Дребезг контактов

Автор Лимонов Максим, Среда, Март 24, 2021, 00:39:15

« предыдущая тема - следующая тема »
Вниз

Лимонов Максим

Среда, Март 24, 2021, 00:39:15 Последнее редактирование: Пятница, Апрель 09, 2021, 08:11:14 от Лимонов Максим
Тема: Дребезг контактов
Исполнитель: Лимонов Максим Андреевич, студент гр. 941
Руководитель - Русинов Владислав Леонидович, руководитель СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация"

ДРЕБЕЗГ КОНТАКТОВ

 1. Определение и суть проблемы в электронике
 Дребезг контактов электрического или электронного переключателя - распространенное явление, которое возникает в результате нестабильного переключения. В этом случае вместо четкого переключения появляются случайные неконтролируемые многократные замыкания и размыкания контактов. Все это происходить в короткий момент переключения, длятся такие замыкания приблизительно 40-100 миллисекунд.
 Другими словами, дребезг контактов - кнопки и переключатели находятся в «состоянии неопределенности», а переключатель не в состоянии выбрать одно из дискретных состояний.
 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.

Рисунок 1 - Осциллограммы дребезга контактов

 2. Вредное влияние дребезга
 Практически все механические кнопки, контакторы и переключатели в той или иной степени подвержены дребезгу.
 Дребезг контактов - почти всегда нежелателен в технических устройствах. Так, например, при коммутации мощных электрических цепей происходит многократное зажигание и гашение электрической дуги или искрение между контактами, что вызывает повышенный износ контактов.
Некоторые электронные компоненты, например электролитические конденсаторы, имеют ограниченный ресурс по количеству циклов перезаряда большими импульсными токами. Коммутация таких конденсаторов электромеханическими контактами может снижать срок их службы.
 При использовании электромеханических контактов (например, кнопок) для управления электронными цифровыми устройствами необходимо учитывать вредное влияние дребезга. Дребезг не вызывает побочное нежелательное влияние на асинхронные входы цифровых устройств (например, входы установки триггеров, счетчиков, регистров сдвига в одно из начальных состояний), но совершенно неприемлемо непосредственное управление от механических контактов синхронных входов цифровых устройств (счетные входы триггеров, счётные входы счетчиков и др.), что неизбежно приведёт к сбоям кодов при работе таких устройств - случайное многократное изменение состояния счетчиков, регистров сдвига.
 3. 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 плитку. Сила упругости возвращает его в положение, близкое к изначальному, откуда шарик снова падает на плитку и процесс повторяется. Происходит колебательное движение с задающей амплитудой.
 Аналогичное 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 в ее вполне достаточно для провоцирования серии процессов кратковременного размыкания цепи. Результатом колебания являются импульсы, в промежутке после нажатия и следующие сразу за отпусканием кнопки.

Рисунок 2 - Сравнение идеального импульса с реальным

 Как видно из рисунка идеальным является сигнал с одним прямоугольным импульсом. На практике все выглядит иначе.
 Дребезг изменяет осциллограмму сигнала Определенные коррективы вносят искрение. Форма импульсов на рисунке сильно приукрашена. В реальной ситуации осциллограмма выглядит более "потрепанной".
 Частота и количество касаний контактов зависит:
  • от свойств компонентов коммутирующего узла;
  • уровня напряжения на обмотке реле;
  • от упругости пружины и некоторых других факторов.

 Дребезг наблюдается и во время размыкания контактов. Обычно при механическом размыкании контакты меньше дребезжат.
 На рисунке 3 наглядно изображена осциллограмма напряжения в результате коммутации электрического тока вследствие нажатия на кнопку.

Рисунок 3 - Осциллограмма коммутационного тока

 4. 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.
 4.1 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:
  • шунтирующие RC-цепи;
  • варисторы, препятствующие скачкообразному изменению напряжения; обратные диоды, подавляющие напряжения самоиндукции;B стабилитроны;
  • комбинированные схемы (варистор +RC-цепь).

