Переключатели и кнопки: виды, схемы подключения и выбор

Кнопка кажется самой понятной деталью в схеме: нажал, замкнулось, отпустил, разомкнулось. Ровно до того момента, когда микроконтроллер вместо одного нажатия насчитывает восемь, а тумблер, честно рассчитанный на 250 вольт, выгорает в цепи на двенадцать. Первое это дребезг контактов, второе разница между переменным и постоянным током при размыкании. Разберем систему обозначений SPST и SPDT, ловушку четырехвыводной тактовой кнопки, посчитаем ресурс и постоянную времени фильтра на живых числах и покажем, как подавить дребезг схемой и программой.

Содержание

• Кнопка, выключатель, переключатель
• SPST, SPDT, DPDT: как читать
• Нормально разомкнутый и нормально замкнутый
• Виды по конструкции
• Тактовая кнопка и ее ловушка
• Ресурс: расчет на числах
• Ток и напряжение: почему постоянный тяжелее
• Ток смачивания и позолоченные контакты
• Дребезг контактов
• Подавление схемой: расчет фильтра
• Подавление программой
• Подтягивающий резистор
• Сводные таблицы
• Как проверить мультиметром
• Как выбрать
• Типичные ошибки
• Частые вопросы

Кнопка, выключатель, переключатель

Все три слова описывают одно и то же устройство, механически замыкающее или размыкающее цепь. Различаются они поведением после того, как вы убрали палец.

Кнопка без фиксации. Контакт замкнут только пока на нее нажимают. Отпустили, пружина вернула все в исходное состояние. Так работают клавиши, кнопки сброса и управления.

Выключатель, он же кнопка с фиксацией. Нажали, зафиксировалось, нажали снова, отпустилось. Механизм фиксации внутри защелкивает толкатель.

Переключатель. Имеет несколько устойчивых положений и переводит цепь из одной в другую. Тумблер, ползунок, поворотная галета.

Практический смысл различия простой: кнопка без фиксации требует, чтобы состояние запоминала схема или программа, а выключатель хранит его в себе механически. Для устройства, которое должно помнить положение после пропадания питания, это принципиально.

SPST, SPDT, DPDT: как читать

Система обозначений выглядит загадочно, но расшифровывается за минуту. В ней всего две величины.

Число полюсов, то есть сколько независимых цепей коммутируется одним движением. Обозначается первой парой букв: SP это один полюс, DP это два, есть и 3P, и 4P.

Число направлений, то есть сколько рабочих положений имеет каждый полюс. Обозначается второй парой: ST это одно направление, DT это два.

Собираем.

• SPST. Один полюс, одно направление. Обычный выключатель: замкнуто или разомкнуто. Два вывода.
• SPDT. Один полюс, два направления. Перекидной контакт: общий вывод соединяется то с одним, то с другим. Три вывода.
• DPST. Два полюса, одно направление. Две независимые цепи включаются одновременно. Например, разрыв обоих проводов сети сразу.
• DPDT. Два полюса, два направления. Шесть выводов. Классическое применение это реверс двигателя: одним движением меняются местами оба провода питания.

В отечественной традиции те же вещи обозначают иначе: замыкающий контакт, размыкающий и переключающий. Та же логика применяется и к реле, о которых написано в статье про устройство, виды и принцип работы реле.

Нормально разомкнутый и нормально замкнутый

Слово «нормально» здесь означает состояние покоя, когда на кнопку никто не давит.

Нормально разомкнутый контакт в покое разомкнут и замыкается при нажатии. Это подавляющее большинство кнопок.

Нормально замкнутый контакт в покое замкнут и размыкается при нажатии. Применяется там, где обрыв провода должен трактоваться как срабатывание: аварийные кнопки, защитные концевики, охранные шлейфы. Логика здесь такая: если кабель перерезали, цепь разомкнулась, и система восприняла это как нажатие, то есть перешла в безопасное состояние.

Переключающий контакт совмещает оба: у него есть общий вывод и два рабочих, и при нажатии он переходит с одного на другой.

Для аварийных цепей нормально замкнутый контакт это не предпочтение, а требование безопасности. Кнопка аварийного останова с нормально разомкнутым контактом при обрыве провода перестает работать молча, и узнать об этом можно только в момент, когда она понадобится. С нормально замкнутым обрыв немедленно останавливает механизм.

