墻壁開關發展與重要結構技術參數分析

柯寒文 王孝利 張 靖

（浙江德力西國際電工有限公司 杭州 310024）

前言

自從電燈在1980年發明后，遠程操控燈具開關得以實現，其中墻壁開關的出現就是重要的配套設施。作為現代家庭必備產品，從最初的追求其簡單實用的功能到現在功能與美并存，人們對墻壁開關的要求逐漸提升。

以國內市場為例，墻壁開關產品種類較多，根據功能實現主要可以分為機械類以及電子類。其中電子類開關依靠相關電子元器件實現電路通斷，包括聲光控開關、遙控開關、觸摸開關、延時開關等等，多數應用于特殊場合且產品市場相對較少。其中近年相對較為火熱的智能開關產品仍然處于起步階段，技術有待發展；現有家庭使用最為廣泛的是各種機械式開關，也是本文著重研究的方向。

機械式開關憑借各零部件裝配關系利用人力驅動實現負載端電路通斷，結構直接決定性能優劣。本文從結構入手，分別介紹拉線式、撥動式、蹺板式和擺片式等特性[1]，隨后將針對蹺板式開關和擺片式開關的相關結構性能參數展開分析。

1 開關執行機構結構原理

墻壁開關是實現遠程操控電燈閉合需求的重要組成。主要工作原理是在合適位置安裝墻壁開關，控制電源的接通與斷開實現遠程控制。一個多世紀以來，根據主要結構的外形可以分為以下幾種，如圖1所示。

圖1 墻壁開關各階段外形

1.1 拉線開關

圖2 拉線開關結構示意圖

這種開關具有時代局限性，使用起來非常方便，操作異常簡單；和其他開關相比，價格低廉。隨著時間發展局限性逐漸凸顯，拉線開關的開關只能作為單控開關，難以做到集中控制，導致電工布線繁瑣。執行裝置依賴拉線，線的位置難以完全定位，降低客戶開關過程使用體驗；無法加裝指示燈，難以直觀顯示燈具的閉合狀態；缺少斷電保護措施，在安全方面無法得到較好保障；維修不便以及美觀程度較低致使現有市場存量較低。

1.2 蹺板式開關

市面最為常見的活動機構，蹺板式開關根據按鍵大小從最初的小按鍵開關到中板以及現在更加美觀的大板開關，本文以大板開關為研究對象，具體結構如圖3所示。

圖3 翹板式開關結構示意圖

翹板式開關按鍵結構根據功能主要分為輔助機構、傳動機構與執行機構。輔助機構中熒光點、外觀裝飾面、安裝架、鐵架、底座等負責考慮用戶審美、固定執行與傳遞機構、確保安全的電氣間隙與爬電距離；傳動機構中按鍵、彈簧座、彈簧、滑塊負責傳遞操作者的驅動力改變為適合執行機構動作的驅動力；執行機構中動觸頭組件、靜觸頭組件、導電件組件實現電源的通斷。

翹板式開關按鍵的轉軸將垂直于按鍵平面的驅動力轉換為所需的扭矩，隨后利用按鍵的扭矩帶動彈簧座繞特定固定軸進行旋轉。根據彈簧提供反作用力，滑塊施加彈簧軸向作用力擠壓動觸片組件，從動觸片一側擠壓至另一側，使動觸片組件沿著導電組件旋轉至另一側。按壓力撤離后，彈簧的變形力支撐動靜觸片接觸，實現電路通斷。

1.3 擺片式開關

擺片式開關作為近些年出現的開關機構，其特點是聲音較小、手感柔和、運動順暢。擺片式結構相較于翹板式結構，在傳動機構中減少了滑片部件，在執行機構中更改了動觸片組件形狀，具體結構圖如圖4所示。

圖4 擺片式開關結構示意圖

擺片式結構運動與翹板式運動方式大體相同。不同點在于彈簧直接壓裝在動觸頭組件上，在此基礎上去除滑塊導向作用且增加了彈簧座孔徑。彈簧的功能從單一軸向施加變形力，增加彎曲變形的擠壓力；執行機構的動觸頭組件由翹板形狀變為擺片形狀，運動形式改為撥動片一側的觸片直接旋轉至動觸片一側實現電路通斷。同時由于結構特性，傳動機構的彈簧座內側的強撥機構可同時作為擠壓動觸片完成功能集合。

2 墻壁開關結構技術參數分析

現有墻壁開關以翹板式與擺片式結構為主，本文對重要結構的分析也以此展開。

2.1 接觸壓力

接觸壓力是指開關聯通電路時，動靜觸頭基礎部位的接觸壓力，通常在0.6～1.5 N之間。接觸壓力的大小直接影響到動觸頭與靜觸頭間接觸電阻數值大小，壓力越大接觸電阻越小。墻壁開關連接的電壓與電阻數值是一定的，設計師需要盡可能降低接觸電阻，保持負載在額定范圍內高效運作，從而保證電器工作穩定性與可靠性[2]。

由于影響噴氣燃料冰點和結晶點的主要因素是油樣的化學組成以及水分和雜質，所以對于噴氣燃料冰點和結晶點的檢測同樣采用與柴油凝點檢測相同的最佳試驗條件。

當開關按鈕按壓接通電路后，彈簧的彈力會保持開關各結構部位處于穩定狀態，此時可使用靜力學平衡問題計算觸點壓力數值，以作設計對照。翹板式靜力分析簡圖如圖5所示。

圖5 翹板式靜力分析簡圖

彈簧座旋轉α度時保持平衡，此時彈簧的擠壓力F作用于動觸片組件，與導電件組件產生的反作用力F2、底座反作用力F3、動靜觸片的觸點壓力F1形成平衡。由圖5可推理出，觸點壓力F1的計算公式如公式（1）所示。

