Причины дребезга контактов и к чему он может привести

Программирование ПЛИС. Изучение явления «дребезг контактов» и метод избавления от него

Мы продолжаем изучение ПЛИС и языка VHDL. В данной статье, ориентированной на новичков, мы изучим явление «дребезг контактов» и рассмотрим способ избавления от него.

Итак, цель работы: Изучить явление «дребезг контактов», создать проект в Xilinx ISE Project Navigator: При нажатии на кнопку значение регистра увеличивается на 1.

Часть 1. Что такое «дребезг контактов»?

«Дре́безг — явление, возникающее в электрических и электронных переключателях, при котором они вместо некоторого стабильного сигнала выдают на выходе случайные высокочастотные колебания» (с) Википедия.
Говоря проще, при нажатии и отпускании кнопки она переходит в нужное состояние не сразу. Какое-то время контакты кнопки «дребезжат» между собой, что будет воспринято микроконтроллером как многократные импульсы. Количество этих импульсов может превышать тысячи. Наглядно дребезг можно увидеть на осциллограмме, на которой показан момент отпускания кнопки:

Часть 2. Создание проекта.

В моей предыдущей статье было подробно описано создание нового проекта для Spartan-3E Starter Kit в Xilinx ISE Project Navigator v12.3. Создадим проект еще раз, назовем его, например, drebezg_habr и внесем в него некоторые изменения:

1. Нам потребуется одна кнопка и восемь светодиодов. Добавим входной сигнал btn и 8 выходных сигналов led в порты:

entity drebezg_habr is
Port ( clk : in STD_LOGIC ;
btn : in STD_LOGIC ;
led : out STD_LOGIC_VECTOR ( 7 downto 0 ) ) ;
end drebezg_habr ;

NET «clk» LOC = «C9» ;
NET «led » LOC = «F12» ;
NET «led » LOC = «E12» ;
NET «led » LOC = «E11» ;
NET «led » LOC = «F11» ;
NET «led » LOC = «C11» ;
NET «led » LOC = «D11» ;
NET «led » LOC = «E9» ;
NET «led » LOC = «F9» ;
NET «btn» LOC = «K17» ;
NET «btn» PULLUP ;

Ножка K17 соответствует нижней кнопке из имеющихся:

Слово PULLUP подключает кнопку по следующей схеме (прямо внутри ПЛИС):

Часть 3. Программирование.

signal count_led : std_logic_vector ( 7 downto 0 ) ;

architecture Behavioral of drebezg_habr is

signal count_led : std_logic_vector ( 7 downto 0 ) ;
signal old_btn : std_logic ;

process ( clk )
begin
if rising_edge ( clk ) then
old_btn btn ;
if old_btn = ‘ 0 ‘ and btn = ‘ 1 ‘ then
count_led count_led + 1 ;
end if ;
end if ;
end process ;

architecture Behavioral of drebezg_habr is

process ( clk )
begin
if rising_edge ( clk ) then
if btn = ‘ 1 ‘ then
count count + 1 ;
if count = btn_wait then
count_led count_led + 1 ;
count 0 ;
end if ;
else
count 0 ;
end if ;
end if ;
end process ;

Значение btn_wait было выбрано 0.25 секунды для того, чтобы значение count_led не прибавлялось слишком часто, пока кнопка находится в зажатом состоянии.
Еще один вариант антидребезга (даже более надежный) — прибавление count на 1 когда btn является логической единицей, и вычитание из count 1 когда btn является нулем. При этом если значение count опускается до 0 значит кнопка не нажата, либо был дребезг. Ну а если count досчитал до заветного btn_wait значит произошло нажатие =)
В качестве домашнего задания могу посоветовать дописать проект: сделайте прибавление count_led после того, как кнопка была нажата и отпущена.

Итак, мы ознакомились на практике с явлением «дребезг контактов» и научились избавляться от него. Это явление можно наблюдать не только в кнопках, тумблерах и прочих подобных вещах, но даже иногда и в различных протоколах, например RS-232.
Исходники проекта здесь. Желаю всем успехов в освоении ПЛИС!

Источник

Что такое дребезг контактов и как его устранить?

