Kytkimien ja releiden laitteistovaimennuksen toteuttaminen, kun ohjelmallinen toteutus ei ole hyvä ratkaisu

Sähkö- ja elektroniikkasuunnittelussa kytkin on komponentti, jolla voidaan muodostaa tai katkaista virtapiiri. Tällöin sähkövirta katkeaa tai se ohjataan johtimelta toiselle. Suunnittelijat tietävät hyvin, että saatavana on monenlaisia kytkimiä, kuten vipukytkimiä, keinuvipukytkimiä, painikekytkimiä, mikro- ja rajakytkimiä, magneetti- ja reed-kytkimiä sekä releitä. Niillä kaikilla on yksi yhteinen ominaisuus: ne värähtelevät. Ne vain yksinkertaisesti tekevät niin.

Värähtely vaikuttaa yleensä piiriin vain vähän tai ei lainkaan, mutta jos digitaalinen piiri on niin nopea, että se tunnistaa useita värähtelyjä ja reagoi niihin, seuraukset voivat olla vakavia. Suunnittelijan täytyykin poistaa värähtelyn vaikutukset tai vähentää niitä eli ”vaimentaa” kytkin. Alalla on käytetty laitteistoon perustuvaa vaimennusta jo pitkään, mutta hiljattain on alettu käyttämään enemmän ohjelmistoon perustuvaa vaimennusta. Laitteistoon perustuva vaimennus on kuitenkin joissakin tilanteissa parempi vaihtoehto.

Tässä artikkelissa selitetään värähtelyilmiö ja käsitellään sen vaimentamista ohjelmiston ja laitteiston avulla. Lisäksi siinä kuvaillaan tapauksia, joissa laitteiston käyttäminen vaimennukseen on parempi vaihtoehto, minkä jälkeen esitellään vaimennuksen toteuttamista. Kytkinlaitteiden ja laitteistopohjaisten vaimennuskomponenttien esimerkkeinä käytetään laitteita yrityksiltä NKK Switches, ON Semiconductor, Texas Instruments, Maxim Integrated ja LogiSwitch.

Mitä kytkimen värähtely tarkoittaa?

Kun kytkin tai rele käännetään tai kytketään, ihmisen havaitsee yhden välittömän vasteen. Kukin laitteen tilamuutos voi itse asiassa kuitenkin sisältää jopa yli sata kytkentää ja irrotusta useiden sekunnin tuhannesosien aikana, joiden jälkeen kosketin asettuu viimein paikalleen.

Esimerkkinä voidaan käyttää vaikkapa NKK:n normaalisti avointa (NO) paneeliasennettavaa SPST-vipukytkintä M2011SS1W01 (yksi piiri, yksi kytkentäpiste). Oletetaan, että tämän kytkimen toinen puoli, jota voidaan pitää tulona, on kytketty maahan (0 volttia), ja sen toinen puoli eli tässä tapauksessa lähtö on kytketty 5 voltin virtalähteeseen (merkintä +ve) ylösvetovastuksen (R1) kautta (kuva 1).

Kuva 1: SPST-NO-vipukytkimessä voi tapahtua värähtelyä sekä silloin, kun kytkin kytketään päälle (aktivoidaan), että silloin, kun se kytketään pois päältä (deaktivoidaan). (Kuvan lähde: Max Maxfield)

Huomaa, että kytkimessä voi tapahtua värähtelyä sekä silloin, kun kytkin aktivoidaan (suljetaan), että silloin, kun se deaktivoidaan (avataan). Värähtely voi toisinaan ulottua maatasosta käyttöjännitetasoon saakka (tässä loogiset tilat 0 ja 1). Värähtely on silloin ”puhdasta”. Jos signaalijännite jää kuitenkin näiden tasojen välille, värähtely on ”epäpuhdasta”.

Paneeliasennettavissa SPDT-vipukytkimissä (yksi piiri, kaksi kytkentäpistettä), kuten NKK M2012SS1W01-BC, värähtelyä voi esiintyä sekä normaalisti avoimessa (NO) että normaalisti suljetussa (NC) terminaalissa (kuva 2). Kuvassa on selkeyden vuoksi esitetty vain ”puhdas” värähtely.

