Схемы для устранения дребезга контактов механических переключателей.

Несмотря на широчайшее распространение полупроводниковых коммутаторов, механические переключатели по-прежнему используются в ряде приложений. Как бы ни совершенствовалась их технология, от дребезга контактов избавиться не удается. В статье рассматриваются способы свести эти проблемы к минимуму с помощью внешних компонентов.

Введение

Компания Würth Elektronik предлагает широкий ассортимент механических переключателей (см. рис. 1). Эти изделия применяются во многих приложениях для размыкания и замыкания электронных цепей.

Рис. 1. Часть ассортимента механических переключателей компании WE

Функция переключения, в основном, механическая, но многие переключатели работают как аналого-цифровой интерфейс в современных электронных схемах с четко определенными уровнями напряжения для логического нуля и логической единицы. Любой разработчик приложения, где используются тактовые или детекторные кнопки с быстро реагирующей электронной схемой, может задаться вопросом, почему она функционирует некорректно. Причина может заключаться в т. н. дребезге (вибрации) контактов. В статье рассматривается схема, позволяющая решить эту распространенную проблему.

Дребезг контактов

Механизм переключения

Как правило, считается, что контакт в переключателе является надежным и срабатывает мгновенно (см. рис. 2).

Рис. 2. Идеализированный график коммутируемого сигнала

Однако на практике все несколько иначе (см. рис. 3). В каждом положении переключателя контакт между токопроводящими участками устанавливается или прерывается с помощью подвижных механических элементов (см. рис. 4).

Рис. 3. Идеализированный график «реального» коммутируемого сигнала

Рис. 4. Конструкция тактового переключателя

Как правило, пружинные компоненты применяются в качестве средства для перевода контакта из одного состояния в другое в виде либо металлической пластины, либо винтовой пружины, у которой имеется некоторая масса и, следовательно, момент инерции. В тот момент, когда эти небольшие компоненты приводятся в движение, они с ускорением перемещаются в требуемое положение. После срабатывания некоторое время происходят многократные неконтролируемые замыкания и размыкания контактов за счет упругости пружины и деталей контактной системы; при этом электрическая цепь размыкается и замыкается, пока движение полностью не прекратится.

Таблица. Компоненты для переключения и защиты от дребезга

Компоненты		Время дребезга
Тактовый переключатель		10 мс
Кнопочный переключатель
Детектор
Механический энкодер

Поскольку коэффициент затухания велик, а момент инерции мал, продолжительность этого эффекта обычно составляет всего несколько микросекунд. Силовые цепи от него не страдают, чего нельзя сказать о цифровом входе. при изменении состояния электронный сигнал имеет нестабильный или, точнее, неопределенный статус, тогда как логической иС требуется четкий сигнал определенного уровня. микроконтроллер может пропустить изменившееся состояние порта, если считает данные в неподходящий момент. таким образом, требуется обеспечить генерацию четкого выходного сигнала переключателя. мы рассмотрим схему, позволяющую устранить его дребезг, чтобы решить эту проблему.

Используемые компоненты

Время защиты от дребезга указано в паспорте изделия. Компания Würth Elektronik определяет этот параметр как время между механическим переключением компонента и полным электрическим переключением. в таблице перечислены компоненты, используемые для переключения и защиты от дребезга.

Мы добавим некоторые компоненты для создания фильтра нижних частот (ФНЧ), чтобы оценить его влияние на выходной сигнал.

Добавление фильтра

Схема базового переключателя без компенсации дребезга показана на рисунке 5. Типовые значения резистора R,: Г¹⁰ кОм; V_CC = 5 В.

Рис. 5. Схема переключателя без защиты от дребезга

После нажатия переключателя возникает сигнал, который позволяет отследить эффект дребезга контактов (см. рис. 6).

Рис. 6. Выходной сигнал в отсутствие схемы защиты от дребезга при переходе с высокого на низкий уровень

Чтобы устранить дребезг в выходном сигнале, предлагается одна из самых дешевых и простых в реализации электронных схем, в которой используется RC-фильтр (см. рис. 7). Когда переключатель разомкнут, конденсатор заряжается через цепочку R₁ + R₂, что замедляет рост напряжения. Когда переключатель замкнут, конденсатор разряжается через R₂ с контролируемой скоростью.