 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.

Рисунок 4 - Схемы искрогасящих цепей

 У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. В зависимости от того какого результат необходимо достигнуть, применяют ту или иную схему.
 4.1.1 Устранение дребезга с помощью RC-цепи
 Рассмотрим на примере подключения через Ардуино.
 Схема подключения кнопки без аппаратной защиты от дребезга:

Рисунок 5 - Схема подключения кнопки к Ардуино

 Добавив пару дополнительных элементов в схему мы сможем полностью избавиться от дребезга, не усложняя при этом код. А добавим мы инвертирующий триггер Шмитта и конденсатор. Мы построим RC-цепь с инвертирующим триггером.
Вот так это выглядит на схеме:


Рисунок 6 - RC- цепь с инвертирующим триггером(Шмитта)

 Резистор 10 кОм у нас теперь подтягивает вывод не к земле, а к +5В. Причём подтягивается не вход Ардуино, а вход инвертирующего триггера и заодно, конденсатор. Кнопка же, наоборот, подключена к земле. Сделано это в связи с тем, что триггер у нас инвертирующий. Суть такова: входящий аналоговый сигнал может быть восходящим, либо нисходящим. Внутри триггера определены пороговые значения: ~1,6 В -- для нисходящего сигнала и ~0,9 В -- для восходящего. Выход триггера становится логической единицей (5 В), при прохождении нисходящим сигналом через свой порог в 0,9 В, при этом нисхождение восходящим сигналом верхнего порога в 1,6 В будет проигнорировано. Аналогично, выход триггера становится логическим нулём (0 В), только когда восходящий сигнал проходит свой порог в 1,6 В, при этом проигнорируется прохождение нисходящим сигналом нижнего порога в 0,9 В. Зона неопределённости между порогами называется гистерезисом. То есть триггер переворачивает сигнал. Конденсатор с резистором образует RC-цепь. RC -- от английских названий резистора и конденсатора (resistor и capacitor). RC-цепь замедляет затухание сигнала. То есть при снятии напряжения, оно пропадёт не сразу, а будет плавно снижаться. При нажатии кнопки мы прижмём RC-цепь к земле, конденсатор начнёт разряжаться и напряжение начнёт плавно падать. После отпускания кнопки, напряжение начнёт так же плавно расти:

Рисунок 7 - График изменения напряжения RC - цепи

 Инвертирующий триггер выполняет 2 функции:
  • он инвертирует (переворачивает) логические уровни: единица становится нулём, а ноль становится единицей.
  • он преобразует аналоговый сигнал в цифровой. То есть, в определённый момент, когда конденсатор разрядится до определённого уровня, триггер выдаст логическую единицу. Затем это нужно? При отпускании кнопки, при достижении определённого уровня заряда конденсатора, триггер установит на выходе низкий уровень. Сигнал на выходе триггера не будет зависеть от дребезга:


Рисунок 8 - График изменения напряжения на выходе инвертирующего триггера Шмитта

 4.2 Установка триггеров
 Способ борьбы с дребезгом с применением электронных схем, включающих rs-триггеры.
 Роль триггеров заключается в преобразовании входного аналогового сигнала в цифровой и инверсии(переворачивания) логических уровней.

Рисунок 9 - Наглядная схема инверсии сигнала

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


Рисунок 10 - 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.
 4.3 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.
 4.4 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:
  • путём временной задержки сигнала, на период вероятного дребезга контактов;
  • методом многократного считывания состояния контактов, на заданном временном интервале. Программа считает цепь замкнутой, если на этом промежутке времени наступает период устойчивого замыкания контакта;
  • используя алгоритм подсчёта, при котором учитывается количество совпадающих значений сигналов замкнутости в определённый промежуток времени (в пределах от 10 до 100 мкс). Если программой будет замечено заданное число совпадений состояния замкнутости, она посчитает контакт устойчиво замкнутым и пропустит сигнал.

 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.


