Interruptores y pulsadores a fondo

01 · Punto de partida

El contador que cuenta de más

En el curso 1 un pulsador encendía un LED, y funcionaba sin sorpresas. Conectado a un microcontrolador, el mismo pulsador se comporta de otra manera.

El programa estaba bien: contaba exactamente lo que le llegaba. Cuando dos piezas de metal se encuentran, no se quedan juntas de inmediato. Chocan, se separan y vuelven a chocar varias veces en unos milisegundos, como una pelota que cae al piso. A ese fenómeno se lo llama rebote. Un ojo no lo ve. Un microcontrolador, que en esos milisegundos lee la entrada miles de veces, lo ve entero.

Un programador de interfaces conoce la palabra: en inglés, eliminar el rebote es debounce, y el término que hoy se usa para agrupar eventos repetidos de un teclado o de un campo de búsqueda viene de acá. El problema es el mismo: una sola intención del usuario llega como una ráfaga de eventos, y hay que decidir cuáles cuentan.

• ¿Qué tipos de interruptores y pulsadores hay, y cómo se nombran?
• ¿Cómo se conecta uno a una entrada para que siempre lea algo definido?
• ¿Qué es el rebote, cuánto dura y cómo se elimina?
• ¿Cuánta corriente puede manejar un contacto?
• ¿Cuánto dura un pulsador, y cómo se elige?

02 · Identificar

Momentáneos, mantenidos, polos y vías

Todos los interruptores y pulsadores se describen con tres datos: si conservan su posición, cuántos circuitos manejan y entre cuántas posiciones eligen.

«Normalmente abierto» y «normalmente cerrado» significan lo mismo que en el relé del Tema 25: el estado en reposo, sin apretar. Y la regla de la falla también vale: un pulsador de parada de emergencia es normalmente cerrado, para que un cable cortado detenga la máquina en lugar de dejarla sin forma de pararla.

Polos y vías

Polo

Cada circuito independiente que el interruptor maneja con un solo movimiento. Un interruptor de dos polos tiene dos juegos de contactos, aislados entre sí, que se mueven juntos.

Vía

Cada posición hacia la que el polo puede conectar. Una vía: abre o cierra. Dos vías: conmuta entre dos caminos, con un terminal común.

Algunas palancas de dos vías tienen además una posición central en la que el común no toca a ninguno de los dos lados. En el catálogo figuran como «on-off-on».

03 · Identificar

Los que vas a encontrar

Las cuatro patas del pulsador táctil

El pulsador más usado en una protoboard tiene cuatro patas y un solo contacto. Las patas están unidas de a dos por dentro: cada par es un mismo terminal. Al apretar, un par se une con el otro.

La trampa

Si conectás el circuito a las dos patas de un mismo par, el pulsador parece «siempre apretado»: esas patas están unidas por dentro. Es el error de montaje más común con esta pieza.

El recurso

Dos patas en diagonal pertenecen siempre a pares distintos. Usando una diagonal no hace falta saber cómo está orientado.

La comprobación

Con el multímetro en continuidad y sin apretar: los pares que suenan son los que están unidos por dentro.

04 · Aplicación

Conectarlo a una entrada

Un pulsador cerrado une la entrada con un nivel. Un pulsador abierto no la une con nada. Es la compuerta en el aire del Tema 22 y la base en el aire del Tema 20, otra vez: una entrada sin conectar no vale ni 0 ni 1, y lee lo que recoja del ambiente.

Se resuelve con un resistor que fija el nivel cuando el contacto está abierto:

Qué valor

10 kΩ es el habitual. Con 3,3 V, por el pulsador cerrado circulan 0,33 mA: nada para la fuente, y suficiente para definir la entrada con firmeza.

El resistor interno

Casi todos los microcontroladores tienen, en cada entrada, un resistor al positivo de 20 a 50 kΩ que se activa desde el programa. Con él alcanza con el pulsador y dos cables. Es la razón por la que la primera forma es la más usada.

Cuándo no alcanza el interno

Con cables largos o cerca de motores. Un resistor de 50 kΩ sostiene la entrada con poca fuerza, y el cable recoge interferencias. Ahí va uno externo de 4,7 kΩ o menos, y a veces un capacitor.