擺片式靜力分析簡圖如圖6所示。

圖6 擺片式靜力分析簡圖

相比較下，擺片式的動靜觸片接觸時，減少了底座反作用力F3，同時增加了彈簧彎曲變形擠壓力?？捎行嵘|點壓力數值。在不考慮彈簧變形擠壓力的條件下，觸點壓力F1的計算公式如公式（2）所示。

根據圖7觸點壓力實測結果表明，本文中檢測翹板式開關觸點壓力為1.0 N，而擺片式為1.6 N。擺片式開關的觸點壓力相對較大，可實現開關動作完成后接觸過程中低電阻連接，降低電量損耗與熱量生成。更加貼近市場中對觸點壓力增加的需求。

圖7 觸點壓力實驗示意圖

2.2 開關彈跳

開關結構的通斷是一個動態過程，其中動靜觸片碰撞到完全閉合是最為關鍵步驟，當動觸頭擁有一定角速度撞擊靜觸頭會在短時間內產生大量沖擊能量，部分能量會直接轉化為聲能傳播出去和熱能使觸點發熱影響溫升指標，部分被阻尼吸收，剩下能量會支持動觸片產生回彈。每次小距離彈跳可能會產生持續拉弧現象，損傷接觸部位，多次累計會使得開關性能（燒蝕）以及壽命降低（熔焊失效）[3]。因此，開關如何彈跳是開關機構研究重點。

根據圖8的多功能虛擬信號分析儀彈跳測試圖所示，翹板式開關過程中會產生15～20次數的彈跳，時間在700～1 200 us之間。且碰撞過程中，每次波峰相對尖銳，表明動靜觸片接觸時間較短，短時間內沖擊動能變化大，一次開關過程產生電弧燒蝕時間也會增加。

圖8 翹板式開關彈跳

根據圖9的多功能虛擬信號分析儀的彈跳測試圖所示，擺片式總彈跳時間與次數遠低于翹板式，在300～600 us的時間內彈跳5～10次。且每次碰撞波峰相對平滑，表明接通電流時間相對長一些，碰撞過程相對柔和。有效降低電弧燒蝕的概率，此結構的可靠性會一定程度上增加。

圖9 擺片式開關彈跳

2.3 開關壽命

本文按照國家標準GB 16915.1-2014 《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關第一部分通用要求》條款中19.3對兩種結構樣品進行16 A電流通斷實驗40 000次。

如圖10所示，翹板式結構在完成壽命測試后，其壽后溫升為27.6 K。結構方面，靜觸銀點與動觸件銀點有明顯燒蝕而導電件與動觸件接觸位置有明顯燒熔。

圖10 翹板式壽后電接觸示意圖

如圖11所示，擺片式結構在完成壽命測試后，其壽后溫升為21.4 K。結構方面，靜觸件銀點與動觸件銀點有輕微燒蝕而導電件與動觸件接觸位置有彈簧作用壓痕無燒熔現象。兩者雖然都通過相關壽命測試，但是擺片式從壽后溫升測試溫度、燒蝕部位數量與程度都遠低于翹板式，說明其在開關壽命對比中具有良好優勢。

圖11 擺片式壽后電接觸示意圖

2.4 開關手感

作為家用電器，開關手感最直接影響到用戶使用體驗，最明顯影響因素分別為按鍵過程中的撥打聲音與撥打力度。其中撥打力度是一個動態變化的過程，涉及到開關運動結構參數、結構材料、有無潤滑油[4]。本文以結構為切入點，研究執行機構類型對撥打過程中的撥打力變化曲線與峰值影響。

中板與大板的優勢在于可以任意選擇按壓區域。按壓最外側，此時完成開關的通斷任務需要的撥打力度最小，手感輕盈；按壓最接近內側，此時完成開關的通斷任務需要的撥打力度最大，手感相對沉重；可以根據個人喜好選擇按壓部位獲取自己喜歡的手感。本文研究時按照最外側即最小按壓力為對照參數。

在圖12和13中按壓力為動態過程隨著轉角大小隨時發生變化，本文研究的是按壓過程中按壓力峰值，進行后續對照。

圖12 翹板式按鍵壓力示意圖

圖13 擺片式按鍵壓力示意圖

在按壓力測試中翹板式按壓力峰值為2.5～2.9 N之間，擺片式按壓力峰值為1.4～1.65 N之間，其中按壓力隨著按壓速度呈現增加趨勢（如圖14所示）?？梢杂^察到擺片式結構的按鍵可以有效降低按壓力峰值，可以更加輕松撥動按鍵完成線路通斷功能，使用戶具有更加輕快的按壓體驗。

圖14 翹板式與擺片式按壓力對比

3 總結

經研究發現，擺片式結構開關在各方面使其擁有諸多優勢。相較于市面常用的翹板式開關，擺片式開關有較大的觸點壓力能有效改善接觸電阻，能夠承載更高電流，功能性更強；較少的開關彈跳次數與時間，能有效提升產品可靠性；更低的壽后溫升、更少的燒蝕部位與燒蝕痕跡能有效延長開關的使用壽命；外側更輕的按壓手感，增加按壓力區間，有效提升用戶手感。綜上對照表明，擺片式結構在墻壁開關中具有更高的功能性、可靠性、舒適性，在未來墻壁開關會擁有更加良好的發展。