Навстречу современным потребностям в долговечных переключателях

Высокое быстродействие, долговечность и наличие цифровых выходов делают оптические кодирующие устройства особенно привлекательными для использования в современных устройствах коммутации. В пользу такого выбора свидетельствует и все возрастающее предложение подобных кодеров на рынке при непрерывном снижении цен на них.

Идея оптического кодера достаточно проста. Его конструкция напоминает обычный механический поворотный переключатель или потенциометр, поскольку, как правило, тоже включает в себя ось, втулку и механизм фиксации положений, заключенные в корпус. Отличие состоит лишь в том, что в оптических кодерах отсутствуют механические контакты. Вместо них используются пара инфракрасных оптических элементов: излучатель и детектор. А перфорированный диск, помещенный между ними, при своем вращении прерывает излучение, формируя в детекторе серии цифровых импульсов.

Подобный кодер с одинарной оптической парой широко используется, например, в системах контроля скорости вращения двигателей. Благодаря непосредственной механической связи его оси с валом двигателя продетектированный сигнал на выходе кодера прямо пропорционален скорости вращения вала. Однако большинство приложений, использующих оптические кодеры, требуют также и определения направления вращения его оси.

Для реализации подобных кодеров применяют две пары оптических элементов, с выхода которых снимаются два квадратурных цифровых сигнала (рис. 1).

Рис. 1

Когда перфорированный диск находится в положении 1 (рис. 2), излучение достигает обоих детекторов, I и II. В положении 2 облучается только детектор II; I заблокирован диском. В следующем, третьем положении диск закрывает оба детектора. И в конечном, четвертом положении инфракрасное излучение поступает на детектор I и не поступает на II.

Рис. 2

При непрерывном вращении оси кодера цифровые по-следовательности повторяются. Число таких повторений в расчете на один оборот диска зависит от количества его прорезей, что в свою очередь определяется требованиями конкретного приложения. В устройствах ввода данных, скроллинга, оптических заслонках применяются кодеры с относительно небольшим числом прорезей (обычно 16 или 32), и число импульсов (а также и число повторений импульсных последовательностей) на один оборот также невелико. Невысокая требуемая точность таких кодеров позволяет в ряде случаев добавить к нему дополнительный выключатель, срабатывающий при нажатии на ось, расширив таким образом функциональные возможности устройства.

При создании оптических аналогов потенциометров число дискретных квадратурных положений может достигать 512. Благодаря использованию оптической пары в таком устройстве удается избежать проблем, свойственных механическим прототипам: изменения контактного сопротивления, ухудшения качества резистивного покрытия. Если механический переключатель (потенциометр) обычно имеет наработку в 25 000 рабочих циклов, то его оптический аналог — не менее чем в 10 раз больше с механизмом фиксации положений и в 30 раз — без такого механизма. А рабочие характеристики оптических элементов, в среднем, ухудшаются лишь на 10–15% после 100 000 часов работы (11 лет).

Другим немаловажным полезным свойством оптиче-ского кодера для переключающих систем является его высокое быстродействие. Оно ограничено практически лишь снизу максимальным значением длительности фронтов и спадов выходных импульсов, которые не должны, как правило, превышать 0,4–0,6 с, что легко выполняется при реализации интерфейса человека с машиной.

Основным стремлением производителей оптических кодеров на сегодня является уменьшение размеров создаваемых устройств. Наибольшая трудность на этом пути, с которой приходится сталкиваться разработчикам, — уменьшение размеров прорезей диска из-за технологических ограничений (по точности) процессов химического травления. Выходом из положения может стать фрезерование лазером, но массовому применению данного способа пока препятствует его дороговизна.

В настоящее время оптические кодеры уже широко используются там, где важна надежность и где отказ механического переключателя привел бы к фатальным последствиям: в медицине, в авиации, а также, к примеру, в профессиональных аудиоустройствах с высокой степенью интенсивности эксплуатации. Несмотря на то, что обычно переход от механических к оптическим переключателям требует определенных изменений в разрабатываемом устройстве — добавления кабелей, монтажных разъемов, — большинство производителей осуществляет его без особых затруднений. В настоящее время на рынке предлагаются варианты оптических кодеров и со встроенными декодерами, но, как правило, реализация декодера на основной плате устройства часто обходится дешевле.

CIE, июнь 1998 г.
Перевод А. Щербакова