Kuva 2: SPDT-vipukytkimessä voi tapahtua värähtelyä sekä NO- että NC-terminaaleissa, kun kytkin aktivoidaan tai deaktivoidaan. (Kuvan lähde: Max Maxfield)

Signaalin värähtely kestää usein niin lyhyen ajan, ettei sillä ole merkitystä. Ongelmia syntyy, kun kytkin kytketään elektroniseen laitteeseen, joka on riittävän nopea havaitsemaan useita värähtelyjä ja reagoimaan niihin. Silloin tarvitaan keino, jolla kytkimestä tulevaa signaalia voidaan vaimentaa, ennen kuin elektroniikkalaite reagoi siihen.

Ohjelmisto- ja laitteistopohjainen vaimentaminen

Kytkimen vaimennukseen käytettiin 1960- ja 1970-luvuilla monenlaisia laitteistoon perustuvia tekniikoita, jotka vaihtelivat SPST-kytkimen kanssa käytettävistä yksinkertaisista vastus-kondensaattori (RC) ‑viivästyspiireistä sofistikoituneempiin SR-tyyppisiin (set/reset) kiikkuihin.

Ohjelmallisten menetelmien käyttö kytkimestä tulevan signaalin vaimennukseen on kuitenkin yleistynyt viime aikoina etenkin siksi, että monissa järjestelmissä käytetään mikroprosessoria (MPU) tai mikrokontrolleria (MCU). Vaimentaminen ohjelmiston avulla ei kuitenkaan aina ole paras mahdollinen ratkaisu. Joissakin sovelluksissa käytetään pieniä, suorituskyvyltään heikkoja ja vain vähän muistia sisältäviä prosessoreita, jotka pystyvät tarjoamaan vaimennusrutiineja varten vain rajoitetusti kooditilaa ja/tai kellosyklejä. Silloin laitteistoon perustuva ratkaisu voi olla parempi vaihtoehto.

Monet ohjelmistokehittäjät eivät myöskään tunne kytkimien fyysisiä ominaisuuksia, kuten sitä, että myös lämpötilan ja kosteuden kaltaiset ympäristöolosuhteet voivat vaikuttaa kytkimen värähtelyominaisuuksiin sen lisäksi, että värähtely vaihtelee aktivoinnista toiseen.

Ohjelmistokehittäjien kytkinasiantuntemuksen puutetta pahentaa lisäksi se, että kytkimen värähtelyä koskeva kirjallisuus on usein sekavaa ja ristiriitaista. On esimerkiksi tavallista lukea, että kytkimen värähtely loppuu 1 millisekunnin (ms) kuluessa sen aktivoinnista tai deaktivoinnista. Tunnettu sulautettujen järjestelmien asiantuntija Jack Ganssle on kuitenkin tehnyt empiirisiä kokeita monilla eri kytkintyypeillä. Hän aktivoi kunkin kytkimen 300 kertaa ja kirjasi värähtelyn minimi- ja maksimiarvot sekä koskettimien avaukselle että sulkemiselle. Hänen raporttiensa mukaan värähtely kesti keskimäärin 1,6 ms ja pisimmillään peräti 6,2 ms. Joissakin teollisuuden ja sotilasalan ”parhaissa käytännöissä” suositellaan odottamaan aktivoinnin jälkeen 20 ms, ennen kuin oletetaan, että kytkimen värähtely on loppunut, kun taas toisissa kehotetaan odottamaan toimintojen käynnistämiseen 20 ms viimeisestä havaitusta värähdyksestä.

Lisäksi kytkinten värähtelyä joudutaan vaimentamaan myös monissa yksinkertaisissa järjestelmissä, joissa ei käytetä prosessoria. Tällaisia ovat esimerkiksi releen pulsseja laskeva binäärilaskuri, joka ohjaa seitsensegmenttistä näyttöä; moottoroidun oven tai portin ohjaukseen käytettävän kertatoimisen 555-ajastimen aktivointitulo sekä rekisteripohjainen äärellinen automaatti (FSM), jossa käytetään näppäimistösyötteitä. Kytkimen värähtelyn vaimennus voi olla vaikeaa myös elektronisissa trimmeripotentiometreissä, joiden arvoja muokataan kytkintuloilla (ylös, alas ja joskus tallennus).