Виды по конструкции

• Тактовые кнопки. Мелкие кнопки для монтажа на плату с характерным щелчком. Основной элемент интерфейса в электронике.
• Кнопочные переключатели. Более крупные, для установки на панель, с фиксацией и без, часто с подсветкой.
• Тумблеры. Рычажок с двумя или тремя положениями. Долговечны, наглядны, держат заметный ток.
• Клавишные. Те самые прямоугольные сетевые выключатели с подсветкой, знакомые по удлинителям и приборам.
• Ползунковые. Движок перемещается вдоль корпуса. Компактны, дешевы, применяются для выбора режима.
• Поворотные. Галетные переключатели на много положений, для выбора диапазона или режима.
• DIP-переключатели. Блок из нескольких миниатюрных ползунков в корпусе микросхемы. Задают адрес или конфигурацию, переключаются один раз при настройке.
• Микропереключатели. Компактный корпус с рычажком и мгновенным перекидным механизмом. Основа концевиков и датчиков положения.
• Навигационные джойстики. Несколько контактов под одной качающейся кнопкой.

Тактовая кнопка и ее ловушка

Самая массовая кнопка в электронике имеет четыре вывода, и вот это сбивает с толку всех, кто берет ее в руки впервые.

Логически кнопка одна, контакт один. Откуда четыре вывода? Из механики: так корпус устойчивее держится на плате. А внутри выводы попарно соединены между собой постоянно, независимо от нажатия. То есть у кнопки не четыре независимых контакта, а две пары, и нажатие соединяет пару с парой.

Отсюда классическая ошибка на макетной плате. Кнопку втыкают так, что в одну линию попадают два вывода из одной и той же пары. Цепь оказывается замкнута всегда, схема ведет себя как при постоянно зажатой кнопке, а кнопка при этом полностью исправна.

Проверяется это за десять секунд. Мультиметр в режиме прозвонки, касаемся выводов попарно, не нажимая на кнопку. Пара, которая звонится сама по себе, это одна сторона. Оставшиеся два вывода это вторая сторона. Для схемы берут по одному выводу из разных сторон.

Полезно запомнить и геометрию: у стандартной квадратной тактовой кнопки соединены между собой выводы, расположенные по одной стороне корпуса, а не по диагонали. Но проверять прозвонкой все равно надежнее, потому что у разных серий бывает по-разному.

Ресурс: расчет на числах

Ресурс переключателя указывают в циклах, и цифра эта на первый взгляд огромная. Посчитаем, что она означает на практике.

Пример 1. Тактовая кнопка с ресурсом 100 тысяч нажатий стоит в бытовом приборе, где ее жмут примерно 50 раз в день. Считаем: 100000 / 50 = 2000 дней, то есть около 5,5 лет. Для бытовой техники приемлемо.

Пример 2. Та же кнопка в промышленном терминале, где ее жмут 500 раз в день. Считаем: 100000 / 500 = 200 дней, то есть чуть больше полугода. Кнопка начнет отказывать в первый же сезон, и виновата будет не она, а выбор.

Отсюда правило: сначала оцените число срабатываний в сутки, умножьте на желаемый срок службы в днях и только потом смотрите на паспортный ресурс.

Ориентиры по типам такие. Тумблеры и клавишные выключатели живут десятки тысяч циклов, тактовые кнопки от ста тысяч до миллиона в зависимости от серии, микропереключатели с мгновенным механизмом до нескольких миллионов. И важная оговорка: механический ресурс и электрический ресурс это разные цифры. Под нагрузкой контакты изнашиваются дугой, и число циклов падает в разы по сравнению с работой на сигнальном уровне.

Ток и напряжение: почему постоянный тяжелее

На корпусе тумблера написано, например, 6 ампер при 250 вольтах. Логично предположить, что уж двенадцать вольт он выдержит с огромным запасом. На практике все наоборот, и причина в дуге.

В момент размыкания между расходящимися контактами возникает электрическая дуга. Дальше все зависит от рода тока.

Переменный ток сто раз в секунду проходит через ноль. В каждой такой точке дуга гаснет сама, и если контакты успели разойтись, она уже не загорается. Размыкание получается быстрым и щадящим.

Постоянный ток через ноль не проходит никогда. Дуга, однажды загоревшись, горит до тех пор, пока зазор не станет слишком велик, а все это время она выжигает материал контактов. Именно поэтому у одного и того же переключателя паспортные значения по постоянному току в разы скромнее.

