Công Tắc Hành Trình (Limit Switch): Cấu Tạo, Nguyên Lý & Cách Đấu Dây

Công tắc hành trình (limit switch) là một thiết bị đóng cắt cơ-điện, hoạt động như một cảm biến tiếp xúc vật lý. Nó được dùng để phát hiện vị trí hoặc giới hạn chuyển động của một vật thể, sau đó gửi tín hiệu điện để đóng hoặc ngắt một mạch điều khiển, thường là contactor (khởi động từ) hoặc rơ-le.

Khi một đối tượng (thường là một bộ phận máy) di chuyển và va chạm vào bộ phận truyền động (như cần gạt, pít-tông), cơ cấu bên trong sẽ thay đổi trạng thái của các tiếp điểm điện. Tín hiệu này (ON/OFF) được gửi đến hệ thống điều khiển (như PLC, rơ-le bảo vệ quá dòng, hoặc đèn báo) để thực hiện một hành động cụ thể:

• Dừng động cơ.
• Đảo chiều chuyển động.
• Bật đèn cảnh báo.
• Đếm sản phẩm.

Khác với nút nhấn, công tắc hành trình không duy trì trạng thái. Khi vật thể không còn tác động, bộ truyền động và các tiếp điểm sẽ tự động trở về vị trí ban đầu.

Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động

Công tắc hành trình có cấu tạo 3 phần (truyền động, thân, chân đấu dây) và hoạt động bằng cách dùng lực cơ học để đảo trạng thái tiếp điểm điện từ Thường Đóng (NC) sang Thường Hở (NO) và ngược lại.

1. Cấu tạo chi tiết

Cấu tạo chi tiết gồm Bộ phận truyền động (tiếp xúc vật thể), Thân công tắc (chứa tiếp điểm) và Chân đấu dây (COM, NC, NO) để kết nối điện.

Một công tắc hành trình tiêu chuẩn thường có 3 bộ phận chính:

• Bộ phận truyền động (Actuator): Đây là phần tiếp xúc trực tiếp với vật thể. Nó có nhiều hình dạng khác nhau (như cần gạt, con lăn, pít-tông) để phù hợp với từng loại chuyển động.
• Thân công tắc (Switch Body): Chứa cơ cấu tiếp điểm điện bên trong.
• Chân đấu dây (Terminals): Là các cổng để kết nối dây điện từ nguồn và tải.

Bên trong thân công tắc, 3 chân đấu dây phổ biến nhất là:

• COM (Common): Chân chung, là điểm đầu vào của nguồn điện.
• NC (Normally Closed): Tiếp điểm thường đóng. Ở trạng thái bình thường (không bị tác động), chân COM và NC nối thông với nhau, cho phép dòng điện đi qua.
• NO (Normally Open): Tiếp điểm thường hở. Ở trạng thái bình thường, chân COM và NO bị hở, không cho dòng điện đi qua.

Nguyên lý hoạt động

Khi không tác động, dòng điện đi qua COM-NC. Khi bị tác động, lực cơ học ngắt mạch COM-NC và đóng mạch COM-NO. Khi nhả ra, lò xo trả về trạng thái ban đầu.

Nguyên lý hoạt động rất đơn giản:

• Trạng thái bình thường (Chưa tác động): Dòng điện đi từ COM qua NC. Mạch COM-NO hở.
• Trạng thái tác động (Vật thể chạm vào): Lực cơ học từ bộ truyền động đẩy cơ cấu bên trong, làm đảo ngược tiếp điểm.
  • Mạch COM-NC bị ngắt (hở).
  • Mạch COM-NO được nối thông (đóng).
• Trạng thái nhả (Vật thể rời đi): Lò xo bên trong đẩy cơ cấu về vị trí ban đầu (COM-NC đóng, COM-NO hở).

Hướng dẫn đấu dây công tắc hành trình (3 chân)

Để đấu dây, bạn cần xác định mục đích: Dùng tiếp điểm NC (Thường Đóng) để DỪNG tải khi bị tác động, hoặc dùng tiếp điểm NO (Thường Hở) để KÍCH HOẠT tải khi bị tác động. Luôn đấu nguồn vào chân COM.

Việc đấu dây phụ thuộc vào mục đích bạn muốn hệ thống thực hiện khi công tắc bị tác động: Dừng một hành động (dùng NC) hay Kích hoạt một hành động (dùng NO).

An toàn là trên hết: Luôn ngắt nguồn điện (bằng Aptomat (CB) tổng) trước khi thực hiện đấu nối. Sơ đồ này dùng cho điều khiển tải đơn giản (ví dụ: đèn báo, rơ-le).

Các bước chuẩn bị:

• Nguồn điện (cần rõ điện áp là gì, ví dụ 24VDC hoặc 220VAC, thuộc điện hạ thế).
• Tải (Đèn báo, cuộn hút rơ-le…).
• Công tắc hành trình (COM, NO, NC).
• Dây điện và dụng cụ.

