Všetky druhy relé majú jednu spoločnú vec. Pri zopnutí alebo rozopnutí relé dochádza k jeho zákmitom. Ako tento jav eliminovať alebo filtrovať, aby neovplyvňoval funkčnosť celej aplikácie?

Zákmity pri zopnutí alebo rozopnutí relé pri väčšine aplikácií nevadia, respektíve nijako extrémne neovplivňujú celkovú funkčnosť konštrukcie. Ak spínanie relé zabezpečuje dostatočne rýchly digitálny obvod, ktorý je schopný detekovať aj zákmity, môže však dochádzať nežiadúcim zákmitom, alebo až k zlyhaniu celej aplikácie. Úlohou vývojárov je preto zmierniť účinky týchto zákmitov na čo možno najmenšiu možnú medzu. Tento článok popisuje softvérové ​​a hardvérové ​​postupy k eliminácii zákmitov relé. V niektorých situáciách má hardvérové ​​riešenie lepšie vlastnosti, a preto si ukážeme jeho správnu implementáciu. Predstavíme si príklady hardvérového riešenia od spoločnosti NKK Switches, ON Semiconductor, Texas Instruments, Maxim Integrated a LogiSwitch.

Čo je to zakmitávanie relé?

Prepnutie prepínača alebo relé do požadovanej pozície človek vníma ako jednu zmenu stavu. V skutočnosti dochádza k niekoľkým desiatkam zopnutí a rozopnutí, ktoré trvajú niekoľko tisícin sekundy, než sa jeho stav ustáli v požadovanej pozícii.

Predstavme si jednopólový, normálne otvorený (NO) prepínač s jedným výstupom (SPST) ako M2011SS1W01 od NKK. Jedna strana tohto prepínača (vstup) je pripojený k zemi (0 voltov), ​​zatiaľ čo druhá strana (výstup) je pripojený k 5 V napájaciemu zdroju (zobrazené ako + ve) pomocou pull-up rezistora (R1) (obrázok 1).

Obrázok 1: V prepínači SPST-NO môže dochádzať k odskakovaniu čiže zákmitom, ako pri aktivácii, tak deaktiváciu spínača. (Zdroj obrázka: Max Maxfield)

K zákmitpm spínača môže dôjsť pri aktivácii (zopnutí) aj pri deaktivácii (rozopnutí). Niekedy môžu zákmity dosahovať plnej úrovne napájacieho napätia a zeme čiže logických stavov 0 a 1. Ide o tzv. "Clean" zákmity (čisté). Ak signál dosiahne iba stredného napätia, označujú sa tieto zákmity ako "dirty" (špinavé).

V prípade jednopólového prepínacieho spínača s dvojitým výstupom (SPDT), ako je NKK M2012SS1W01-BC, môže dôjsť k zákmitom ako na normálne otvorených (NO), tak na normálne zatvorených (NC) svorkách (obrázok 2). V tomto prípade sú pre jednoduchosť ukázané iba "čisté" zákmity.

Obrázok 2: V prípade prepínania SPDT môže dôjsť k zákmitom na svorkách NO i NC, keď je prepnutý aktivovaný (zopnutý) a deaktivovaný (rozopnutý). (Zdroj obrázka: Max Maxfield)

V mnohých prípadoch je doba trvania zákmity signálu taká, že nemá žiadny vplyv na aplikáciu. Problémy nastanú, keď je spínač pripojený k rýchlemu digitálnemu obvodu, ktorý je schopný tieto zákmity detekovať. Preto je nutné nájsť spôsob, ako tieto zákmity eliminovať alebo filtrovať.

Softvérové ​​vs hardvérové ​​potlačenie zákmitov

V šesťdesiatych a sedemdesiatych rokoch sa potlačenie zákmitov prepínačov (Debouncing) vykonávalo pomocou rôznych hardvérových techník. Medzi ne patrili jednoduché oneskorovacie obvody rezistor-kondenzátor (RC) používaných u prepínačov SPST až po sofistikovanejšie funkcie "latch" set / reset (SR) ako to poznáme u klopných obvodov.