В этой статье мы рассмотрим такое распространенное и вредное явление как дребезг контактов. Ознакомимся с основными причинами возникновения дребезга. Изучим основные методы аппаратного и программного устранения данного явления.

Что такое дребезг контактов?

В конструкциях всех электромеханических устройств, предназначенных для замыкания-размыкания цепей, существует одна или несколько контактных пар. С их помощью происходит коммутация соответствующих электрических компонентов. Существенным недостатком электромеханических контактов являются произвольные неконтролируемые многократные повторы коммутации, вследствие упругости элементов контактной системы. Это явление получило название – дребезг контактов, а борьбу с ним ведут практически с того момента когда появились первые элементы автоматизированных систем.

Давайте разберёмся, какие физические факторы вызывают дребезжание и почему при этом возникают негативные последствия.

Причины возникновения

При взаимодействии упругих тел возникает деформация. Сила упругости возвращает первоначальную форму деформированного предмета, в результате чего он получает некий импульс движения. Иллюстрацией может служить металлический шарик, падающий на стальную плиту. Сила упругости возвращает его в положение, близкое к изначальному, откуда шарик снова падает на плиту и процесс повторяется. Происходит колебательное движение с затухающей амплитудой.

Аналогичные колебания происходят при соприкосновении твердых контактов, с той лишь разницей, что вместо силы тяжести на них действует упругость пружины или пластины. Амплитуда колебаний подвижных контактов, естественно, очень незначительная, но её вполне достаточно для провоцирования серии процессов кратковременного размыкания цепи. Результатом колебаний являются импульсы, в промежутке после нажатия и следующие сразу за отпусканием кнопки.

Разницу между идеальной и реальной формой импульсов видно на рис. 1.

Как видно из рисунка идеальным является сигнал с одним прямоугольным импульсом. На практике всё выглядит иначе. Дребезг изменяет осциллограмму сигнала. Определённые коррективы вносит искрение. Форма импульсов на рисунке сильно приукрашена. В реальной ситуации осциллограмма выглядит более потрёпанной.

Частота и количество касаний контактов зависит:

Дребезг наблюдается и во время размыкания контактов. Обычно при механическом размыкании контакты меньше дребезжат.

На рисунке 2 наглядно изображена осциллограмма напряжения в результате коммутации электрического тока вследствие нажатия на кнопку.

Рисунок 2. Осциллограмма коммутационного тока

На осциллограмме видно серии импульсов, характеризующих процесс дребезга.

Вредное влияние дребезга

Чтобы понять негативные последствия от дребезга, рассмотрим процессы, возникающие при коммутации слабых и мощных электрических цепей. Как только расстояние между контактами оказывается достаточным для зажигания электрической дуги, между ними возникает разряд, который разрушает соприкасающиеся поверхности. Искрение, возникающее при механическом контакте, обычно имеет небольшую разрушающую силу. Но электрическая дуга большой мощности вызывает повышенный износ.

Слабое искрение также приводит к явлению износа контактов, хотя оно не такое разрушительное как при зажигании мощной дуги. В ряде случаев таким износом можно пренебречь. Например, для бытовых выключателей освещения проблемой дребезга никто не занимается, так как он почти не влияет на работу осветительных приборов. Во всяком случае, потребители не замечают последствий такого явления.

Однако повышенный износ контактов не единственная (а во многих случаях даже не самая главная) проблема, с которой сталкиваются электротехники. Частые переключения, вызванные эффектом дребезга – враг номер один для цифровых входов. Схемы различных электронных устройств очень чувствительны к кратковременным частым переключениям токов.

Цифровая электроника воспринимает их за чередование сигналов, состоящих из нулей и единиц. Устройствами считываются ложные коды, вызванные дребезгом при нажатиях кнопки, что приводит к сбоям в работе. Поэтому устранения дребезга является важнейшей задачей, которую приходится решать многим конструкторам и схемотехникам.

Способы устранения и подавления дребезга

Без конструктивного изменения контактной системы устранить либо подавить дребезг принципиально невозможно. Примером таких конструктивных изменения можно наблюдать в узлах галетных переключателей или в кнопках типа П2К. В упомянутых конструкциях дребезг практически отсутствует. Нет его и у механического переключателя ползункового типа.

