Рассмотрено 6 принципиальных схем самодельных электронных выключателей и реле времени, выполненных на основе микросхем К561ТМ2 и CD4060, описана их работа и возможности по применению. В настоящее время в радиоэлектронной аппаратуре, в основном, электронные выключатели, либо и электронный и механический.

Электронный выключатель управляется обычно одной кнопкой, - одно нажатие, и аппарат включен, при следующем нажатии -выключен. Реже бывают с двумя кнопками, - одна для включения, вторая для выключения.

Электронный выключатель в радиоэлектронной аппаратуре в подавляющем большинстве случаев входит в состав контроллера управления, управляющего и другими функциями аппарата.

Но, если нужно оборудовать электронным выключателем какое-то устройство, самодельное или у которого не предусмотрен электронный выключатель, это можно по одной из приводимых здесь схем, на основе микросхемы КМОП-логики и мощного полевого ключевого транзистора.

Выключатель управляемый одной кнопкой

Первая схема простого выключателя, управляемого одной кнопкой приведена на рисунке 1. Мощный полевой транзистор VТ1 выполняет функции электронного ключа, а управляет им D-триггер микросхемы К561ТМ2.

Данная схема, как и все последующие, потребляет минимальный ток, измеряемый единицами микроампер, и поэтому, практически не оказывает влияния на расход источника питания.

Рис. 1. Схема простого электронного выключателя, управляемого одной кнопкой.

То есть, на его прямом выходе - единица. При этом, напряжение между истоком и затвором транзистора VТ1 будет слишком мало для его открывания, и транзистор остается закрытым, - питание на нагрузку не поступает.

При этом, на инверсном выходе триггера будет напряжение логического нуля. Оно через резистор R3, с небольшой задержкой, поступает на вход «D» триггера.

Теперь, при нажатии кнопки S1 на вход «С» триггера поступает от кнопки импульс и триггер устанавливается в то состояние, которое имеет место на его входе «D», то есть, в данный момент, в логический нуль.

Теперь на инверсном выходе триггера -единица. Эта единица, с небольшой задержкой, через резистор R3 поступает на вход «D» триггера.

Теперь, при следующем нажатии кнопки S1 на вход «С» триггера поступает от кнопки импульс и триггер устанавливается в то состояние, которое имеет место на его входе «D», то есть, в данный момент, в единицу. Единица на затворе VТ1 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VТ1 падает до величины, недостаточной для открывания полевого транзистора VТ1. Нагрузка выключается.

Электронный переключатель двух нагрузок

Но не всегда требуется именно выключатель, бывает что нужен переключатель. На рисунке 2 показана схема электронного переключателя двух нагрузок. Главное отличие от схемы на рис.1 в том, что здесь два мощных полевых транзистора.

При этом, напряжение между истоком и затвором транзистора VТ1 будет слишком мало для его открывания, и транзистор остается закрытым, питание на нагрузку 1 не поступает. А напряжение между истоком и затвором транзистора VТ2 будет достаточным для его открывания, и транзистор откроется, поступит питание на нагрузку 2.

Рис. 2. Схема простого самодельного электронного переключателя двух нагрузок.

При этом, нуль с инверсного выхода триггера через резистор R3, с небольшой задержкой, поступает на вход «D» триггера. Теперь, при нажатии кнопки S1 на вход «С» триггера поступает от кнопки импульс и триггер устанавливается в то состояние, которое имеет место на его входе «D», то есть, в данный момент, в логический нуль.

Логический нуль на затворе VТ1 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VТ 1 возрастает до величины, достаточной для открывания полевого транзистора VТ1. На нагрузку 1 поступает питание.

Но транзистор VТ2 при этом закрывается, и нагрузка 2 выключается. Таким образом, при каждом нажатии кнопки S1 происходит переключение нагрузок.

Несколько слов, о назначении цепи C2-R3 в схемах на рис.1 и рис.2. Дело в том, что кнопка -это механические контакты, которые соединяются механически, и здесь практически не возможно обойтись без дребезга контактов. И чем больше износ кнопки, тем сильнее проявляется дребезг её контактов.

Поэтому, как при нажатии кнопки, так и при её отпускании, может формировать не один импульс, а целая серия коротких импульсов. И это может привести к многократному переключению триггера, и в результате, установке его в произвольное состояние. Чтобы такого не происходило здесь есть цепь C2-R3.

Она несколько задерживает приход логического уровня с инверсного выхода триггера на его вход «D». Поэтому, пока длится дребезг контактов, напряжение на входе «D» не меняется, и импульсы дребезга на состояние триггера не влияют.

Выключатель с двумя кнопками

Как уже отмечено выше, электронные выключатели бывают как с одной кнопкой, так и с двумя, - одна для включения, другая для выключения. На рисунке 3 показана схема именно выключателя.