Посчитаем разницу в коммутируемой мощности. Переменный режим 250 вольт при 6 амперах дает 1500 вольт-ампер. Постоянный режим того же прибора нередко нормируется как 6 ампер при 30 вольтах, то есть 180 ватт. Разница более чем в восемь раз, при одинаковой цифре тока на корпусе.

Практический вывод: в паспорте ищите отдельную строку для постоянного тока. Если ее нет, а цепь у вас постоянного тока с заметной мощностью, берите прибор с большим запасом либо ставьте переключатель в цепь управления реле, а нагрузку коммутируйте реле.

Ток смачивания и позолоченные контакты

Тонкость, из-за которой сигнальные кнопки иногда работают через раз, а силовые никогда.

Поверхность контакта со временем покрывается пленкой из окислов и сульфидов, которая проводит заметно хуже металла. Разрушить ее помогает сам ток: при достаточной величине он пробивает пленку и восстанавливает металлический контакт. Минимальную величину, необходимую для этого, называют током смачивания, и для обычных контактов она составляет от единиц до десятков миллиампер.

А теперь посмотрим на типичную схему с микроконтроллером. Кнопка замыкает вход на общий провод, вход подтянут резистором 10 килоом к 3,3 вольта. Считаем ток через контакт: 3,3 / 10000 = 0,00033 ампера, то есть всего треть миллиампера. Это на порядок ниже тока смачивания, и обычный контакт в таком режиме постепенно становится ненадежным.

Решение это позолоченные контакты. Золото не окисляется, поэтому пленки на нем не образуется и ток смачивания не нужен вовсе. Именно поэтому сигнальные кнопки и разъемы делают с золочением.

Обратное тоже верно и о нем часто забывают: позолоченный контакт нельзя ставить в силовую цепь. Слой золота тонкий, при первой же дуге он выгорает, и дальше работает основной металл, но уже испорченный. Для больших токов берут серебро и его сплавы.

Дребезг контактов

Механический контакт не замыкается мгновенно и один раз. Упругие детали отскакивают друг от друга, и вместо чистого перехода получается серия быстрых замыканий и размыканий длительностью обычно от 1 до 20 миллисекунд, чаще всего около пяти-десяти.

Для лампы или реле это безразлично: они попросту не успевают отреагировать. А вот микроконтроллер, опрашивающий вход каждые несколько микросекунд, честно видит все эти переходы и насчитывает десяток нажатий вместо одного.

Дребезг это не признак дешевой кнопки и не брак. Он есть у любого механического контакта, включая самые дорогие серии, потому что причина в упругости металла. Дорогая кнопка отличается стабильностью времени дребезга, а не его отсутствием. Поэтому подавление закладывают в схему или в программу изначально, а не добавляют потом, когда счетчик начал прыгать.

Проявляется это узнаваемо: счетчик прыгает через несколько единиц, меню проскакивает пункты, устройство включается и тут же выключается. Начинающие обычно ищут ошибку в программе, хотя причина чисто механическая.

Важно: дребезг есть и при замыкании, и при размыкании, поэтому подавлять его надо на обоих фронтах.

Подавление схемой: расчет фильтра

Самый простой способ это RC-фильтр: резистор последовательно, конденсатор от входа на общий провод. Конденсатор не успевает перезарядиться за время дребезга и сглаживает пачку импульсов в один плавный переход.

Условие тут количественное: постоянная времени фильтра должна заметно превышать длительность дребезга.

Расчет. Возьмем резистор 10 килоом и конденсатор 100 нанофарад. Постоянная времени равна 10000 × 0,0000001 = 0,001 секунды, то есть 1 миллисекунда. При дребезге в 10 миллисекунд этого мало, фильтр не справится.

Увеличим конденсатор до 1 микрофарады. Тогда 10000 × 0,000001 = 0,01 секунды, то есть 10 миллисекунд. Вот это уже рабочее значение для типичной кнопки.

Но у RC-фильтра есть побочный эффект. Он растягивает фронт, и сигнал долго ползет через зону неопределенности логического входа. Если у входа нет гистерезиса, схема на этом участке может переключиться несколько раз, и дребезг вернется в новом виде. Поэтому после фильтра ставят триггер Шмитта, у которого два порога, либо заводят сигнал на вход микроконтроллера с гистерезисом. Про сравнение с порогом и гистерезис подробно написано в статье про операционные усилители и их схемы включения, а про подбор номиналов в статье про виды и характеристики конденсаторов.

