Обзор концевиков с помощью осциллографа

Накопилась у меня небольшая кучка концевиков, решил детально разобраться в их поведении с помощью осциллографа.

Список участвующих:

Triangle TL, Omron EE-SX670, SN-04N, Lerdge, МОК1820, ЛМОК1135, Датчик Холла и стандартный механический. 

Цель - выяснить скорость нарастания и спада напряжения, повторяемость, стабильность и другие особенности.

Концевики Бывают двух типов: Active_Low и Active_High.

Актив - значит сработал, нажали, перекрыли щель, поднесли металл и т.п.

Low в этот момент выход притягивается к минусу, соответственно напряжение =0

High, наоборот, было =0, нажали - стало 1, то есть = + Uпитания.

В качестве испытательно стенда выступает лежащая на столе плата управления BTT SKR V1.4, сигнал фиксируется непосредственно у входа в плату SKR. Питание по USB от компьютера. К плате ничего больше не подключено. Это первый, и основной этап.

В особенный заезд попали избранные временем и случаем оптические концевики Lerdge и ЛМОК1135. Установлены они на оси Z безотказного малыша-помошника ZAV mini. Винт TR8 4мм на оборот, 16 микрошагов.

Буду парковать столик, и смотреть графики.

Осциллограф показывает изменение напряжения в течении времени в графическом виде. Там тоже есть X и Y. Но X это время, а Y - напряжение.

Долго думал над методикой подачи материала, решил практически все измерения подавать в виде сдвоенных картинок. Верхняя отображает момент срабатывания, нижняя - отпускание.

Иногда, в добавок к желтому графику добавится бело-серая линия и даже цветные. Это повторное нажатие на концевик.

Масштаб:

По вертикали 1клетка = 1 вольт, по горизонтали - зависит от концевика, обозначена сцециальным значком в виде ромбика со значением.

Слева есть табличка с данными, показывает значение ограниченные линиями-курсорами AY, BY и AX, BX

Самые информативные 2 последние строчки, ДельтаY - напряжение, 1/Дельта X - время.

Итак, начну я пожалуй с самого "вкусного", и неожиданного, 

1. Trianglelab-TL ActiveHigh

Играй гармонь. Видимо с целью экономии, они сделали ставку на использование компаратора LM393. А это его типичное поведение - вблизи точки срабатывания возникают множественные неопределённости состояния. Вот она, та самая точка Бифуркации.

Причем длительность этой "болтанки" напрямую зависит от скорости перекрытия щели. Если постараться, можно превратить его в генератор.

Белый график - это второе перекрытие щели, более медленное.

Соответственно ни о какой точности повторной парковки не может быть и речи. 

Перевод описания этого товара отлично говорит за себя:

К сожалению, мы стремимся сделать высококачественные аксессуары...

Немножко выдернуто из контекста, но тем не менее забавно.

А чтоже это за болтанка? Можно измерить

Пилообразный сигнал со стабильной частотой около 4 МГц, напряжением 3 вольта.

2. Оптический концевик Lerdge. Весьма популярен. 

Отличается простотой конструкции, выход инвертирован транзистором. Таким образом имеем тип Active High.

Показания сняты непосредственно на принтере, путём парковки. 

В моём исполнении, этот концевик немножко ускорен - вон тот жёлто-коричневый конденсатор удалён.

Здесь специально заснял 6 повторных парковок, серая линия - первая парковка на повешенной скорости, цветные повторная, медленная после отскока. Среднее время 6 миллисек. Каждая парковка разная.

Получается чем быстрей паркуемся, тем точней.

Это касается и популярных, "красненьких" датчиков без имени. Там наверняка еще интереснее.

А раз дело коснулось реальной парковки, значит следующим будет ЛМОК1135. Оптический концевик в моём исполнении. Монолитный датчик, триггер Шмитта.

3. ЛМОК1135 ActiveLow

От всех других отличается рекордно малым временем переключения, в пределах 10 наносекунд. Причем скорость как срабатывания, так и отпускания одинаковы.

Приведены также 6 цветов, 6 парковок. От скорости перекрытия щели вообще не зависит.

4. МОК1820. ActiveLow.

Тоже моя работа. Расшифровывается просто: МикроОптический Концевик 18х20мм. К слову сказать, теперь есть и МОК1220. Поведение всех трёх одинаковое.

