Zjawisko odbijania styków

W kontekście elektroniki i elektrotechniki przełącznik jest komponentem, który decyduje o zamknięciu lub otwarciu obwodu elektrycznego, przerywając przepływ prądu elektrycznego lub przekierowując go z jednej żyły do innej. Istnieje wiele różnych typów przełączników, w tym przełączniki dwustabilne, przełączniki kołyskowe, przełączniki przyciskowe, mikroprzełączniki i łączniki krańcowe, przełączniki magnetyczne i łączniki kontaktronowe oraz przekaźniki. Wszystkie one mają jedną cechę wspólną: odbijanie styków. Po prostu tak się z nimi dzieje.

Zazwyczaj takie odbicie ma niewielki wpływ lub nie ma żadnego wpływu na układ, ale jeśli układ cyfrowy jest wystarczająco szybki, aby wykryć i zareagować na wielokrotne odbicia, może to mieć poważne konsekwencje. Zadaniem projektanta jest uniknięcie lub ograniczenie skutków odbijania styków przełącznika. Chociaż w branży od dawna stosuje się sprzętową eliminację odbijania styków przełącznika, ostatnio zaczęto stosować metody eliminacji oparte na oprogramowaniu. Istnieją jednak sytuacje, w których metoda sprzętowa jest lepszą opcją.

W artykule wyjaśniono zjawisko odbijania i omówiono sprzętowe i oparte na oprogramowaniu podejścia do eliminacji odbijania styków. W dalszej części artykułu wskazano przypadki, w których sprzętowa eliminacja odbijania styków jest lepszą opcją, a na końcu - sposób jej wdrożenia. Urządzenia przełączające i elementy sprzętowe przeciwdziałające odbijaniu przedstawiono na przykładach rozwiązań firm NKK Switches, ON Semiconductor, Texas Instruments czy Maxim Integrated.

Na czym polega odbijanie styków przełącznika?

Gdy przełącznik lub przekaźnik zostanie przerzucony lub przełączony, obwód w rzeczywistości może zostać zamknięty i otwarty 100 lub więcej razy, przy czym każdy taki cykl trwa kilka tysięcznych sekundy, zanim styk się ostatecznie ustabilizuje, chociaż z ludzkiego punktu widzenia jest to natychmiastowa i pojedyncza reakcja.

Rozważmy na przykład jednobiegunowy, jednopozycyjny (SPST), zwierny (NO) przełącznik dwustabilny do montażu tablicowego, taki jak M2011SS1W01 firmy NKK. Załóżmy, że jedna strona tego przełącznika, którą można uznać za wejście, jest połączona z masą (0V), a druga strona, która w tym przypadku jest wyjściem, jest połączona z zasilaniem o napięciu 5V (przedstawionym jako +ve) przez rezystor podciągający (R1) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: W przypadku przełącznika dwustabilnego SPST-NO do odbijania styków może dochodzić podczas włączania i wyłączania przełącznika. (Źródło ilustracji: © Max Maxfield)

Należy pamiętać o tym, że do odbijania styków przełącznika może dochodzić zarówno podczas włączania (zamykania), jak i wyłączania (otwierania) przełącznika. Niekiedy odbijanie może przechodzić nawet przez szyny zasilające, gdzie jest interpretowane jako stany logiczne 1 i 0. W tym przypadku jest to „czyste” odbijanie. Dla porównania, jeśli sygnał osiągnie tylko pośrednie napięcie, sytuację taką nazywa się odbijaniem „brudnym”.

W przypadku jednobiegunowego, dwupozycyjnego (SPDT) przełącznika dwustabilnego do montażu tablicowego, takiego jak M2012SS1W01-BC firmy NKK, odbijanie styków może występować zarówno na zaciskach zwiernych (NO), jak i rozwiernych (NC) (ilustracja 2). W tym przypadku, dla uproszczenia, pokazane zostało tylko „czyste” odbijanie.

Ilustracja 2: W przypadku przełącznika dwustabilnego SPDT do odbijania styków może dochodzić zarówno na zaciskach zwiernych (NO), jak i rozwiernych (NC), gdy przełącznik jest włączany i wyłączany. (Źródło ilustracji: © Max Maxfield)

W wielu przypadkach czas trwania odbijania jest taki, że nie ma ono żadnego oddziaływania. Problemy pojawiają się, gdy przełącznik jest podłączony do urządzenia elektronicznego, które jest wystarczająco szybkie, aby wykryć wielokrotne odbicia i zareagować na nie. Wymagane jest wyeliminowanie odbijania z sygnału pochodzącego z przełącznika, zanim urządzenie elektroniczne zareaguje na taki sygnał.