Рисунок 11 - Программируемое устройство для устранения дребезга

 5. 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.






RVL

Добрый вечер, Максим!
Это все, а где методы устранения дребезга?

Лимонов Максим

Добрый вечер, Максим!
Это все, а где методы устранения дребезга?
Доброго времени суток!
Дополнил работу.

RVL

#3
Четверг, Апрель 08, 2021, 17:38:25 Последнее редактирование: Четверг, Апрель 08, 2021, 17:40:02 от RVL
Добрый день!

Иллюстрацией может служить металлический шарик, падающий на стальную плитку. Сила упругости возвращает его в положение, близкое к изначальному, откуда шарик снова падает на плитку и процесс повторяется. Происходит колебательное движение с задающей амплитудой.
Сомневаюсь, подчеркнуто!

RVL

Покажите, подробнее, устранение дребезга с помощью RC-цепи.

Лимонов Максим

Покажите, подробнее, устранение дребезга с помощью RC-цепи.
Доброго времени суток!
Дополнил пунктом 4.1.1

RRD

#6
Пятница, Апрель 09, 2021, 09:47:09 Последнее редактирование: Пятница, Апрель 09, 2021, 09:51:40 от RRD
Владислав Леонид, Максим, здравствуйте!
Действительно - на практике дребезг контактов - весьма существенная проблема, особенно в каналах ввода дискретных сигналов в контроллеры.
Данная проблема достаточно сильно обостряется в течении эксплуатации из-за загрязнения и (или) подгорания контактов.
Решение в общем случае может быть разделено (с точки зрения теории надёжности) на три направления:
1. На этапе проектирования - закладывать в конструктив и работу системы способы и методы, исключающие проявления данной проблемы в течении всего срока службы систем автоматизации. Сюда относятся программные способы исключения дребезга контактов, сюда же можно отнести применение твердотельных реле, герконов и т.д. Неплохим решением является введение в проблемные участки схемы (например, для запылённых условий эксплуатации) контактов с высоким напряжением коммутации и последующей их гальванической развязкой. Неплохим решением для замкнутых контактов является введение миниатюрных реле времени с задержкой на отпускание. Неплохо так же работают т н релейные схемы "с голосованием" и запараллеливание нормально-разомкнутых групп контактов реле.
2. На этапе реализации АСУ - применение качественных компонентов. Ни для кого не секрет - качество компонентов, в том числе контактных, весьма различно в зависимости от производителя. На данном этапе так же следует выполнять выбор компонентов в соответствии с условиями эксплуатации - влажности, запылённости, воздействии агрессивных сред, климатическими условиями.
3. Этап эксплуатации. Подрозумевает  четкое планирование (отдельный интересный вопрос) и выполнение планово-предупредительных ремонтов, а именно проведение технических обслуживаний (ТО) и технических ремонтов (ТР). Перефразируя и сокращая рекомендации по данному вопросу теории надёжности: "если не делать плановые отказа (останов оборудования на ТО), появятся внезапные отказы. Применительно к контактам, на практике их надо почистить и помыть.

RRD

У меня имеется определенный опыт работы по устранению дребезга контактов.
Не знаю - уместно ли здесь его выкладывать, все же здесь конференция, а не форум.
Но готов всегда поделиться своими знаниями и навыками...