Аппаратный способ

С целью подавления дребезга в системах слаботочных электромеханических ключей прибегают к смачиванию ртутью контактов, которые помещают в изолирующие колбы. Жидкое состояние ртути частично гасит упругие силы, вызывающие дребезг, а также образует токопроводящие перемычки, не позволяющие разрывать электрическую цепь при соприкосновении контактов.

Для снижения уровня коммутационного износа в различных реле и силовых выключателях применяют искрогасящие цепочки:

Эти цепочки помогают устранить дребезг путём выравнивания скачкообразных характеристик тока. Их подключают параллельно нагрузке либо к контактам реле. Существуют также схемы, в которых искрогасящие цепи подключаются одновременно и к нагрузке и к реле.

Схемы цепей изображены на рис. 3.

Рисунок 3. Схемы искрогасящих цепей

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. В зависимости от того какого результата необходимо достигнуть, применяют ту или иную схему.

Управление приборами чувствительными к дребезгу осуществляется через ФНЧ (например, через RC-цепочку). Обладая электрической емкостью, конденсатор забирает часть энергии в момент касания контактов. После разрыва цепи вследствие дребезга накопленная энергия возвращается. Таким образом, происходит сглаживание амплитуды колебаний.

Установки триггеров

Ещё один способ борьбы с дребезгом состоит в использовании специальных электронных схем, включающих rs-триггеры.

Роль триггеров заключается в преобразовании входного аналогового сигнала в цифровой и инверсии (переворачивания) логических уровней. Наглядно инверсию объясняет схема на рисунке 4.

Рис. 4. Наглядная схема инверсии сигнала

Устройство учитывает только части сигналов, превосходящие заданные пороговые значения, выдавая логические нули и единицы на выходе. Каждый раз восходящий или нисходящий сигнал переключает триггер, когда он проходит верхнее или нижнее пороговое значение. Проще говоря, провалы напряжения компенсируются инвертированными импульсами триггеров.

Простая схема с триггером показана на рисунке 5.

Рис. 5. Наглядная схема подключения rs-триггеров

Промежутки между пороговыми значениями называются гистерезисом. Форма таких импульсов используется для шумоподавления во время переключения логических сигналов. Сигнал от контакта поступает на схему, имеющую передаточную статическую характеристику в виде петли гистерезиса (триггер Шмидта). Только после этого сигнал с выходов триггера подаётся на вход цифрового устройства для тактирования.

Использование герконов

Выше упоминалось, что наличие ртути на контактах подавляет дребезг. Но общеизвестно, что пары этого жидкого металла очень ядовиты. Использовать их в открытых конструкциях, например в тактовых кнопках, небезопасно. Но контакты можно поместить в герметическую колбу, что позволяет применять ртуть. Такие конструкции называются герконами.

Управление контактами герконов осуществляется внешним магнитным полем. Для этого можно использовать постоянные магниты или электромагнитную индукцию. Устройства могут использоваться в маломощных цепях. Они имеют длительный срок службы, так как контакты в них не изнашиваются.

Программный метод

Для устранения дребезгов в различных вычислительных машинах используют программную обработку сигналов. При этом для тактирования берётся сигнал не непосредственно от контакта, а связанная с ним однобитная булевая переменная, сформированная специальной программой:

Сигнал, полученный программным способом, довольно надёжный и устойчивый. К недостаткам такой схемы подавления дребезга можно отнести разве что небольшую задержку сигнала, которая не превышает 0,1 с. Этот промежуток времени настолько мал, что им можно пренебречь во многих случаях. Обычно палец человека задерживается на клавише до момента отпускания кнопки свыше 0,2 с.

Программированные устройства получают сигналы управления с кнопок и передают идеальные импульсы на устройства-потребители, работающие на цифровых микросхемах. В результате отсечения программой сигналов дребезга, на входы микросхемы поступают только качественные импульсы. Это обеспечивает стабильную работу цифровых устройств, противостоит ложному срабатыванию логических дешифраторов, независимо от уровня сигнала и его качества.

