4.1.1. Подача сигнала касанием

Электрический контакт является простейшим преобразова­телем механического воздействия в электрическое (замыкая или размыкая электрическую цепь), область применения которого чре­звычайно широка. Без дополнительного промежуточного звена (но при этом устройство должно работать при больших токах и напряжениях) он сразу же полностью включает или полностью выключает цепь генерирования сигнала. Тривиальный пример тому — электрический звонок. При этом возможно использование кнопок любых типов.

Рис. 4.2. RS-триггер, обеспечи­вающий надежную однократную по­дачу импульса после замыкания кон­такта (сигнал на выходе появляется при его верхнем положении, RC-це-почка нужна при большой длине провода между контактом и входом)

Рис. 4.3. Здесь достаточно обыч­ной кнопки, если на нее нажимать не слишком долго (разряжая конденса­тор С только до уровня L)

Схема усложняется, если контакт включает одновременно несколько входов. Так, например, если при нажатии кнопки вклю­чается генератор мелодии, собранный на цифровой микросхеме, то входной (следующий сразу же за кнопкой) контур обеспечи­вает защиту этой схемы от кратковременных вибраций, незамет­ных для человека. Эти вибрации вызываются действием пружины, при этом происходят многократные замыкания и размыкания контакта, внешне кажущегося замкнутым. Чаще всего в таких случаях используют «противовибрационную» схему на RS-триггере (рис. 4.2), которая требует только одного переключателя.

В триггере по схеме на рис. 4.2 можно использовать половину интеграль­ной микросхемы К133ЛАЗ, содержащей четыре элемента 2И-НЕ.

Приведенная схема включает в себя также RС-фильтры, пред­назначенные для подавления различных помех, которые может «принять слишком длинный провод от кнопки до входа схемы и которые в ином случае могли бы привести к срабатыванию тригге­ра. Два резистора в положительном плече цепи питания также служат защитой от помех, подавая на открытые входы потенциал, заведомо соответствующий уровню Н [H и L — сокращения от английских слов high (высокий) и low (низкий), соответствуют логической единице и нулю. — Прим. пер.]. При использовании схемы по рис. 4.3 можно применить нормальную кнопку. Но при этом продолжительность нажатия на нее не должна превышать время разрядки конденсатора С. Подобным же образом происходит срабатывание этой схемы от импульсных помех, наводимых на провод при открытом контакте. Учитывая требование к току на входе ТТЛ-схемы (уровень L), не следует превышать сопротивле­ние резистора, указанное на рис. 4.3.

В устройстве по схеме на рис. 4.3 можно применить один элемент 2И-НЕ интегральной микросхемы К133ЛАЗ или К155ЛАЗ.

Кроме первичной задачи — преобразования механической энергии в электрическую — контакт в реле имеет и другие на­значения. В обычных электромеханических реле при возбуждении обмотки включается, как правило, вся контактная группа. В слу­чае же герметизированных контактов, напротив, от обмотки, заключенной в стеклянную трубку, или даже от расположенного рядом постоянного магнита включается только один контакт. Такие контакты обычно применяют для сигнализации о наступлении порогового значения контролируемого параметра, причем анало­говое изменение его оценивается в цифровой форме, а именно — контакт срабатывает при достижении этого порога.

Контакты подвержены электрическому и механическому из­носу, они чувствительны к различным климатическим воздейст­виям. Самодельные контакты вряд ли будут достаточно надежны­ми, поэтому по возможности всегда следует использовать реле промышленного изготовления.

Кроме того, контакты могут быть опущены в электропрово­дящую жидкость или залиты электропроводящей резиной, при сдавливании которой они замыкаются. И в том и в другом случае происходит химическое взаимодействие со средой, в которой они находятся; подробнее эти случаи будут рассмотрены в соответ­ствующих разделах. Подобные этим химические воздействия возникают также в случае сенсорного переключения (при касании поверхностей площадок). «Сенсор», необходимый для решения таких задач, всегда следует рассматривать совместно с более или менее сложным электронным устройством. Объем же требуе­мых мер по защите электрических цепей определяется конкрет­но — от условий применения и рабочих напряжений.

Рис. 4.4. Конструкции различных сенсорных переключателей:

а — многоканальное сенсорное устройство, выполненное из материала для печатных плат (штрихпунктиром обозначено отверстие в корпусе при­бора); б — плоский контакт; в — кон­центрические электроды; г — концент­рические электроды, одним из кото­рых является полая заклепка; д — устройство с использованием детали медного украшения; 1 — прорезь; 2 — общий проводник; 3 — отверстие для припайки проводника; 4 — полая за­клепка; 5 — центральный контакт из детали украшения

Клавиши сенсорных переключателей телевизионных и радио­приемников, получившие сейчас наибольшее распространение, за­мыкают электрические цепи, внутреннее сопротивление которых во много раз больше сопротивления кожи пальцев. Так, типичным сопротивлением развязывающего резистора является 22 МОм, сопротивление же кожи на пальцах составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кОм. Там, где для этих целей нельзя использовать схемы на МОП-транзисторах (рабочее напряжение МОП-микросхемы U 700D все же равно 27 В, a U 705D — 12 В), входное сопротивление схем может быть снижено до сопротив­ления, примерно равного сопротивлению кожи. В каждом случае необходимо следить, чтобы влага и грязь не снижали сопротивление так, что становятся возможными ложные срабатывания. Предель­ные значения указаны в технических характеристиках приборов. Для постройки в любительских условиях лучше использовать устройства, срабатывающие при сопротивлении ниже примерно 0,5 МОм (лучше несколько увлажнять палец, чем мириться с постоянными ложными срабатываниями при большой влажности воздуха!). Это приводит к значительному упрощению конструк­ции клавиш. Тогда их можно выполнить из обыкновенного карто­на, покрытого медной фольгой, вытравив непосредственно на клавише токопроводящие дорожки. Желательно разъединять их слоем диэлектрика, чтобы исключить электрический контакт при загрязнении.

Рис. 4.5. Сенсорный переключатель с высокоомным входом, собранный с одной парой сенсорных площадок и на двух КМОП-микросхемах

Возможные конструкции простых сенсорных устройств показа­ны на рис. 4.4.

Для переключателя «Вкл.-Выкл», например типа SUS-1, вы­пускаемого в ГДР с 1978 г. и выполненного на печатной плате, не­обходимо два сенсорных устройства. Но в литературе (журнал «Elektor», 1978, № 1) описан сенсорный переключатель, собран­ный только с одной парой площадок, на базе КМОП-микросхемы. Конденсатор емкостью 0,022 мкФ на схеме переключателя, по­казанной на рис. 4.5, «хранит» ее состояние, будучи заряженным или разряженным в зависимости от потенциала на выходе первой КМОП-микросхемы. Этот потенциал, обратный потенциалу входа, при замыкании пальцем поверхностей сенсорного устройства подается на вход и приводит к опрокидыванию первой микро­схемы. Новое состояние сохраняется за счет резистора связи на выходе второй КМОП-микросхемы, благодаря которому при каждом переключении этот выход получает потенциал, равный потенциалу на входе.

В генераторе по схеме на рис. 4.5 можно применить два элемента из четы­рех (2И-НЕ), имеющихся в интегральной схеме К176ЛА7.