Programowa i sprzętowa eliminacja odbijania styków

W latach 1960. i 1970. eliminację odbijania styków realizowano za pomocą różnorodnych technik sprzętowych, od prostych, rezystorowo-kondensatorowych obwodów opóźniających, używanych z przełącznikami SPST, po bardziej zaawansowane funkcje ustawiania/resetowania (SR) przez przerzutnik zatrzaskowy.

Ostatnio, ponieważ wiele systemów wyposażonych jest w jednostki mikroprocesorowe (MPU) lub mikrokontrolery (MCU), powszechne stało się stosowanie technik programowych do eliminacji odbijania styków w sygnale pochodzącym z dowolnego przełącznika. Jednak rozwiązania oparte na oprogramowaniu nie zawsze są najlepsze. Istnieją pewne zastosowania, w których występują małe, mało wydajne, ograniczone pamięciowo procesory z ograniczoną przestrzenią na kod i/lub cykle zegara dostępne do implementacji procedur eliminacji odbijania styków. W takich przypadkach rozwiązanie sprzętowe może być lepszym rozwiązaniem.

Ponadto wielu deweloperów oprogramowania nie zna fizycznej charakterystyki przełączników i nie wie o tym, że oprócz zmienności występującej pomiędzy poszczególnymi włączeniami, na parametry odbijania styków przełącznika mogą wpływać warunki otoczenia, takie jak temperatura i wilgotność.

Problem braku doświadczenia deweloperów oprogramowania w zakresie przełączników jest pogłębiany przez fakt, że dostępna literatura dotycząca odbijania styków przełącznika jest często myląca i sprzeczna. Na przykład często można przeczytać, że odbijanie przełącznika zanika po upływie 1ms od jego włączenia lub wyłączenia. Jednak znany ekspert od systemów wbudowanych Jack Ganssle przeprowadził testy empiryczne na różnych typach przełączników, włączając każdy z nich 300 razy i rejestrując minimalną i maksymalną liczbę odbić zarówno przy otwieraniu, jak i zamykaniu styków. Stwierdził on, że średni czas trwania odbijania wynosi 1,6ms, a czas maksymalny - 6,2ms. W niektórych „najlepszych praktykach” przemysłowych i wojskowych zaleca się odczekanie 20ms od włączenia przełącznika, aby można było przyjąć, że styki przełącznika przestały się odbijać. Inni zalecają odczekanie 20ms od ostatniego wykrytego odbicia przed wykonaniem innych działań.

Ponadto istnieje wiele prostych systemów nie zawierających procesorów, które również wymagają ochrony przed skutkami odbijania styków przełącznika. Oto kilka przykładów takich systemów: licznik binarny sterujący wyświetlaczami siedmiosegmentowymi, zliczający impulsy z przekaźnika; wejściowy sygnał wyzwalający układu czasowego uniwibratora 555 używanego do sterowania silnikiem drzwi lub bramy; oraz rejestrowy automat skończony (FSM), wykorzystujący wejścia z pozycjonowaniem. Istnieją również potencjometry dostrojcze o wartościach modyfikowanych wejściami z przełączników (w górę, w dół lub niekiedy zapamiętujące wartości), gdzie odbijanie styków przełącznika stanowiłoby problem.

Dzięki wszystkim tym przykładom jest oczywiste, że każdy projektant lub deweloper może odnieść korzyść z wiedzy na temat sprzętowej eliminacji odbijania styków przełącznika.

Sprzętowa eliminacja odbijania styków przełącznika SPST za pomocą układu RC

W jednym z najprostszych sprzętowych rozwiązań zapobiegających skutkom odbijania wykorzystuje się układ rezystorowo-kondensatorowy (RC) w połączeniu z przełącznikiem SPST. Istnieje wiele odmian takiego obwodu. Jedna z najbardziej wszechstronnych implementacji obejmuje dwa rezystory i diodę (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Przy zastosowaniu układu RC do eliminacji odbijania styków przełącznika SPST (u góry) dodanie diody (D1) wymusza ładowanie kondensatora (C1) przez rezystor R1 i jego rozładowywanie przez rezystor R2. (Źródło ilustracji: ©Max Maxfield)

Włączenie (zamknięcie) przełącznika powoduje rozładowywanie kondensatora C1 przez rezystor R2. Gdyby w obwodzie pominięto diodę D1, to po wyłączeniu (otwarciu) przełącznika, kondensator C1 byłby ładowany przez rezystory (R1 + R2). Jednakże obecność diody D1 oznacza, że kondensator C1 będzie ładowany tylko przez rezystor R1.

W niektórych przypadkach projektanta będzie interesować tylko uruchomienie przełącznika (tzn. wyzwolenie działań do wykonania), a wtedy można pominąć diodę D1. Jeśli jednak działania mają być wyzwalane zarówno wtedy, gdy przełącznik jest włączany, jak i wyłączany, a także jeśli ważne jest skrócenie opóźnień do minimum, zalecane jest dodanie diody D1.