Программируемое устройство для устранения дребезга

Заключение

Подытоживая выше сказанное, приходим к выводу: несмотря на несовершенство современных переключателей, мы можем эффективно подавлять дребезг контактов. В зависимости от решаемых задач, существует достаточно способов устранения дребезга. Самые простые из них – аппаратные, с применением низкочастотных фильтров. Очень распространёнными и практичными оказались схемы подавления дребезга с использованием триггеров.

Для управления высокоточными цифровыми устройствами лучше использовать программный метод. Он более дорогой и сложный, но в ряде случаев – безальтернативный.

Источник

Искрение контактов: причины возникновения и способы устранения

Практически все электромеханические коммутирующие устройства со временем начинают сильно искрить. Как вы уже догадались – это искрят контакты, замыкающие и размыкающие различные цепи. Строго говоря, искрение обычных контактов происходит всегда, но оно незначительно. Проблемы начинаются с того момента, когда искрообразование нарушает нормальный режим работы электроприбора, а в области рабочего пространства коммутационного узла ощущается запах озона и гари.

Основные причины искрения

Чтобы ответить на вопрос, почему и при каких обстоятельствах возникает электрическая искра, выясним, какие процессы лежат в основе искрообразования. Собственно говоря, их немного – всего два:

Существует ещё несколько факторов усиливающих процесс искрения. Это износ, превышение значений токов коммутации, ослабление пружин или уменьшение упругости пластин и некоторые другие.

Для лучшего понимания причин искрения рассмотрим более детально физику процесса. Начнём с понятия искры.

Из школьного курса физики известно, что между проводниками, на которых образовались электрические заряды, происходит ионизация воздушного пространства. По нему в определённый момент протекает ток. Если поддерживать разницу потенциалов на определённом уровне, то образуется электрическая дуга, с огромным тепловым излучением. Примером может служить работа сварочного аппарата.

Известно, что заданным током электрическую дугу можно зажечь лишь на определённом расстоянии между электродами. Чем больше разница потенциалов, тем больший промежуток, на котором происходит образование дугового электротока.

Искра – это частный случай кратковременной электрической дуги. Для этого явления справедливы утверждения приведённые выше. Отсюда вывод – для недопущения процесса искрообразования необходимо устранить причины, вызывающие зажигание электрической дуги. В частности, при разомкнутом или замкнутом положении контактов искрение прекращается по причине исчезновения условий для существования тока в ионизированном пространстве.

А теперь остановимся вкратце на процессах, вызывающих искрение в коммутационных устройствах.

Дребезг контактов

Когда катушка реле замыкает электрическую цепь или разрывает контакт, он под действием упругих сил несколько раз отскакивает. В определённые моменты расстояние между контактами оказывается настолько маленькое, что создаются условия для электрического пробоя. Поскольку процесс дребезга длится лишь доли секунды, то образуется именно искра, которая исчезает в положении замкнутого контакта. Искрение прекращается также в том случае, когда цепи полностью разомкнуты.

Влияние индуктивных цепей

Из формулы видно, что ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока. Поэтому, при мгновенном расхождении контактов её величина резко возрастает. Кроме того, на ЭДС самоиндукции влияет индуктивность коммутируемого устройства. В частности, такой принцип коммутации использовался в старых моделях автомобилей. Контакты прерывателя с огромной скоростью разрывали цепь катушки индуктивности, в результате чего на электродах свечей зажигания напряжение достигало десятки киловольт.

В нашем случае напряжение разрыва, конечно же, значительно меньше, однако его вполне достаточно для образования искры. Заметим, что определённой индуктивностью обладают даже обычные провода. Поэтому искрение возможно при отключении нагрузки, находящейся в конце длинных линейных цепей.

Прочие причины искрения

Выше упоминалось о том, что усилить искрение могут различные факторы, связанные с эксплуатацией коммутационных устройств. В данном разделе мы рассмотрим, что происходит под действием некоторых факторов:

Заметим, что в электродвигателях постоянного тока искрят щетки. В оптимальном режиме работы мотора искрение незначительное. Но при перегрузках или в случаях междувитковых замыканий происходит значительное искрообразование, разрушающее коллектор. Похожее явление происходит при плохом прижимании щёток или в результате засорения промежутков между пластинами коллектора.