Для переключателя с перекидным контактом существует решение красивее: RS-триггер на двух логических элементах. Он защелкивается по первому же касанию нового контакта и на последующие отскоки не реагирует вовсе, потому что старый контакт уже разомкнут. Дребезга не остается совсем, но нужен именно перекидной контакт, а не простая кнопка.

Подавление программой

Если вход и так заходит на микроконтроллер, дешевле обойтись без деталей.

Способ первый: пауза после фронта. Зафиксировали изменение состояния, дальше просто игнорируем вход в течение 20-50 миллисекунд. Все отскоки за это время проходят незамеченными. Просто, но блокирует вход целиком, что мешает при быстром вводе.

Способ второй: подтверждение чтением. Опрашиваем кнопку по таймеру, например каждые 5 миллисекунд, и считаем состояние изменившимся только после нескольких одинаковых чтений подряд. Четыре чтения по 5 миллисекунд дают те же 20 миллисекунд подтверждения, но вход при этом не блокируется и обработка получается предсказуемой.

Второй способ лучше во всем, кроме простоты, и в реальных прошивках применяется чаще.

Важная оговорка: программное подавление годится, пока сигнал доходит до входа чистым. Если кнопка вынесена на длинных проводах и ловит наводки, никакая программа не поможет, и без аппаратной фильтрации не обойтись.

Подтягивающий резистор

Типовая схема подключения кнопки к микроконтроллеру выглядит так: один вывод на общий провод, второй на вход, и от входа резистор к плюсу питания.

Без этого резистора схема не работает. Когда кнопка отпущена, вход остается ни к чему не подключенным, висит в воздухе и принимает любые наводки, показывая случайные значения. Подтяжка задает ему определенный уровень в состоянии покоя.

У большинства микроконтроллеров есть встроенные подтягивающие резисторы, включаемые программно, и для кнопки на самой плате их обычно достаточно. Но номинал у них великоват, десятки килоом, поэтому вход получается высокоомным и чувствительным к помехам. Для кнопки на длинных проводах ставят внешний резистор поменьше, порядка нескольких килоом, и он же поднимает ток через контакт ближе к току смачивания.

Обратный вариант, когда кнопка подключается к плюсу, а резистор идет на общий провод, тоже применяется, но реже: подтяжка вверх удобнее тем, что провод к кнопке при замыкании на корпус дает предсказуемый результат, а не случайный.

Сводные таблицы

Как проверить мультиметром

Переключатель проверяется прозвонкой, и это одна из самых простых диагностик.

Шаг 1: найти постоянно соединенные выводы

Не нажимая ни на что, прозвоните все пары выводов. У тактовой кнопки найдутся две пары, которые звонятся сами по себе, это и есть ее две стороны. У SPDT ничего звониться не должно, кроме общего вывода с одним из рабочих.

Шаг 2: определить общий вывод

У перекидного контакта общий вывод это тот, который звонится с каким-то другим и в отпущенном, и в нажатом состоянии, просто с разными. Два оставшихся между собой не звонятся никогда.

Шаг 3: проверить работу

Нажмите и удерживайте: прибор должен показать замыкание четко, без пропаданий. Поводите кнопку из стороны в сторону, нажимая на край толкателя: изношенный контакт при этом начнет прерываться, и это верный признак того, что деталь пора менять.

Изношенную кнопку выдает и повышенное сопротивление в замкнутом состоянии: вместо долей ома прибор показывает единицы и десятки. Приемы работы с прибором собраны в статье о том, как пользоваться мультиметром.

Как выбрать

1. Определите поведение. Нужна ли фиксация положения механически или состояние будет хранить программа.
2. Выберите конфигурацию. Сколько независимых цепей и сколько положений, то есть SPST, SPDT или DPDT.
3. Посчитайте ресурс. Число нажатий в сутки умножьте на желаемый срок службы и сравните с паспортной цифрой.
4. Проверьте паспорт по роду тока. Для постоянного тока смотрите отдельную строку, значения по переменному к нему не относятся.
5. Решите вопрос контактов. Сигнальная цепь с микротоками требует золочения, силовая наоборот его исключает.
6. Учтите среду. Пыль, влага и брызги требуют исполнения с защитой, иначе контакт загрязняется и начинает подглючивать.
7. Продумайте подавление дребезга. На плате хватит программы, на длинных проводах нужен фильтр.
8. Подберите тип и монтаж. Кнопки, тумблеры, ползунковые, DIP и микропереключатели собраны в разделе переключателей каталога Эиком, а ползунковые вынесены в отдельный подраздел ползунковых переключателей.