Näiden esimerkkien valossa on ilmeistä, että jokainen suunnittelija ja kehittäjä hyötyy laitteistopohjaisen vaimennuksen perustuntemuksesta.

SPST-kytkimen laitteistoon perustuva vaimennus RC-verkolla

Vastus-kondensaattoriverkon (RC) käyttö SPST-kytkimen kanssa on eräs yksinkertainen laitteistoon perustuva vaimennusratkaisu. Tällaisesta piiristä on olemassa paljon erilaisia variaatioita. Hieman monipuolisemmassa toteutuksessa käytetään kahta vastusta ja diodia (kuva 3).

Kuva 3: Kun SPST-kytkimen (ylhäällä) vaimennukseen käytetään RC-verkkoa, diodin (D1) lisääminen pakottaa kondensaattorin (C1) latautumaan vastuksen R1 kautta ja purkautumaan vastuksen R2 kautta. (Kuvan lähde: Max Maxfield)

Kun kytkin aktivoidaan (suljetaan), kondensaattori C1 purkautuu vastuksen R2 kautta. Jos piirissä ei olisi diodia D1, C1 latautuisi vastusten (R1 + R2) kautta, kun kytkin deaktivoidaan (avataan). D1-diodin ansiosta C1 latautuu kuitenkin vain R1:n kautta.

Joissakin tapauksissa merkitystä on vain kytkimen aktivoinnilla (esim. tapahtumien liipaisu), jolloin D1 voidaan jättää pois. Jos tarkoituksena on kuitenkin liipaista tapahtumia sekä kytkimen aktivoinnilla että deaktivoinnilla ja jos viiveen minimointi on tärkeää, D1 kannattaa ottaa mukaan.

Huomaa kondensaattorin jännitteen V_C eksponentiaaliset lataus- ja purkukäyrät. Tätä signaalia ei kannattaisi syöttää suoraan sellaisen digitaalisen logiikkatoiminnon tuloon, jossa signaalin löntysteleminen loogisten arvojen 0 ja 1 välisellä määrittämättömällä alueella aiheuttaisi häiriöitä. Signaali syötetään sen sijaan puskuriin, jossa on Schmitt-laukaisutulo. Puskuri on myös yleensä invertoiva, esimerkiksi Texas Instruments CD74HC14M96 ‑laitteen yksi kanava, koska invertoivat toiminnot kytkevät nopeammin kuin ei-invertoivat.

SPDT-kytkimen vaimennus SR-kiikulla

SPDT-kytkimien laitteistopohjaiseen vaimennukseen käytetään yleisesti SR-kiikkua. Tätä lähestymistapaa on pidetty yksinkertaisten laitteistopohjaisten vaimennusratkaisujen eliittinä siitä lähtien kun IBM käytti tätä tekniikkaa keskusyksikköjensä kytkentäpaneeleissa 1960-luvulta lähtien. Kiikun voi muodostaa kahdella selätysten asennetulla kahden tulon NAND-portilla käyttämällä esimerkiksi nelikanavaista kahden tulon Texas Instruments SN74HC00DR ‑NAND-mikropiiriä (kuva 4).

Kuva 4: NAND-pohjainen SR-kiikku on erittäin tehokas tapa vaimentaa SPDT-kytkimen värähtelyä. (Kuvan lähde: Max Maxfield)

Kun kytkimen NC-terminaali kytketään maahan (kuvan 4 yläpuolisko), se pakottaa g2-portin lähdön loogiseen tilaan 1, ja g1-portin tulojen kaksi loogista 1-tilaa puolestaan pakottavat lähdön loogiseen tilaan 0. Jos taas kytkimen NO-terminaali kytketään maahan (kuvan 4 alapuolisko), se pakottaa g1-portin lähdön loogiseen tilaan 1, ja g2-portin tulojen kaksi loogista 1-tilaa puolestaan pakottavat lähdön loogiseen tilaan 0.

