeba, koukněte na produkt 1464639497, 1500636000 a 1502180852.

Jak připojit koncák k Arduinu?

Výše jsme si popsali tři základní typy výstupů, které většinou snímače a spínače přiblížení mají. Mám tedy na mysli standardní mechanický kontakt, výstup s NPN tranzistorem a výstup s PNP tranzistorem. Už dlouho nebyla žádná animace, tak si všechny typy výstupů vykreslíme.

Zapojení  v Animaci 3 se skládá pouze ze tří komponent. Je to zdroj (v simulaci nastaven na 5 VDC), koncový spínač a (pull-down) rezistor. Vývod bychom zapojili na digitální vstup Arduina. Všimněte si průběh napětí ve spodní části animace. Při sepnutém spínači je výstup v úrovni log. 1, při rozepnutém v log. 0.

Animace 3: Obvod s mechanickým kontaktem

V Animaci 4 je znázorněn NPN spínač, který se skládá ze pěti prvků. Je to zdroj 5 VDC, (pull-up) rezistor 10k, NPN tranzistor, 100R rezistor, který limituje proud báze a vyhodnocovací elektronika, která je zde pro jednoduchost nahrazena spínačem, na který klikám myší. Dejme tomu, že je-li spínač rozepnutý, vyhodnocovací elektronika nedetekuje měřený předmět. Pokud se podíváme na průběh napětí na výstupu tohoto obvodu, zjistíme, že při přítomnosti měřeného objektu je výstup log. 0, při nepřítomnosti log. 1. Obvod má tedy v tomto případě tzv. invertovanou logiku. 

Animace 4: Koncový spínač s NPN výstupem

Animace 5 znázorňuje zapojení s PNP výstupem, jaký má např. snímač  LJ12A3-4-Z/BY. Tento typ výstupu je v principu shodný s NPN výstupem, akorát jsem do zapojení přidal jeden malý detail, se kterým se často setkáte při hrátkách s Arduinem – snímač v zapojení napájím ze zdroje 24 V DC. Arduino však může mít na digitálních vstupech napětí max. 5 V DC (některé dokonce pouze 3V3, jako např. DUE). Z toho důvodu je v zapojení napěťový dělič tvořený rezistory 5k a 1k3. Za děličem tak dostaneme napětí necelých 5 V DC, které můžeme k Arduinu v pohodě připojit. Když koukneme na průběh napětí, logika není na rozdíl od předchozího příkladu invertovaná. Pokud tedy snímač detekuje měřený objekt, je na výstupu senzoru log. 1.

Animace 5: Koncový spínač s PNP výstupem

Finish

Tak dneska toho bylo trochu více a to vás můžu ujistit, že jsem se snažil být velmi stručný. Pokud by vás problematika zajímala více do hloubky, doporučuji vyhledávat tato klíčová slova:

• V Čj: Koncový spínač, snímač/čidlo přiblížení
• V Aj: Proximity switch/sensor, endstop, limit switch 

Můžete také kouknout na zdařilé články na serveru automatizace.hw.cz a na anglické stránky rfwireless-world.com.

Mimochodem, v tomto článku je přesně 29 product placementů, takže v nadpisu jsem se o devět sekl :)

Kdybyste měli k článku nějaké nápady nebo připomínky, neváhejte mi napsat na helpdesk ;)

Zdroje:
[1] Understanding a microswitch, https://www.youtube.com/watch?v=q6nP1FjxAMU