Por qué al negativo

Con el pulsador al negativo, un cable que se pela contra el gabinete produce a lo sumo una pulsación falsa. Con el pulsador al positivo, produce un cortocircuito de la alimentación.

05 · Características

El rebote

Un contacto es una lámina con masa y elasticidad que golpea contra otra pieza. Al llegar, rebota: se separa, vuelve, se separa de nuevo, cada vez con menos fuerza, hasta quedar apoyada. Lo mismo ocurre al soltar, cuando la lámina se va despegando.

A quién le importa

A todo lo que reaccione a cambios: un contador, una interrupción, un programa que alterna un estado con cada pulsación. A lo que solo mira el nivel, como un LED que enciende mientras el botón está apretado, no le importa.

Por qué el microcontrolador lo ve

Un rebote dura milisegundos. Un programa lee la entrada cada pocas millonésimas de segundo: dentro de un solo rebote entran miles de lecturas.

Empeora con el uso

Un contacto gastado, sucio o apretado despacio rebota más tiempo. Un diseño que tolera justo el rebote de un pulsador nuevo empieza a fallar a los meses. Es lo que explica la mejora de la escena al cambiar el pulsador.

06 · Aplicación

Tres formas de eliminarlo

En el programa

Es la más usada, porque no cuesta ninguna pieza. La idea: no creerle a la entrada hasta que se haya quedado quieta.

1. 1
   Leer la entrada a intervalos regulares.

   Cada 1 a 5 ms, sin detener el resto del programa.

2. 2
   Comparar con el estado aceptado.

   Si coincide, no pasa nada. Si difiere, empezar a contar cuánto tiempo lleva así.

3. 3
   Aceptar el cambio cuando se mantuvo.

   Si la entrada estuvo distinta durante 20 ms seguidos, ese es el nuevo estado. Si volvió antes, la cuenta empieza de nuevo.

Con un resistor y un capacitor

Es el filtro del Tema 12. Un capacitor entre la entrada y el negativo, en paralelo con el pulsador, no puede cambiar de tensión de golpe: los rebotes, que duran menos que la constante de tiempo, no llegan a moverlo.

Los valores

Con el resistor al positivo de 10 kΩ y 100 nF, la constante de tiempo es de 1 ms: filtra aperturas de hasta 1 ms, más o menos. Con 1 µF, 10 ms.

Un resistor más

Al cerrar el pulsador, el capacitor se descarga a través del contacto sin nada que limite la corriente. Son picos brevísimos y altos, que a la larga lo desgastan. Un resistor de 100 a 470 Ω en serie con el pulsador los limita.

La condición

La entrada ya no ve un cambio brusco sino una subida lenta, y una entrada digital común puede leer varios cambios mientras la tensión cruza su umbral. Hace falta una entrada con histéresis: dos umbrales separados, uno para subir y otro para bajar. Muchos microcontroladores la tienen en todas sus entradas; conviene confirmarlo en la hoja.

Con un contacto de dos vías

Un pulsador de dos vías nunca toca los dos lados a la vez. Con un pequeño circuito de memoria, el primer contacto con un lado fija el estado y los rebotes siguientes no lo cambian, porque para cambiarlo habría que tocar el otro lado. No tiene demora ni depende de tiempos. Se usa poco, porque necesita un pulsador más caro y un integrado.

07 · Características

Corriente y vida de los contactos

Todo lo que viste sobre los contactos de un relé en el Tema 25 vale para un interruptor: son la misma cosa, movida con el dedo en lugar de con una bobina.

La corriente impresa es para carga resistiva

Un interruptor «de 6 A» maneja 6 A de un calefactor. Con un motor o una lámpara de filamento, bastante menos.

En continua, menos que en alterna

«6 A 125 VAC» no dice nada sobre 24 V de continua con una carga inductiva. El arco en continua no se apaga solo.

Un pulsador táctil no maneja cargas

Sus 50 mA y 12 V son para señales. Un relé de 71 mA ya lo supera, y es inductivo. El táctil da la orden a un transistor, y el transistor maneja la carga.