Piiri toimii näin hyvin siksi, että kun molemmat tulot ovat epäaktiivisessa loogisessa tilassa 1, SR-kiikku muistaa aiemman arvonsa. Muista, että kuten kuvassa 2 on esitetty, SPDT-kytkimen asentoa vaihdettaessa ensimmäisenä värähtelee se terminaali, joka on muutoshetkellä kytketty maahan. Koska värähtelyt tapahtuvat alkuperäisen arvon (looginen 0) ja uuden arvon (looginen 1) välillä, ne eivät vaikuta SR-kiikun tilaan. Vastapuoli alkaa värähdellä vasta tämän terminaalin värähtelyn loputtua, ja nyt SR-kiikun tila muuttuu.

SPST-kytkimen vaimennus erillisellä laitteella

Edelliseen ratkaisuun liittyy sellainen ongelma, että monet suunnittelijat käyttävät mieluummin SPST-kytkimiä, koska ne ovat yleensä SPDT-kytkimiä halvempia. Markkinoilla on lukuisia tunnettuja erillisiä SPST-vaimentimia, kuten ON Semiconductor MC14490DWG ja Maxim Integrated MAX6818EAP+T.

LogiSwitch puolestaan tarjoaa valikoiman kolmi-, kuusi- ja yhdeksänkanavaisia vaimennusratkaisuja sekä läpiasennettavina että pinta-asennettavina (SMD) versiona. Esimerkiksi käy piiri, jossa käytetään LogiSwitch LS18-S ‑laitetta (kuva 5).

Kuva 5: SPDT-kytkimen vaimennukseen käytettävä erillinen kolmikanavainen LS18-S-siru (saatavana on myös kuusi- ja yhdeksänkanavaiset laitteet). (Kuvan lähde: Max Maxfield)

LS18-S tukee LogiSwitch-tuoteperheen muiden jäsenten tapaan 2,5–5,5 voltin käyttöjännitettä (syöttöjännitteen arvo ei vaikuta laitteen vasteaikaan). Toisin kuin joissakin muissa erillisissä mikropiiriratkaisuissa, LogiSwitchin vaimennuslaitteiden tuloissa tai lähdöissä ei tarvita ulkoisen kellon, RC-ajastusverkon tai ylösvetovastuksen kaltaisia lisäkomponentteja.

LS18-S-laitteessa käytetään LogiSwitchin omaa mukautuvaa NoBounce-teknologiaa, jolla saavutetaan hyvä häiriönsieto. Alle 20 ms:n kohinapiikit eivät pysty käynnistämään tai lopettamaan sykliä, ja lähtöjä viivytetään värähtelyn kestosta riippumatta 20 ms kytkimen viimeisestä värähdyksestä sekä aktivoinnin että vapautuksen yhteydessä.

Yhteenveto

Saatavana on monenlaisia kytkimiä, kuten vipukytkimiä, keinuvipukytkimiä ja painikekytkimiä, jotka kaikki saattavat värähdellä. Ellei kytkimen värähtelyä vaimenneta, mikroprosessorit ja muut elektroniikkapiirit saattavat nähdä yhdessä kytkimen aktivoinnissa useita tapahtumia.

Kytkimen värähtelevä signaali vaimennetaan usein mikrokontrollerissa ajettavalla ohjelmistolla. Vaikka tällainen ratkaisu on edullinen, se ei ole aina paras vaihtoehto esimerkiksi mikrokontrollereissa, joiden suorituskyky ja muisti ovat rajallisia, kun ohjelmistokehittäjillä ei ole kytkimiin liittyvää asiantuntemusta tai kun järjestelmässä ei ole mikrokontrolleria.

Vaimennus voidaan toteuttaa myös laitteiston avulla, jolloin käytettävissä on useita lähestymistapoja vastus-kondensaattoriverkoista SR-kiikkuihin ja aina erillisiin integroituihin piireihin asti.