Лимонов Максим

Владислав Леонид, Максим, здравствуйте!
Действительно - на практике дребезг контактов - весьма существенная проблема, особенно в каналах ввода дискретных сигналов в контроллеры.
Данная проблема достаточно сильно обостряется в течении эксплуатации из-за загрязнения и (или) подгорания контактов.
Решение в общем случае может быть разделено (с точки зрения теории надёжности) на три направления:
1. На этапе проектирования - закладывать в конструктив и работу системы способы и методы, исключающие проявления данной проблемы в течении всего срока службы систем автоматизации. Сюда относятся программные способы исключения дребезга контактов, сюда же можно отнести применение твердотельных реле, герконов и т.д. Неплохим решением является введение в проблемные участки схемы (например, для запылённых условий эксплуатации) контактов с высоким напряжением коммутации и последующей их гальванической развязкой. Неплохим решением для замкнутых контактов является введение миниатюрных реле времени с задержкой на отпускание. Неплохо так же работают т н релейные схемы "с голосованием" и запараллеливание нормально-разомкнутых групп контактов реле.
2. На этапе реализации АСУ - применение качественных компонентов. Ни для кого не секрет - качество компонентов, в том числе контактных, весьма различно в зависимости от производителя. На данном этапе так же следует выполнять выбор компонентов в соответствии с условиями эксплуатации - влажности, запылённости, воздействии агрессивных сред, климатическими условиями.
3. Этап эксплуатации. Подрозумевает  четкое планирование (отдельный интересный вопрос) и выполнение планово-предупредительных ремонтов, а именно проведение технических обслуживаний (ТО) и технических ремонтов (ТР). Перефразируя и сокращая рекомендации по данному вопросу теории надёжности: "если не делать плановые отказа (останов оборудования на ТО), появятся внезапные отказы. Применительно к контактам, на практике их надо почистить и помыть.
Приветствую!
Спасибо большое за информацию! :3
Приму к сведению.

RVL

Не знаю - уместно ли здесь его выкладывать, все же здесь конференция, а не форум.
Но готов всегда поделиться своими знаниями и навыками...
очень даже уместно, выкладывайте обязательно, потому что мы со студентами в СКБ, при разработке микроконтроллерных устройств, постоянно с этой проблемой сталкиваемся!!!

RRD

На практике мною дребезг контактов (и методы борьбы с ним) условно был разделен на два вида:
1. "Быстрый" дребезг - до 0,1 секунды. Возникает на контактах коммутирующих компонентов (кнопок, переключателей, реле). Так же данный дребезг проявляется при воздействии вибрации (от работы технологического оборудования). Проявление, как правило, наблюдается на контактах дискретных датчиков технологических параметров (давления, температуры, концевые выключатели и др.) нетриггерного действия при нормальном значении технологического параметра.
Устраняется:
- программным способом;
- применением RC- и др. цепей;
- использованием кнопок, технологических датчиков триггерного принципа действия или твердотельных (полупроводниковых) датчиков;
- применением переключателей без разрыва коммутирующих цепей (где это возможно).
Не лишним будет использование нескольких подходов, например: триггерные датчик давления с гашением искрения на его контактах RC-цепью.
2. "Длительный" дребезг - более 0.1 секунды. Примером такого дребезга является дребезг при загрязнении контактов реле (подгорание, запыливание или другое загрязнение). Так же длительный дребезг наблюдается на контактах дискретных датчиков технологических параметров нетриггерного действия при достижении технологическим параметром аварийного значения, т.е. срабатывании нетриггерного датчика.
Данный тип дребезга ввиду его непредсказуемости по длительности проявления программно исключить довольно сложно. Как показал мой опыт, RC-цепи и другие подобные мероприятия работают неэффективно, т.е. на данные способы полагаться нельзя.
Устранение длительного дребезга.
В случае с дребезгом контактов реле отлично работает запараллеливание их групп контактов. В случае с дискретным датчиком эффективным способом (если это возможно технологически) является установка реле времени между датчиком и дискретным входом контроллера, при этом у реле времени измерительная часть должна быть электронной (электромеханическая измерительная часть имеет малый ресурс и быстродействие).
Для запылённых условий эксплуатации достаточно эффективным способом является применение высокого (220 В АС) напряжения с последующей гальванической развязкой с помощью миниатюрных реле. Многие линейки контроллеров имеют в своем составе имеют высоковольтные модули дискретных вводов - развязка при этом не требуется.

RVL

Сможете начертить принципиальную схему для этого рисунка -
Рисунок 6 - RC- цепь с инвертирующим триггером(Шмитта)
?

Вверх