電子回路 - チャタリング

概要

チャタリングは機械式スイッチやボタンの動作に伴う電気的な不具合現象である。
スイッチ接点が物理的に接触する時や金属接点が微細に振動することにより、接点のON / OFF状態が短時間に複数回切り替わる。

この現象は、機械的な要因で発生しており、接点の材質、ばね特性、操作力等が影響する。
典型的なチャタリングは数ミリ秒から数十ミリ秒程度続き、システムが誤動作する原因となる。

チャタリング対策には、ハードウェアとソフトウェアの両方のアプローチがある。

• ハードウェア対策

  RC回路等によるローパスフィルタ

  抵抗とコンデンサで構成される簡単な回路で信号を平滑化する。

  
  

• ソフトウェア対策

  一定時間の待機処理 (デバウンス処理) を実装する。

  最初の信号変化を検出してから一定時間 (例: 10[ms]) 経過後に再度状態を確認して、安定していれば有効な信号として処理する。

産業機器や車載機器等、高い信頼性が要求される環境では、ハードウェアとソフトウェアの両方の対策を組み合わせることにより、確実なチャタリング対策を実現する。

ハードウェア対策

RC回路

まず、チャタリングを制御するためのRC時定数を計算する。

例: チャタリング時間が10[ms]の場合

必要な時定数
$\tau =RC\approx 10{\mbox{[ms]}}$

一般的に、信号が十分に安定するまでに必要な時間は時定数の約3〜5倍である。
したがって、$RC=2\sim 3{\mbox{[ms]}}$ 程度が適切となる。

具体的な値:

$R=10{\mbox{[k}}\Omega {\mbox{]}},\,\,C=0.22{\mbox{[uF]}}$
$\rightarrow \tau =RC=10000\times 0.22\times 10^{-6}=2.2{\mbox{[ms]}}$

電圧の減衰は、次式で表される。
$V(t)=V_{0}(1-e^{-{\frac {t}{RC}}})$

上記の組み合わせでは、$t=10{\mbox{[ms]}}$ で入力電圧の約99[%]まで安定する。
そのため、チャタリングノイズを十分に除去可能である。
また、過度な応答遅延を避けることができる。

必要に応じて抵抗値を調整することもできる。

• より速い応答

  抵抗値を下げる。

• より強いノイズ除去

  抵抗値を上げる。