Типичные ошибки

• Втыкают тактовую кнопку не теми выводами. Два вывода одной пары соединены внутри всегда, и цепь оказывается замкнутой постоянно.
• Не подавляют дребезг. Счетчик прыгает, меню проскакивает пункты, а ошибку ищут в логике программы.
• Берут паспортный ток по переменному току для цепи постоянного. Дуга при постоянном токе не гаснет сама, и контакты выгорают.
• Забывают подтягивающий резистор. Вход висит в воздухе и показывает случайные значения.
• Ставят позолоченный контакт в силовую цепь. Тонкий слой золота выгорает при первой дуге.
• Не считают ресурс. Кнопка на сто тысяч циклов при пятистах нажатиях в день не доживет до года.
• Ставят RC-фильтр без гистерезиса на входе. Медленный фронт в зоне неопределенности дает новые ложные переключения.
• Применяют нормально разомкнутый контакт в аварийной цепи. Обрыв провода отключает защиту молча.
• Выносят кнопку на длинных проводах без фильтра. Наводки дают ложные срабатывания, которые программой не лечатся.

Частые вопросы

Почему у тактовой кнопки четыре вывода?

Из соображений механической прочности: на четырех ножках корпус устойчивее держится на плате. Контакт при этом один, а выводы попарно соединены между собой постоянно, независимо от нажатия. Поэтому для схемы берут по одному выводу из разных пар. Определить пары можно прозвонкой: та, что звонится без нажатия, и есть одна сторона.

Что такое дребезг контактов и как от него избавиться?

Это серия быстрых замыканий и размыканий в момент срабатывания, вызванная упругим отскоком контактов. Длится обычно от 1 до 20 миллисекунд, и микроконтроллер воспринимает ее как несколько нажатий. Устраняется либо схемой, то есть RC-фильтром с постоянной времени около 10 миллисекунд и обязательным гистерезисом после него, либо программой: паузой после первого фронта или подтверждением состояния несколькими одинаковыми чтениями подряд.

Почему у переключателя разный ток для переменного и постоянного напряжения?

Из-за поведения дуги при размыкании. Переменный ток сто раз в секунду проходит через ноль, и дуга гаснет сама. Постоянный ток через ноль не проходит, поэтому дуга горит, пока контакты не разойдутся достаточно далеко, и все это время выжигает металл. Отсюда паспортные значения по постоянному току в разы ниже: тот же прибор может быть аттестован на 250 вольт переменного и всего на 30 вольт постоянного.

Зачем нужны позолоченные контакты?

Для сигнальных цепей с очень малыми токами. Обычные контакты покрываются окисной пленкой, разрушить которую помогает сам ток, но для этого нужны единицы и десятки миллиампер. В схеме с микроконтроллером через кнопку течет доля миллиампера, чего недостаточно, и контакт со временем становится ненадежным. Золото не окисляется, поэтому проблема снимается. В силовые цепи такие контакты, наоборот, не ставят: тонкий слой золота выгорает при первой же дуге.

Итог: обозначение переключателя читается по двум величинам, числу полюсов и числу положений, а выбирают его по ресурсу с учетом реальной частоты нажатий и по паспорту именно для своего рода тока. Дребезг есть у любого механического контакта и подавляется либо фильтром с гистерезисом, либо программой, а сигнальные цепи с микротоками требуют позолоченных контактов. Кнопки, тумблеры, ползунковые, поворотные и DIP-переключатели с фильтрами по параметрам есть в разделе переключателей каталога Эиком.

Читать также

• Реле: устройство, виды и принцип работы
• Клеммники и клеммные колодки: виды и критерии выбора
• Датчики Холла: принцип работы, виды и применение
• Резисторы: виды, характеристики и как выбрать
• Как пользоваться мультиметром: режимы, прозвонка и проверка деталей