Рис. 7. Переключатель с базовой схемой защиты от дребезга

Если компоненты были выбраны корректно, дребезг переключателя поглощается в процессе зарядки или разрядки, благодаря чему обеспечивается плавный переход из одного состояния в другое. Для расчета номинала конденсатора и резисторов применяется формула (1), позволяющая определить постоянную времени схемы:

Т = (Ri + R₂) • Ci, (1)

где Т - постоянная времени, с; R - величина сопротивления, Ом; C - величина емкости, Ф.

Постоянная времени выбирается как некое компромиссное значение, позволяющее устранить дребезг переключателя и обеспечить требуемое время отклика схемы. За одну постоянную времени напряжение повысится до 63% от своего конечного значения или упадет до 37% от этого значения. В обоих случаях оно повышается или спадает на 99% после пяти постоянных времени.

Пример расчета

Заданные условия:

- время дребезга в спецификациях: 10 мс;

- типовое значение сопротивления R₁ для ограничения тока: 1 кОм;

- R₂: выбираются два стандартных значения для устранения дребезга: 10 и 47 ком;

- напряжение питания: 5 в DC.

таким образом, расчет дает два значения емкости:

Ci = t/(Ri + R₂). (2)

Предлагаются два ряда значений для этой схемы:

- решение 1: R₁ = 1 кОм; R₂ = 10 кОм; С₁ = 1 мкФ;

- решение 2: R₁ = 1 кОм; R₂ = 47 кОм; С₁ = 220 нФ.

Заметим, что значения сопротивления и емкости могут отличаться в зависимости от конструкции схемы заказчика.

Для обеих схем получаем характеристику, показанную на рисунке 8.

Рис. 8. Выходной сигнал при использовании схемы устранения дребезга и переходе с низкого на высокий уровень

Значение U_OUT в зависимости от времени определяется следующей формулой:

Uout = U|_N (1 - e^-t/T). (3)

Из нее следует, что при t = т величина выходного напряжения U_OUT составляет около 63% входного U_IN. В нашем примере величина U_OUT = 63% (3,15 В) от своего конечного значения (5,0 В) через 10 мс.

Добавление диода

Чтобы контролировать время заряда и время разряда по отдельности, в приведенную выше схему добавляется диод (см. рис. 9). В результате сокращается время переключения для зарядки конденсатора с помощью R₁ и D₁, и становится другим время разряда, когда используется только R₂, поскольку в этом случае диод блокируется.

Рис. 9. Добавление диода в схему

Добавление буфера

Как известно, нуль в цифровой логике определяется по уровню ниже некоторого напряжения(например, 0,8 В), а единица - выше (например, 2,5 В). Значения между ними не определены. Если приложение не в состоянии поддержать неопределенные значения, может потребоваться буфер с триггером Шмидта с гистерезисом. Схема с разным временем включения и выключения и дополнительным гистерезисом показана на рисунке 10. Время отклика схемы, возможно, придется согласовать с временем выборки микроконтроллера.

Рис. 10. Триггер Шмидта обеспечивает стабильные и определенные значения напряжения

Защита от переходных процессов

Если переключатель расположен далеко или на конце длинного провода, вероятно, потребуется защита от перенапряжения, электростатического разряда или других переходных процессов. В качестве защитных компонентов применяется ферритовая бусина и TVS-диод, установленные перед входной цепью (см. рис. 11).

Рис. 11. Добавление ферритовой бусины и TVS-диода для защиты от перенапряжения

Выводы

При использовании механических переключателей сигналов появляется эффект дребезга, характеризующийся короткими периодами нестабильного сигнала в электронной схеме. Время дребезга переключателей Würth Elektronik достигает 10 мс, что следует учитывать при проектировании. Предложенный RC-фильтр позволяет уменьшить это явление. Фильтр можно усовершенствовать, установив дополнительные компоненты для более точного формирования сигнала и защиты от перенапряжения.

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты" №12, 2021 г.

Техподдержка: Würth@symmetron.ru