Warto zwrócić uwagę na wykładnicze krzywe napięcia VC ładowania i rozładowywania kondensatora. Nie byłoby dobrym pomysłem podanie tego sygnału bezpośrednio na wejście następnej funkcji logiki cyfrowej, gdyż nie przyjęłaby ona dobrze sygnału, który „błądzi” w niezdefiniowanym obszarze pomiędzy „dobrymi” wartościami logicznymi 0 i 1. Zamiast tego sygnał jest podawany na wejście bufora z przerzutnikiem Schmitta. Ponadto zwykle stosowany jest bufor odwracający, jak na przykład jeden kanał układu CD74HC14M96 firmy Texas Instruments, ponieważ funkcje odwracające przełączają się szybciej niż ich nieodwracające odpowiedniki.

Eliminacja odbijania styków przełącznika SPDT za pomocą zatrzaskowego przerzutnika RS

W przypadku przełącznika SPDT typowym sprzętowym rozwiązaniem służącym eliminacji odbijania styków przełącznika jest zastosowanie zatrzaskowego przerzutnika RS. Od czasu, gdy firmy takie jak IBM zaczęły stosować tę technikę w panelach przełączników komputerów typu mainframe mniej więcej w latach 1960., rozwiązanie to uznawane jest za kwintesencję prostoty sprzętowej eliminacji odbijania styków przełącznika. Taki przerzutnik można utworzyć, używając dwóch połączonych przeciwsobnie dwuwejściowych bramek NAND, na przykład przez wykorzystanie dwóch kanałów poczwórnego, dwuwejściowego układu scalonego NAND SN74HC00DR firmy Texas Instruments (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Zastosowanie zatrzaskowego przerzutnika RS opartego na bramkach NAND - bardzo skutecznego rozwiązania sprzętowego - do eliminacji odbijania styków przełącznika SPDT. (Źródło ilustracji: © Max Maxfield)

Gdy zacisk rozwierny (NC) przełącznika jest połączony z masą, jak pokazano w górnej części ilustracji 4, na wyjściu bramki g2 wymuszana jest wartość logiczna 1. Z kolei dwie wartości logiczne 1 na wejściach bramki g1 wymuszają wartość logiczną 0 na jej wyjściu. Dla porównania, gdy zacisk zwierny (NO) przełącznika jest połączony z masą, jak pokazano w dolnej części ilustracji 4, na wyjściu bramki g1 jest wymuszana wartość logiczna 1. Z kolei dwie wartości logiczne 1 na wejściach bramki g2 wymuszają wartość logiczną 0 na jej wyjściu.

Ten obwód działa tak dobrze dlatego, że gdy oba wejścia są w nieaktywnym stanie logicznym 1, zatrzaskowy przerzutnik RS pamięta swą poprzednią wartość. Należy pamiętać, że zgodnie z ilustracją 2, gdy zmienia się stan przełącznika SPDT, niezależnie od tego, który z jego zacisków zostaje połączony z masą, w tym momencie odbija się on jako pierwszy. Ponieważ odbijanie następuje między jego pierwotną wartością (logicznym 0) i nową wartością (logiczną 1), nie mają one wpływu na bieżący stan przerzutnika SR. Dopiero, gdy ten zacisk przestaje się odbijać, to samo zjawisko zaczyna zachodzić w jego odpowiedniku i w tym momencie zatrzaskowy przerzutnik RS zmienia stan.

Podsumowanie

Istnieje wiele różnych typów przełączników, w tym przełączniki dwustabilne, przełączniki kołyskowe i przełączniki przyciskowe, a w każdym z nich może wystąpić odbijanie styków. Jeśli nie będzie się mu przeciwdziałać, pojedyncze uruchomienie przełącznika może być postrzegane przez mikroprocesory i inne układy elektroniczne jako wiele zdarzeń.

Odbijanie sygnału na przełączniku jest często tłumione za pomocą oprogramowania działającego w mikrokontrolerze. Jak wykazano wcześniej jest to rozwiązanie tanie, jednak może ono nie być najlepszym wyborem we wszystkich przypadkach, w tym w systemach opartych na mikrokontrolerach o ograniczonej wydajności i pamięci, oraz jeżeli deweloperom brakuje fachowej wiedzy o problemach związanych z przełącznikami i w systemach bez mikrokontrolera.

Jako alternatywa dostępna jest sprzętowa eliminacja odbijania styków, realizowana za pomocą różnych metod: od układów rezystorowo-kondensatorowych przez zatrzaskowe przerzutniki RS po specjalne układy scalone.

Źródło ©: www.digikey.pl

Kontakt w Polsce

Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl

Autor: Clive „Max” Maxfield