Электроника:Цифровая электроника/Переключатели/«Дребезжание» контактов

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

«Дребезжание» контактов

Во время действия переключателя контакты соприкасаются друг с другом, при этом предполагается, что они образуют электрическую непрерывность в один точный момент времени.

К сожалению, на практике переключатели работают не так. Из-за веса подвижного контакта и некоторой эластичности, присущей механизму и/или материалам контактов, контакты будут «дребезжать» при замыкании в течение нескольких миллисекунд, прежде чем придут в состояние полного покоя и обеспечат непрерывный контакт.

Во многих приложениях не имеет особого значения, если переключатель, управляющий лампой накаливания, «дребезжит» нескольких циклов переменного тока, прежде чем обеспечивает надёжную непрерывность. Поскольку время прогрева лампы значительно превышает данный период нестабильности, нарушения в работе лампы не будут возникать.

Однако, если переключатель используется для отправки сигнала на электронный усилитель или какую-либо другую схему с быстрым временем отклика, «дребезжание» контактов может привести к очень заметным и нежелательным эффектам:

Рис. 1. Переключатель используется для отправки сигнала на электронный усилитель.

При более внимательном изучении кривой, выводимой на дисплей осциллографа, можно увидеть довольно уродливую ломаную линию при однократном нажатии переключателя:

Рис. 2. Переключатель приводится в действие однократно.

Если, например, этот переключатель используется для подачи «тактового» сигнала в схему цифрового счётчика (при этом предполагается, что каждое нажатие кнопочного переключателя должно увеличивать счётчик ровно на единицу), то вместо ожидаемой инкрементации произойдёт то, что счётчик будет увеличивается на несколько единиц каждый раз при нажатии переключателя (потому что фактически из-за вибрации контактов переключатель выключится и включится не один, а несколько раз).

Поскольку механические переключатели часто взаимодействуют с цифровыми электронными схемами в современных системах, вибрирование контактов часто учитывается при проектировании. Каким-то образом необходимо устранить пресловутое «дребезжание», дабы приёмная цепь на входе чисто и чётко переходила в состояние включения/выключения:

Рис. 3. Приёмная цепь чисто и чётко переходит в состояние включения/выключения.

Устранение «дребезжания» контактов переключателя

Бороться с этой напастью можно по-разному. Самый прямой способ – решить проблему в самом источнике: в самом переключателе. Вот несколько дельных советов по разработке механизмов переключения для минимизации «дребезжания»:

• Уменьшайте кинетическую энергию движущегося контакта. Это снизит силу удара, поскольку когда движущийся контакт стукнется об неподвижный контакт, при меньшей кинетической энергии уменьшится и противодействие.
• Используйте «буферные пружины» на неподвижных контактах, тогда они будут свободно откатываться и мягко поглощать силу удара от движущегося контакта.
• Разработайте переключатель таким образом, чтобы движущийся контакт не прямо ударялся об неподвижный, а «притирался» об него, «скользил» по нему. В конструкции «ножевого» переключателя используются как раз скользящие контакты.
• Демпфируйте движитель механизма переключателя с помощью воздушного или масляного «амортизатора».
• Используйте движущиеся наборы контактов, параллельные друг другу, чтобы каждый из них немного отличался по массе или зазору между контактами. Тогда, пока какой-то набор контактов будет в процессе отскока от неподвижного контакта, по крайней мере один из других наборов в этот момент будет плотно взаимодействовать с неподвижным контактом.
• «Смачивайте» контакты жидкой ртутью (в герметичной среде, разумеется). После первоначального взаимодействия поверхностное натяжение ртути будет поддерживать непрерывность цепи, даже если подвижный контакт несколько раз отскочит от неподвижного контакта.

Каждое из этих рацпредложений чем-то жертвует полезным ради ограничения «дребезжания», и поэтому любое из них нецелесообразно всегда использовать при проектировании любых переключателей. В каждом конкретном случае нужно искать свой компромисс.

Изменения, внесённые для уменьшения кинетической энергии контакта, могут привести к небольшому разомкнутому зазору контакта или медленно движущемуся контакту, что ограничивает величину напряжения, которое может выдержать переключатель, и количество тока, которое он может прервать.

Скользящие контакты, хотя и не подпрыгивают при взаимодействии, всё же производят «шум» (нерегулярный ток, вызванный неравномерным контактным сопротивлением при перемещении) и страдают от более сильного механического износа, чем обычные контакты.

Множественные параллельные контакты обеспечивают меньшее «дребезжание», но только за счёт усложнения и удорожания конструкции. Использование ртути для «смачивания» контактов является очень эффективным средством смягчения «дребезга», но, увы, так можно переключать контакты только с низкой токовой нагрузкой.

Кроме того, контакты, смоченные ртутью, обычно имеют сугубо монтажные ограничения, поскольку сила тяжести может вызвать случайное «замыкание» контактов при неправильной ориентации в пространстве.

Если перепроектирование самого механизма исключено, контакты механического переключателя могут быть отключены извне, с использованием других компонентов схемы, формирующих электрический сигнал.

Например, схема фильтра нижних частот, подключённая к выходу переключателя, уменьшит колебания напряжения/тока, возникающие из-за «дребезжания» контактов:

Рис. 4. Колебания напряжения/тока, вызванные «дребезжанием» контактов.

Контакты переключателя могут быть отключены электронным способом, с использованием гистерезисных транзисторных схем (схем, которые «запираются» в высоком или низком состоянии) со встроенными временны́ми задержками (так называемые «разовые» схемы) или двух входов, управляемые двойным сигналом, сбрасывающим переключатель. Эти гистерезисные схемы, называемые мультивибраторами, подробно обсуждаются в следующей главе.