La vida, en años

Las hojas indican la vida en maniobras. Lo que importa es cuántos años son con tu uso:

Un contacto no falla de golpe. Al acercarse al final de su vida aumenta su resistencia, rebota cada vez más y empieza a fallar de a ratos. Es la causa de casi todos los botones que «hay que apretar fuerte».

08 · Selección

Elegir en cuatro preguntas

1. 1
   ¿Maneja una señal o una carga?

   Una señal: cualquiera de baja corriente, mejor con contactos para señal. Una carga: su corriente y su tensión, con el margen de una carga inductiva o en continua. Ante la duda, que maneje una señal y que un transistor o un relé haga el trabajo.

2. 2
   ¿Es un evento o un estado?

   Evento, pulsador. Estado, interruptor. Un pulsador para un estado obliga al programa a recordarlo, y lo pierde al apagarse. Un interruptor para un evento obliga al usuario a volverlo a su lugar.

3. 3
   ¿Cuántas veces se va a accionar?

   Maniobras por día, por 365, por los años que tiene que durar; con margen de dos. De ahí sale la vida nominal mínima.

4. 4
   ¿Quién lo acciona, y dónde?

   Un dedo, una pieza de una máquina, un imán. A la intemperie o en un gabinete. Con guantes. Con qué fuerza y con qué recorrido. Son datos de la hoja tanto como la corriente.

09 · Simulador

Banco del pulsador

Un pulsador al negativo, conectado a una entrada. Elegí el contacto, el resistor de la entrada y el filtro, y pulsá. Cada pulsación es distinta, como en la realidad.

• Arriba, la tensión en la entrada: lo que entrega el contacto, con sus rebotes.
• En el medio, la misma señal después del capacitor, cuando hay uno.
• Abajo, lo que el programa da por cierto. Cada bajada es una pulsación contada.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Un pulsador gastado, sin filtro. La franja de arriba muestra los rebotes al apretar y al soltar. El programa cuenta varios.

2. 2
   Presioná «Pulsar diez veces».

   El acumulado es la escena: diez pulsaciones, treinta o cuarenta contadas. Cada pulsación da un número distinto.

3. 3
   Reiniciá y elegí «Programa: 1 ms estable». Pulsá diez veces.

   Mejora y no alcanza: algunos rebotes duran más de un milisegundo.

4. 4
   Probá 5 ms y 20 ms.

   Con 20 ms cuenta exactamente diez. La demora es de unos 25 ms: imperceptible.

5. 5
   Con 50 ms, cambiá la pulsación a «toque muy breve».

   El programa no la registra: el botón estuvo apretado menos tiempo que el que el filtro exige. Demasiado filtro también pierde pulsaciones.

6. 6
   Volvé a la pulsación normal y probá los dos capacitores.

   Con 100 nF se cuelan los rebotes largos. Con 1 µF la franja del medio es una curva suave y el programa cuenta bien, con algo de demora al soltar.

7. 7
   Cambiá el contacto al pulsador nuevo y al interruptor de palanca.

   Sin filtro, los dos cuentan de más. Al nuevo le alcanza con 1 ms; la palanca, con ese mismo filtro, sigue contando varias veces de más.

8. 8
   Elegí «sin resistor» en la entrada.

   Con el pulsador suelto, la entrada no vale nada definido y el programa cuenta pulsaciones que nadie hizo. Mirá la franja de arriba: cambia sola, antes y después de la pulsación. Un filtro puede esconder parte de esos cambios, pero no reemplaza al resistor.

Preguntas para pensar

1. En el paso 2, ¿por qué cada pulsación cuenta un número distinto?
2. En el paso 5, ¿cuál es el compromiso al elegir el tiempo del filtro?
3. En el paso 8, ¿por qué un filtro no puede reemplazar al resistor?

10 · Verificar

Verificar con el multímetro y con el programa

El rebote, en cambio, no se ve con un multímetro: dura milisegundos y el instrumento actualiza su lectura un par de veces por segundo. Hace falta un osciloscopio, o un instrumento que ya tenés: el propio microcontrolador.