На рисунке 1 изображен якорь с подгоревшим коллектором.

Рис. 1. Подгоревший коллектор

Искрение наблюдается, когда вставляют в розетку вилки шнуров, во время подключения мощных электроприборов. Явление усиливается, если штырьки штепселя не соответствуют гнезду розетки.

Последствия, к которым приводят плохая коммутация в розетке, показаны на рис.2.

Рис. 2. Последствия плохой коммутации

Последствия

Искрение контактов не проходит бесследно. Возникают побочные следствия, сокращающие срок службы коммутирующих устройств:

Пригоревшие контакты могут залипать, вследствие чего нарушается работа электрооборудования. Если такая неприятность случится в защитных коммутирующих устройствах, это может привести к непредсказуемым ситуациям.

Способы устранения

Выяснив причины искрения, вы можете выбрать действенный способ устранения неполадки. Например, если плохо соединяются контакты, это может быть признаком их засорения сажей. Необходимо удалить весь нагар, используя растворители. Обычно протирают контакты ваткой, пропитанной спиртом. В качестве растворителя подойдёт обычная водка или одеколон.

Изначально поверхность контактов делают очень гладкой для лучшего прижатия их друг к другу. Но в процессе эксплуатации искрение разрушает напыление, вследствие чего появляются шероховатости. Для восстановления работоспособности достаточно отшлифовать поверхность нулёвкой. Если покрытие серебряное – лучше использовать деревянную пластинку, а когда контакт сгорел, то он подлежит замене.

Возможна ситуация, когда искрит замкнутый контакт. Причиной может быть сильное его выгорание или потеря упругости пластины, которая разрывает контакт. Можно попытаться временно восстановить работоспособность реле путём шлифования или попытаться восстановить изгиб пластин.

Мы рассмотрели примеры устранения последствий искрения. Но существует ряд эффективных способов борьбы с причиной этого явления. Остановимся на некоторых из них:

Метод с применением схем для подавления искрения довольно эффективен и не дорогой. При желании каждый, хоть немного разбирающийся в электротехнике человек, может самостоятельно изготовить искрогасящую цепь.

Для гашения искрообразования в индуктивных цепях постоянного тока достаточно установить диод параллельно нагрузке. При этом катод диода необходимо подключить к положительному, а анод соединить с отрицательным полюсом.

На рисунке 3 изображены схемы, объясняющие действие шунтирующего диода. Обратите внимание на то, как индукционный ток рассеивается на диоде, не попадая на коммутационное реле (позиция С).

Рис. 3. Схемы объясняющие действие шунтирующего диода

Для переменного тока устанавливают шунтирующую искрогасительную RC цепь. Накопленная энергия рассеивается на переходном сопротивлении, а не на контактах. Ёмкость шунтирующего конденсатора можно вычислить по формуле: C_ш = I 2 /10, здесь I — рабочий ток нагрузки, а 10 – условная постоянная, позволяющая производить расчёты для простых схем RC цепей.

Сопротивление резистора находим [ 1 ]: Rш = E₀ / (10*I*(1 + 50/E₀)), где E₀ – ЭДС (напряжение) источника питания, I – сила рабочего тока нагрузки, цифра 50 –стандартная частота переменного ток в электросети. Также пользуются для подбора параметров номограммой ниже.

По известным значениям напряжения источника питания U и тока нагрузки I находят две точки на номограмме, после чего между точками проводится прямая линия, показывающая искомое значение сопротивления резистора R. Значение емкости С отсчитывается по шкале рядом со шкалой тока I. Номограмма дает разработчику достаточно точные данные, при практической реализации схемы необходимо будет подобрать ближайшие стандартные значения для резистора и конденсатора RC-цепи.

Сама типовая схема искрогасительной RC цепи изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема искрогасительной RC цепи

Защита контактов от искрения – лучший способ продлить срок службы коммутирующего устройства. Применив несложную схему можно успешно решить задачу, связанную с искрением.