Наверное Вы заметили небольшую болтанку. Это так называемый "звон" индуктивности провода. Его длина кстати 1метр. Поэтому, чтобы исключить подозрения, серая линия - сигнал снят непосредственно у концевика. Таким образом индуктивность провода исключается.

Такая звон возникает из-за быстрого переключения, можно сказать мгновенного.

Две желтые линии показывают идентичность времени срабатывания и отпускания.

5. Датчик на основе эффекта Холла. То есть магнитный, снова в моём исполнении.

Подробности общедоступны:

Hall sensor Endstop for Ender 3

Hall sensor Ender 5

Верхний - магнит поднесли, нижний - убрали. Применён датчик А3144 с интегрированным триггером шмитта. А также, транзистор в качестве инвертора сигнала. Чтоб получить стандартный ActiveHigh.

Цветастых линий здесь не будет, всё чётко, повторяемость один к одному. Но есть большая претензия - слишком большой гистерезис. А это значит, чтобы выключить сработавший датчик, магнит нужно оттянуть на 5мм назад, минимум. Бывают неприятные казусы с парковкой.

5. SN-04N Active Low

Без претензий, всё красиво. Разве что тяжеловат, ~30 грамм, провод толстоват и разное время срабатывания-отпускания.

6. Omron EE-SX670

Omron. Четко и ясно. 

Опять же, разное время переключения. Четвёртая ножка переворачивает логику с ActiveLow на ActiveHigh. А в этом случае параметры хуже.

Ну и наконец,  пришла пора механических.

Но прежде, немного пояснений.

Плата SKR V1.4 не имеет шунтирующих конденсаторов 100nf на сигнальной линии концевиков. В то время как SKR1.3 имеет. Насчет других плат не скажу, но думаю в большинстве случаев конденсаторы установлены.

Служит для устранения дребезга контактов механического концевика. Но все реакции замедляет. Другим концевикам конденсатор не нужен.

Так что, на других платах время реации можно умножить на 2.

7. Механический концевик. ActiveHigh

Цветные графики, каждый цвет - парковка.  Верхняя картинка с установленным конденсатором, нижняя без конденсатора.

Итак, нажали на концевик, 6 раз,

Теперь отпустили кнопку

Красота! картина маслом. Заметили торчащие вниз пики? - это тот самый звон от индуктивности провода. На верхней картинке специально приблизил жёлтую линию. Выброс относительно нуля достигает минус 2 вольт, а звон длится 6.5 микросекунд, иногда и минус 5 вольт проскакивает.

И вот что интересно. Поскольку концевик ActiveHigh, а значит нажали - напряжение поднимается до напряжения питания, в данном случае 3.3 вольт. А вот когда отпускаем его, то контакты замыкаются и всё ёмкости, кабелей, дорожек, конденсатор мгновенно разражяются. А момент парковки происходит по первому сигналу. Значит, с целью повышения точности, лучше включать концевик по схеме ActiveLow 4 миллисекунды против 6.5 микросекунд.

По гравикам, некоторые цветные линии совсем не совпадают друг с другом. А значит точка парковки будет в разных координатах. Здесь нужно обратиться к паспорту на МК платы принтера. Интересуют пороговые уровни, при каком напряжении на входе микросхема засчитывает срабатывание.

Согласно паспорту на LPC1768 порог срабатывания от 0.8 до 2х вольт на входе. Значит, отсчитыванием от нижнего курсора (0 вольт) 1-2 клеточки - это и будет точка срабатывания.  Но величина не нормируется, диапазон веслма широк. Значит, зависит от всего, температуры МК, окружающей температуры, влажности, напряжения питания, конкретного экземпляра МК.

Поэтому то, чем быстрее происходит переключение из одного состояния в другое, тем меньше будет ошибка позиционирования.

Можно даже позаниматься математикой 5го класса. Зная время и скорость движения, вычислить расстояние, помножив одно на другое. Лердж или Триангл концевик хорошо подходит для этих занятий.

P.S.

Есть возможность сделать хороший концевик на основе аналового датчика Холла SS39 и внешнего триггера шмитта в компактном, продуманном дизайне. Если есть потребность пишите, обдумаем.

Оптические датчики моделей МОК1220, МОК1820 и ЛМОК1135 скоро появятся в некотором, постоянном  избытке.

Покрутить/ примерить указанные модельки можно в виде STL и STEP файлов по ссылке.