Trường hợp 1: Tác động để DỪNG tải (Dùng tiếp điểm NC)

Để dừng tải: Đấu nguồn (Lửa/Dương) vào COM, đấu chân NC vào một đầu tải. Đầu tải còn lại đấu về nguồn (Nguội/Âm). Tải sẽ luôn chạy và dừng khi công tắc bị nhấn.

• Mục đích: Tải (đèn) luôn SÁNG, khi bị tác động thì TẮT.
• Ứng dụng: Dừng khẩn cấp, giới hạn hành trình (máy chạy đến vị trí, chạm công tắc và dừng lại).
• Cách đấu nối:
  1. Nối cực Dương (+) / Dây Lửa (L) của nguồn điện vào chân COM.
  2. Nối chân NC vào 1 đầu của tải (đèn báo).
  3. Nối đầu còn lại của tải về cực Âm (-) / Dây Nguội (N) của nguồn.
• Kết quả: Đèn sẽ sáng ngay lập tức. Khi công tắc bị tác động, mạch COM-NC hở, đèn tắt.

Trường hợp 2: Tác động để KÍCH HOẠT tải (Dùng tiếp điểm NO)

Để kích hoạt tải: Đấu nguồn (Lửa/Dương) vào COM, đấu chân NO vào một đầu tải. Đầu tải còn lại đấu về nguồn (Nguội/Âm). Tải sẽ tắt và chỉ chạy khi công tắc bị nhấn.

• Mục đích: Tải (đèn) luôn TẮT, khi bị tác động thì SÁNG.
• Ứng dụng: Đèn báo vị trí, đếm sản phẩm (vật đi qua, chạm công tắc, đèn sáng/bộ đếm tăng).
• Cách đấu nối:
  1. Nối cực Dương (+) / Dây Lửa (L) của nguồn điện vào chân COM.
  2. Nối chân NO vào 1 đầu của tải (đèn báo).
  3. Nối đầu còn lại của tải về cực Âm (-) / Dây Nguội (N) của nguồn.
• Kết quả: Đèn sẽ tắt. Khi công tắc bị tác động, mạch COM-NO đóng, đèn sáng.

Cách kiểm tra công tắc hành trình (Test Nguội)

Dùng đồng hồ VOM (chế độ thông mạch), ngắt điện. Đo COM-NC phải kêu (thông mạch), nhấn vào thì phải ngắt. Đo COM-NO phải im lặng (hở mạch), nhấn vào thì phải kêu.

Bạn có thể dễ dàng kiểm tra xem công tắc còn tốt hay không bằng đồng hồ vạn năng (VOM) ở chế độ đo thông mạch (biểu tượng còi / đo điện trở Ω).

1. Ngắt toàn bộ điện khỏi công tắc.
2. Kiểm tra tiếp điểm NC:
   • Đặt một que đo vào chân COM, que còn lại vào chân NC.
   • Đồng hồ phải kêu “bíp” (thông mạch, điện trở gần 0 Ω).
   • Nhấn giữ bộ truyền động: Đồng hồ phải ngắt tiếng kêu.
   • Nếu không kêu hoặc kêu chập chờn, tiếp điểm NC đã hỏng.
3. Kiểm tra tiếp điểm NO:
   • Đặt một que đo vào chân COM, que còn lại vào chân NO.
   • Đồng hồ phải im lặng (không thông mạch, điện trở vô cùng).
   • Nhấn giữ bộ truyền động: Đồng hồ phải kêu “bíp”.
   • Nếu kêu ngay từ đầu hoặc nhấn mà không kêu, tiếp điểm NO đã hỏng.

Các loại công tắc hành trình phổ biến

Công tắc hành trình được phân loại phổ biến nhất theo bộ phận truyền động (cần gạt, pít-tông, râu) hoặc theo vật liệu vỏ (thân nhựa, thân kim loại, chống nước) để phù hợp với từng ứng dụng.

Công tắc hành trình được phân loại chủ yếu dựa trên cấu tạo bộ truyền động hoặc môi trường sử dụng.

Phân loại theo bộ truyền động

Các dạng truyền động phổ biến gồm: Dạng cần gạt (phổ biến nhất, tác động đa hướng), Dạng pít-tông (cần độ chính xác cao), và Dạng râu (phát hiện vật thể nhẹ, nhạy).

• Dạng cần gạt (Lever): Thường có con lăn ở đầu. Đây là loại phổ biến nhất, cho phép tác động từ nhiều góc độ.
• Dạng Pít-tông (Plunger/Push-button): Vật thể phải nhấn thẳng và trực tiếp vào đầu công tắc. Dùng cho các ứng dụng cần độ chính xác về vị trí.
• Dạng Whisker (Râu): Một thanh kim loại dài, mỏng, rất nhạy. Có thể phát hiện các vật thể nhẹ khi chúng chỉ cần lướt qua.