Источник

Что такое дребезг контактов и как его устранить

Определение и суть проблемы в электронике

Дребезг контактов возникает при нажатии на кнопку и переключатель, он возникает из-за реальных вибраций контактной пластины при её перемещении. Любой переключатель устроен так, что у него есть подвижный и неподвижный контакт. Как видно из названия, подвижным называется тот, что соединен с толкателем или рычагом, на который уже нажимает человек или механизм при работе устройства.

Так как кнопки имеют механическое устройство, то от их качества зависит то, как точно они отрабатывают нажатия. При этом в любом случае полностью устранить явление дребезга нельзя. К чему он приводит?

Если клавиша управляет каким-то электронным устройством с цифровым входом, например, микроконтроллера, логического элемента и пр., то его вход распознает столько нажатий, сколько было импульсов послано в результате возникновения дребезга.

Пример осциллограммы дребезга контактов изображен на рисунке ниже:

Устранение эффекта

Чтобы устранить дребезг контактов, возможно использовать аппаратное или программное решение. К аппаратным решениям относится:

Если рассмотреть это явление на примере сдвигового регистра, то в этом видео наглядно показано его воздействие. После каждого нажатия кнопки должен загораться следующий светодиод.

Схема включения регистра и светодиодов на рисунке ниже:

Кнопка подключена так, как показано на схеме:

Пример осциллограммы сигнала с выраженным дребезгом:

Установив конденсатор на 1 мкФ параллельно кнопке для его подавления, получаем стабильное и точное срабатывание:

А фронт сигнала переключения, как вы можете убедиться, действительно завален, зато без лишних всплесков.

Альтернативой такому решению защиты от этого эффекта, без заваливания фронта и с большим быстродействием является использование триггера Шмидта. Типовая его схема изображена ниже:

На следующем рисунке изображены другие варианты схем на логических элементах для борьбы с дребезгом контактов:

Кроме аппаратного устранения, как было сказано, есть и программный способ решения данной проблемы. Он заключается в написании кода, смысл которого в считывании изменения сигнала, выдержки определенного времени и повторного его считывания.

Пример программного подавления дребезга контактов в Arduino IDE вы можете скачать, перейдя по ссылке: код для подавления дребезга.

Дребезжание реле

Кроме дребезга кнопок в цифровых электронных схемах также доставляет проблемы дребезг контактов в схемах управления реле. К таким схемам можно отнести сумеречное реле или различные датчики протока, а также регуляторы температуры. Когда датчик выдаёт сигнал на пороге срабатывания устройства, получается неопределенное состояние и логика схемы то включает, то отключает его. И при срабатывании реле не всегда наблюдается устойчивое удержание контактов, оно начинает как бы вибрировать, включаясь и отключаясь. На эпюре ниже наглядно изображена эта проблема на примере регулятора температуры:

Решением этой проблемы также является установка порогового элемента петлей гистерезиса в его передаточных статических характеристиках, то есть триггера Шмидта или Компаратора на операционном усилителе. На схеме ниже изображен исходный вариант с рассмотренной на графике проблемой:

А так выглядит схема с дополнением в виде задержки включения на логических элементах 2И-НЕ отечественной микросхемы К561ЛА7:

Иногда с этой же проблемой справляются с помощью установки стабилитрона в сигнальные цепи.

Аналогично дребезгу кнопок при включении реле, его контакты могут повторно несколько раз перекоммутироваться. Явление опасно тем, что в этот момент происходит зажигание и гашение дуги, что значительно снижает срок службы аппарата. Особенно часто это происходит при срабатывании реле на переменном токе.

Всё это связано с механической структурой герконов, реле и других коммутаторов. Их контакты замыкаются не моментально, а в течении долей, единиц или десятков миллисекунд. Чтобы продлить срок службы реле, ознакомьтесь со способами, которые мы описывали в статье о том, почему искрят контакты.

Также рекомендуем посмотреть хорошее видео на эту тему:

Теперь вы знаете, что такое дребезг контактов реле и какие способы борьбы с ним наиболее эффективны. Если возникли вопросы, задавайте и в комментариях под статьей!

Источник