Medir el rebote con el programa

1. 1
   Contar todos los cambios, sin filtrar.

   Un programa que suma uno cada vez que la entrada cambia de nivel, y que muestra el total un segundo después del último cambio.

2. 2
   Predecir.

   Una pulsación limpia serían 2 cambios: uno al apretar y uno al soltar. Con un pulsador táctil, entre 4 y 20.

3. 3
   Pulsar veinte veces y anotar.

   El mínimo, el máximo y el promedio. Probá apretando despacio, rápido y de costado.

4. 4
   Medir la duración.

   Que el programa guarde también el tiempo entre el primer cambio y el último de cada ráfaga. Ese es el rebote real de tu pulsador, y el tiempo del filtro tiene que superarlo con margen.

11 · El pulsador en código

Rebote, filtro y vida

Simular el rebote y filtrarlo

Un generador de pulsaciones con rebote y el filtro de la sección 6, escrito como lo escribirías en un microcontrolador: leyendo a intervalos y sin detener nada.

import random

PASO_MS = 0.1                      # cada cuánto se lee la entrada en la simulación


def pulsacion(rebote_ms, hueco_ms, apretado_ms=80, total_ms=140, semilla=1):
    """Devuelve la lista de lecturas: True = contacto cerrado."""
    azar = random.Random(semilla)
    cambios = []
    for inicio, duracion in ((10, rebote_ms), (10 + apretado_ms, rebote_ms * 0.6)):
        t, pares = inicio, 0
        while t < inicio + duracion:
            cambios.append(t)
            t += azar.uniform(0.1, hueco_ms)
            pares += 1
        if pares % 2 == 0:             # tiene que terminar en el estado contrario
            cambios.append(t)
    lecturas, cerrado, i = [], False, 0
    for n in range(int(total_ms / PASO_MS)):
        while i < len(cambios) and cambios[i] <= n * PASO_MS:
            cerrado, i = not cerrado, i + 1
        lecturas.append(cerrado)
    return lecturas


def contar(lecturas, estable_ms):
    """Cuenta pulsaciones aceptando un cambio solo si se mantuvo estable_ms."""
    aceptado, distinto_desde, cuenta = False, None, 0
    for n, lectura in enumerate(lecturas):
        if lectura == aceptado:
            distinto_desde = None
        elif distinto_desde is None:
            distinto_desde = n
        if distinto_desde is not None and (n - distinto_desde) * PASO_MS >= estable_ms:
            aceptado, distinto_desde = lectura, None
            cuenta += aceptado            # suma solo al apretar
    return cuenta


for nombre, rebote, hueco in (("táctil nuevo", 1.5, 0.4), ("táctil gastado", 7, 1.8), ("palanca", 14, 3.5)):
    print(nombre)
    for estable in (0, 1, 5, 20, 50):
        total = sum(contar(pulsacion(rebote, hueco, semilla=s), estable) for s in range(20))
        print(f"   filtro de {estable:>2} ms: 20 pulsaciones -> cuenta {total}")

Cambiá apretado_ms=80 por 30 en la definición de pulsacion: ¿qué filtro empieza a perder pulsaciones?

El filtro con capacitor

from math import log


def filtro(r_ohm, c_farad, umbral_alto=0.7, r_serie=330):
    tau = r_ohm * c_farad * 1000                       # en milisegundos
    filtra_hasta = -tau * log(1 - umbral_alto)         # apertura que todavía no cruza el umbral
    demora_soltar = filtra_hasta
    pico = 3.3 / r_serie * 1000
    print(f"{r_ohm / 1000:g} kohm y {c_farad * 1e9:g} nF: constante de tiempo {tau:g} ms")
    print(f"   ignora aperturas de hasta {filtra_hasta:.1f} ms; al soltar demora {demora_soltar:.1f} ms")
    print(f"   pico por el contacto con {r_serie} ohm en serie: {pico:.0f} mA")


filtro(10_000, 100e-9)
filtro(10_000, 1e-6)
filtro(47_000, 100e-9)        # con el resistor interno de un microcontrolador
filtro(10_000, 1e-6, r_serie=1)

El último caso es el capacitor sin resistor en serie, suponiendo 1 Ω de cables y contacto: mirá el pico.