Phân loại theo môi trường

Phân loại theo môi trường gồm: Thân nhựa (cho môi trường khô ráo, IP65/67), Thân kim loại (chịu va đập, công nghiệp nặng), và Dạng chống nước (IP69K, dùng trong thực phẩm, thủy sản).

• Thân nhựa (Plastic Body): Phổ biến, nhẹ, chi phí thấp, dùng trong môi trường khô ráo (máy móc ngành gỗ, bao bì). Thường đạt IP65/IP67.
• Thân kim loại (Metal Body): Chắc chắn, chịu va đập mạnh, chịu nhiệt độ cao. Dùng trong công nghiệp nặng (máy CNC, dây chuyền thi công điện nhà xưởng).
• Chống nước/Chống hóa chất (Washdown): Có tiêu chuẩn IP67 hoặc IP69K, cho phép xịt rửa áp lực cao, dùng trong nhà máy thực phẩm, thủy sản (thường lắp trong tủ điện composite).

Ưu điểm và Nhược điểm

Ưu điểm chính là độ tin cậy, bền bỉ, chịu tải lớn và giá rẻ. Nhược điểm lớn nhất là yêu cầu tiếp xúc vật lý, gây mài mòn cơ khí và bị giới hạn về tốc độ.

1. Ưu điểm

Ưu điểm: Hoạt động tin cậy và chính xác, bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt, chịu được tải điện lớn trực tiếp, giá thành thấp và không tiêu thụ điện năng.

• Độ tin cậy cao: Cấu tạo cơ khí đơn giản, hoạt động ổn định và chính xác.
• Bền bỉ: Chịu được môi trường công nghiệp khắc nghiệt (va đập, bụi, nhiệt độ) tốt hơn nhiều cảm biến quang hoặc tiệm cận.
• Chịu tải lớn: Có thể đóng ngắt trực tiếp các tải có dòng điện lớn (ví dụ: 5A, 10A ở 250VAC), dù vẫn thường được dùng kết hợp với MCB hoặc MCCB để bảo vệ.
• Tiêu thụ ít điện: Bản thân công tắc không tiêu thụ điện (không làm tăng điện năng tiêu thụ của hệ thống).
• Giá thành thấp: Rẻ hơn so với các loại cảm biến điện tử.

2. Nhược điểm

Nhược điểm: Bắt buộc phải tiếp xúc vật lý (gây mài mòn), không dùng được cho vật thể tốc độ quá cao, và khó phát hiện vật thể quá nhẹ hoặc nhỏ.

• Phải tiếp xúc vật lý: Đây là nhược điểm lớn nhất. Nó phải chạm vào vật thể mới hoạt động.
• Giới hạn tốc độ: Không thể dùng cho các vật thể di chuyển quá nhanh.
• Mài mòn cơ khí: Bộ truyền động và tiếp điểm sẽ bị mòn sau hàng triệu lần đóng ngắt, cần phải bảo trì hoặc thay thế, đây là một phần của dịch vụ bảo trì hệ thống điện định kỳ.
• Phát hiện vật thể nhỏ/nhẹ: Khó phát hiện các vật thể quá nhẹ (không đủ lực tác động).

Tiêu chí chọn mua công tắc hành trình

Để chọn mua đúng, cần xem xét 4 yếu tố: Môi trường làm việc (nhiệt độ, IP), vật thể tác động (hình dạng, lực), yêu cầu về điện (AC/DC, Volt, Ampe), và tần suất hoạt động (tuổi thọ cơ khí).

Để chọn đúng loại công tắc, bạn cần trả lời 4 câu hỏi sau:

1. Môi trường làm việc như thế nào?
   • Có bụi, nước, hóa chất không? Cần tiêu chuẩn IP (ví dụ: IP67).
   • Nhiệt độ hoạt động là bao nhiêu?
   • Có va đập mạnh không? (Chọn vỏ kim loại).
2. Vật thể tác động là gì?
   • Hình dạng vật thể và hướng di chuyển? (Để chọn loại truyền động: cần gạt, pít-tông…).
   • Lực tác động mạnh hay yếu?
3. Yêu cầu về điện là gì?
   • Tải điều khiển là AC (dòng điện xoay chiều) hay DC?
   • Điện áp và cường độ dòng điện là bao nhiêu? (Ví dụ: 10A/250VAC hay 0.5A/24VDC).
   • Mức điện áp an toàn là bao nhiêu Vôn cho ứng dụng của bạn? Luôn chọn công tắc có định mức cao hơn tải thực tế.
4. Tần suất hoạt động?
   • Tần suất đóng ngắt có cao không? Cần chú ý đến tuổi thọ cơ khí và tuổi thọ điện của công tắc do nhà sản xuất công bố.