Prellen

Als Prellen wird ein mechanisch ausgelöster Störeffekt bei elektromechanischen Schaltern und Tastern bezeichnet: Statt des sofortigen elektrischen Kontaktes ruft die Betätigung des Schalters kurzzeitig ein mehrfaches Schließen und Öffnen des Kontakts hervor. Ebenso kommt es beim Ausschalten der Schalter bzw. Loslassen der Taster nach der ersten Unterbrechung zur wiederholten erneuten Kontaktgabe. Der Grund sind Federungen an Bauteilen der Schaltermechanik, die ihre Ursache in dem physikalischen Effekt des elastischen Stoßes haben.

Auswirkungen

Dieser Effekt des mehrfachen Schließen und Öffnen des Kontaktes führt bei schnellen elektronischen Schaltungen, deren zeitliche Auflösung hoch genug ist um das Prellen zu erfassen, zu unerwünschten Mehrfachereignissen. Betroffen sind beispielsweise digitale Eingabegeräte wie eine Computertastatur, Eingabecontroller an Tastenfeldern oder elektronischen Schaltungen welche einen mechanischen Relaiskontakt erfassen. Durch die prellenden Schließvorgänge würde ohne Entprellung ein Tastenanschlag fehlerhafterweise als mehrfacher Anschlag registriert werden.

Die Dauer und die Anzahl der mehrfachen Kontaktgabe wird durch die mechanischen Eigenschaften des Schalters, der Größe, Form und Material der Kontakte und deren Befestigungen bestimmt. Typische Prellzeiten bei elektromechanischen Schaltern und Tastern liegen im Zeitbereich einiger 100 µs bis in den Zeitbereich zu einigen 10 Millisekunden.

Gegenmaßnahmen

Zeitlicher Signalverlauf eines über etwa 250 µs prellenden Tasters bei einem Schliessvorgang

Seit Beginn der elektronischen Signalverarbeitung und der damit einhergehenden Relevanz dieses Phänomens bei Signalschaltern und Relais wurden verschiedene Hard- und Softwareverfahren entwickelt, um dem Prellen und dessen Auswirkungen entgegenzuwirken. Diese Maßnahmen nennt man Entprellen. Das Entprellen erfolgt mittels eines Tiefpassfilters oder einer Verriegelungslogik.

Entprellen per Hardware (Entprellschaltung)

• Im einfachsten Fall wird dabei ein RC-Glied als Tiefpassfilter und ein Schmitt-Trigger zur Signalformung vorgesehen. Der Tiefpassfilter unterdrückt dabei die hochfrequenten Signalanteile zufolge Kontaktprellen, der Schmitt-Trigger stellt die passenden Spannungspegel für die nachfolgende Digitalschaltung sicher.
• Mittels Verriegelungslogik in Form eines Wechselschalters. Die Verriegelung ist beispielsweise über ein asynchrones RS-Flipflop realisiert. Dabei muss vom mechanischen Aufbau des Wechselschalters sichergestellt sein, dass die Kontakte nicht zwischen den beiden Kontaktstellungen schwingen können. Der Kontaktweg beim Umschalten zwischen den beiden Zuständen muss dazu hinreichend groß gewählt sein.

Entprellen per Software (Entprellroutine)

• Die Zustandsänderung des Kontaktes wird erst dann registriert, wenn er eine bestimmte Zeit, der so genannten Entprellzeit, vorliegt. Dies ist eine Form der Tiefpassfilterung und kann wie ein digitaler Tiefpassfilter realisiert werden. Meistens, da einfacher, wird dieser Filter in Form eines Zählers realisiert. Der Zählerwert, welcher das Ereignis auslöst, stellt gemeinsam mit der Zählgeschwindigkeit die Grenzfrequenz des Filters dar.
• Weiters kann auch in Software mittels Verriegelungslogik eine Entprellung vorgenommen werden. Da dafür aber pro Taste ein Wechselschalter und zwei digitale Eingänge, samt den damit verbundenen höheren schaltungstechnischen Aufwand nötig sind, kommt diese Art der Entprellung nur selten zur Anwendung.

Wird die Verriegelungslogik durch eine Zeitsteuerung in Form einer monostabilen Kippstufe in Software nachgebildet, wird der Impuls zwar mit der ersten Signalflanke erkannt und nachfolgend werden für eine bestimmte Zeit alle weiteren Signaländerung ignoriert, jedoch ist dieses Verfahren empfindlich auf hochfrequente Störimpulse. Es stellt, da es eine Form von Hochpass ist, keine sichere Entprellung dar. Ebenfalls stellt auch die Unterabtastung keine sichere Entprellung dar, da damit nur die Wahrscheinlichkeit zur Erkennung von kurzen Störimpulse reduziert aber nicht vermieden wird.

Durch speziellen mechanischen Aufbau und Kontaktgestaltung können auch prellfreie Schalter realisiert werden. Flüssige Kontaktmaterialien, beispielsweise in Form des Quecksilberschalters, sind praktisch prellfrei. Durch die Giftigkeit von Quecksilber und seiner chemischer Verbindungen finden diese Schalter zur Vermeidung des Prellens allerdings keine praktische Anwendung mehr.

Sensortasten mit integrierter Elektronik wie Piezo- und Hall-Tasten enthalten intern bereits Schwellwertschalter und liefern üblicherweise prellfreie Signale.

Literatur

• Dieter Nührmann: Das große Werkbuch Elektronik. 6. Auflage. 3, Franzis, 1994, ISBN 3-7723-6546-9, S. 3191.