Cuánto dura, y cuál elegir

PIEZAS = [    # nombre, corriente máxima (A), maniobras, momentáneo
    ("pulsador táctil", 0.05, 100_000, True),
    ("pulsador de panel", 1, 200_000, True),
    ("interruptor DIP", 0.05, 1_000, False),
    ("interruptor deslizante", 0.3, 10_000, False),
    ("interruptor de palanca", 3, 30_000, False),
    ("final de carrera", 5, 1_000_000, True),
]


def elegir(amperes, por_dia, anios, evento, margen=2):
    necesarias = por_dia * 365 * anios * margen
    print(f"{amperes} A, {por_dia:.2g} por día, {anios} años, "
          f"{'evento' if evento else 'estado'}: hacen falta {necesarias:,.0f} maniobras")
    for nombre, i_max, vida, momentaneo in PIEZAS:
        motivos = []
        if amperes > 0.7 * i_max:
            motivos.append("corriente")
        if vida < necesarias:
            motivos.append(f"dura {vida / por_dia / 365:.1f} años")
        if momentaneo != evento:
            motivos.append("tipo de acción")
        print(f"   {nombre:24} {'SIRVE' if not motivos else 'no: ' + ', '.join(motivos)}")


elegir(0.001, 50, 5, evento=True)
elegir(2, 4, 10, evento=False)
elegir(0.001, 1 / 30, 20, evento=False)

El tercer caso es una configuración que se cambia una vez por mes. Agregá a PIEZAS un interruptor que tengas, con los datos de su hoja.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: polos y vías

Decí qué tipo de interruptor hace falta para: encender una luz; elegir entre dos fuentes de alimentación para un circuito; cortar el positivo y el negativo de una batería a la vez; invertir el giro de un motor de continua.

Ejercicio 2: la entrada

Un pulsador entre una entrada y el negativo, con un resistor de 10 kΩ al positivo de 3,3 V. ¿Qué lee el programa sin apretar y apretando? ¿Cuánta corriente circula? ¿Qué cambia si en lugar del resistor externo se usa el interno de 40 kΩ?

Ejercicio 3: elegir el tiempo del filtro

Medís el rebote de tu pulsador con el método de la sección 10: en veinte pulsaciones, el más largo dura 6 ms. Tus usuarios pueden dar toques de 60 ms. ¿Qué tiempo de filtro elegís?

Ejercicio 4: el capacitor

Con el resistor de 10 kΩ, ¿qué capacitor hace falta para ignorar aperturas de hasta 5 ms, con una entrada cuyo umbral de subida está en el 70 % de la alimentación? ¿Cuánto demora en reconocer que se soltó el pulsador?

Ejercicio 5: vida útil

Un torniquete de acceso acciona un final de carrera 3000 veces por día. La hoja indica un millón de maniobras. ¿Cuánto dura? ¿Qué harías para que el equipo dure diez años?

Ejercicio 6: mapeá y medí

Con piezas reales. Mapeá con el multímetro un pulsador táctil y un interruptor de tres terminales. Medí la resistencia de cada contacto cerrado. Si tenés una placa, hacé la medición de rebote de la sección 10.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 29?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Decir qué diferencia a un pulsador de un interruptor.
• Explicar qué son un polo y una vía.
• Decir por qué una entrada con un pulsador necesita un resistor.
• Explicar qué es el rebote y por qué un LED no lo muestra.
• Describir el filtro por programa sin usar una espera que detenga todo.
• Decir qué dos cosas necesita el filtro con capacitor además del capacitor.
• Calcular cuánto dura un pulsador de 100 000 maniobras usado 200 veces por día.

Un pulsador es el sensor más simple que existe: informa una sola cosa, con un bit, y hay que tocarlo. El paso siguiente son los componentes que informan una magnitud del mundo sin que nadie los toque, con una tensión, una resistencia o un mensaje. En el próximo tema, sensores: familias y salidas.