V poslednej dobe prevažuje použitie softvéru, pretože v dnešnej dobe už aj tie najjednoduchšie elektronické systémy obsahujú mikrokontrolér. Softvérové ​​riešenie však nie je vždy tou najlepšou voľbou. Niektoré mikrokontroléry sú málo výkonné, majú malú pamäť pre prídavný kód debouncingu a nie sú dostatočne rýchle pre implementáciu debounce rutín. V týchto prípadoch je lepšie použiť hardvérové ​​riešenie.

Mnoho softvérových vývojárov nemá dostatočné vedomosti o fyzikálnych vlastnostiach prepínačov, najmä o tom, že zákmity sú ovplyvnené aj podmienkami prostredia, ako je teplota a vlhkosť. Problémom môžu byť tiež aj nedostatočné dostupné informácie o tomto jave. Bežne sa dočítame, že prepínač po aktivácii alebo deaktivácii sa ustáli do 1 ms.

Expert na vstavané systémy Jack Ganssle vykonal empirické testy na rôznych typoch prepínačov. Každý typ prepínača aktivoval 300-krát a zaznamenal minimálny a maximálny čas, po ktorý zákmity trvajú. Zistil, že priemerná doba zákmitu je 1.6 ms a maximálna doba dosahovala 6.2 ms. Niektoré priemyselné osvedčené postupy odporúčajú počkať až 20 ms po počiatočnej aktivácii.

Okrem toho existuje veľa jednoduchých systémov, ktoré nie sú založené na systéme mikrokontroléra, ale pre správnu prevádzku vyžadujú elimináciu zákmity prepínačov. Príkladom je binárny čítač pre siedmich segmentový displej počítajúci impulzy z relé. Relé je pripojené priamo napríklad na výstup časovača 555, ktorý ovláda motor dverí alebo brány. Ďalším príkladom môžu byť niektoré elektronické potenciometre, ktorých hodnoty odporu sa nastavujú pomocou spínačov tak, že sa pripína príslušný počet rezistorov. Tu by zákmit prepínača mohol mať neblahý vplyv na celkovú funkčnosť aplikácie. Takých aplikáciách je veľa, a preto je dobré vedieť, ako elimináciu zákmitov vykonať pomocou hardvérového riešenia.

Eliminácia zákmitov prepínača SPST pomocou RC členu

Jedno z najjednoduchších riešení ošetrenia zákmitov prepínačov je použitie rezistor-kondenzátor (RC) člen. Existuje mnoho variánt takéhoto obvodu. Jedna z najuniverzálnejších implementácií obsahuje okrem kondenzátora aj dva odpory a diódu (obrázok 3).

Obrázok 3: Použitie RC členu pre elimináciu zákmitu prepínača SPST (hore). Pri rozopnutom kontakte sa cez pridanú diódu D1 a R1 rezistor nabíja kondenzátor C1. Pri zopnutí kontaktu sa kondenzátor C1 vybije cez rezistor R2. (Zdroj obrázka: Max Maxfield)

Ak je spínač aktivovaný (zopnutý), kondenzátor C1 je vybitý cez odpor R2. Ak by tam nebola dióda D1, potom by pri deaktivácii (rozopnutí) spínača bol kondenzátor C1 nabíjaný cez odpory (R1 + R2). Prítomnosť D1 spôsobí to, že kondenzátor C1 sa bude nabíjať len cez R1. Len v niektorých prípadoch, keď je aplikácia zameraná iba na aktiváciu prepínača (Zopnutie), je možné diódu D1 vynechať.

Je nutné pripomenúť, že nabíjanie a vybíjanie kondenzátora má exponenciálny tvar. Preto tento výstupný signál nie je vhodné pripojiť priamo na vstup nadväzujúce digitálne logické funkcie, pretože sa signál (kvôli exponenciálnemu tvaru) nachádza v nedefinovanej oblasti logickej úrovne 0 a logickej úrovne 1. Riešením je použitie vyrovnávacej pamäte so Schmittovým vstupom. Obvykle sa používa invertujúci vyrovnávacia pamäť jeden kanál CD74HC14M96 od spoločnosti Texas Instruments. Je všeobecne známe, že invertujúce funkcie sa prepínajú rýchlejšie ako neinvertujúce.

Eliminácia zákmitov prepínače SPDT pomocou Latch SR funkcie

V prípade prepínača SPDT je ​​bežným hardvérovým riešením použitie funkcie Latch SR. Od tej doby, kedy spoločnosť IBM používala túto techniku ​​pre prepínacie panely v sálových počítačoch okolo šesťdesiatych rokov, bol tento prístup považovaný za najlepšie riešenie. Takúto funkciu Latch SR možno vytvoriť pomocou dvoch protiľahlých dvojvstupových brán logického obvodu NAND. Jedným takým obvodom je štvorpásmový NAND IC SN74HC00DR od spoločnosti Texas Instruments (obrázok 4).

Obrázok 4: Použitie funkcie Latch SR založené na NAND logických obvodoch je veľmi efektívne hardvérové ​​riešenia zákmitov prepínača SPDT. (Zdroj obrázka: Max Maxfield)

Keď je NC svorka spínača pripojená k zemi, ako je znázornené v hornej polovici obrázka 4, výstup brány g2 sa nastaví na logikou úroveň 1. Dve logickej úrovne 1 na vstupoch brány g1 vygeneruje na jeho výstupe logickú úroveň 0.

Keď je NO svorka spínača pripojená k zemi, ako je znázornené v spodnej polovici obrázka 4, výstup brány g1 sa nastaví na logickú úroveň 1. Dve logickej úrovne 1 na vstupoch brány g2 vygeneruje na jeho výstupe logikou úroveň 0.

Dôvod, prečo tento obvod funguje tak dobre, je ten, že keď sú oba jeho vstupy vo svojich neaktívnych stavoch - logická úroveň 1, funkcia Latch SR si pamätá svoju predchádzajúcu hodnotu. Je nutné si pripomenúť, že keď je prepínač SPDT prepnutý, svorka pripojená k zemi zakmitne ako prvá (obrázok 2).

Eliminácia zákmitov prepínača SPST pomocou špeciálneho obvodu

Jeden problém s predchádzajúcim riešením je, že existuje mnoho aplikácií s prepínačmi typu SPST, pretože sú lacnejšie ako typy SPDT. Na trhu existuje rad špeciálnych obvodov pre elimináciu zákmitov týchto prepínačov. Napríklad MC14490DWG od spoločnosti ON Semiconductor alebo MAX6818EAP + T od spoločnosti Maxim Integrated.

Záver

Existuje mnoho rôznych typov spínačov, ale ich spoločnou avšak nežiadúcou vlastnosťou sú ich zákmity. Mikroprocesory a ďalšie elektronické obvody miesto jednej zmeny stavu sú schopné detekovať niekoľko stavov prepínača, a tým môže dôjsť až k zlyhaniu systému. Tieto zákmity sú často filtrované pomocou software v mikrokontoléru. Bohužiaľ nie všetky elektronické obvody obsahujú mikrokontrolér s dostatočným výpočtovým výkonom a dostatočnou pamäťou pre softvérovú realizáciu filtrovania zákmitov. Preto tu existuje možnosť filtrovať zákmity pomocou hardware, a to využitím RC členov, funkcie Latch RS alebo využitím špeciálnych integrovaných obvodov.

Článok vyšiel v originále na stránkach DigiKey.com, autorem je Clive "Max" Maxfield.