Рис. 3. Схема электронного выключателя нагрузки с двумя кнопками.

Здесь точно так же, мощный полевой транзистор VТ1 выполняет функции электронного ключа, а управляет им триггер микросхемы К561ТМ2. Только работает он не как D-триггер, а как RS-триггер. Для этого его входы «С» и «D» соединены с общим минусом питания (то есть, на них всегда логические нули).

Для того чтобы в момент подключения источника питания нагрузка не включилась сама здесь имеется цепь C1-R2, которая при подаче питания триггер устанавливает в единичное состояние.

То есть, на его прямом выходе - единица. При этом, напряжение между истоком и затвором транзистора VT1 будет слишком мало для его открывания, и транзистор остается закрытым, - питание на нагрузку не поступает.

Для включения нагрузки служит кнопка S1. При её нажатии триггер переключается в положение «R», то есть, на его прямом выходе устанавливается логический ноль.

Логический нуль на затворе VT1 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VT1 возрастает до величины, достаточной для открывания полевого транзистора VT1.

На нагрузку поступает питание. Для того, чтобы выключить нагрузку нужно нажать кнопку S2. При её нажатии триггер переключается в положение «S», то есть, на его прямом выходе устанавливается логическая единица.

Единица на затворе VT1 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VT1 падает до величины, недостаточной для открывания полевого транзистора VT1. Нагрузка выключается.

Две кнопки и две нагрузки

Электронный переключатель с двумя кнопками работает логичнее однокнопочного, во всяком случае понятно, что одна кнопка включается одну нагрузку, а другая - другую нагрузку. На рисунке 4 показана схема двухкнопочного электронного переключателя двух нагрузок.

Рис. 4. Схема электронного переключателя с двумя кнопками для двух нагрузок.

Для того чтобы в момент подключения источника питания схема устанавливалась в одно известное положение, то есть, в данном случае, нагрузка 1 выключена, нагрузка 2 включена, здесь имеется цепь C1-R2, которая при подаче питания триггер устанавливает в единичное состояние. То есть, на его прямом выходе - единица, на инверсном - ноль.

При этом, напряжение между истоком и затвором транзистора VT1 будет слишком мало для его открывания, и транзистор остается закрытым, - питание на нагрузку 1 не поступает.

А напряжение между истоком и затвором транзистора VT2 будет достаточным для его открывания, и транзистор откроется, поступит питание на нагрузку 2. Для включения нагрузки 1 служит кнопка 51. При её нажатии триггер переключается в положение «R», то есть, на его прямом выходе устанавливается логический ноль.

Логический нуль на затворе VT1 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VT1 возрастает до величины, достаточной для открывания полевого транзистора VT1. На нагрузку поступает питание.

При этом, на инверсном выходе триггера присутствует логическая единица. Напряжение между истоком и затвором транзистора VT2 будет слишком мало для его открывания, и транзистор остается закрытым, - питание на нагрузку 2 не поступает.

Для включения нагрузки 2 служит кнопка 52. При её нажатии триггер переключается в положение «S», то есть, на его инверсном выходе устанавливается логический ноль. Логический нуль на затворе VT2 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VT2 возрастает до величины, достаточной для открывания полевого транзистора VT2.

На нагрузку 2 поступает питание. При этом, на прямом выходе триггера присутствует логическая единица. Напряжение между истоком и затвором транзистора VТ1 будет слишком мало для его открывания, и транзистор остается закрытым, - питание на нагрузку 1 не поступает.

Электронное реле времени

Но понадобиться могут не только выключатели и переключатели, но реле времени. На рисунке 5 показана схема электронного реле времени, которое включает нагрузку при нажатии кнопки S1, а выключает её примерно через 30 секунд.

Рис. 5. Схема электронного реле времени для включения нагрузки при нажатии кнопки и выключения через 30 секунд.

Реле времени запускается кнопкой S1. При её нажатии триггер переключается в положение «R», то есть, на его прямом выходе устанавливается логический ноль.

Логический нуль на затворе VТ1 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VТ 1 возрастает до величины, достаточной для открывания полевого транзистора VТ1. На нагрузку поступает питание.

В то же время, логическая единица с инверсного выхода начинает через резистор R2 медленно заряжать конденсатор С1. Время включенного состояния нагрузки истекает тогда, когда конденсатор С1 зарядится до напряжения, которое будет понято микросхемой как логическая единица. Тогда триггер установится в состояние «S».

То есть, на его прямом выходе - единица. При этом, напряжение между истоком и затвором транзистора VТ1 будет слишком мало для его открывания, и транзистор закроется, -питание на нагрузку выключится. Время включенного состояния нагрузки зависит от цепи C1-R2.

Реле времени на 8 часов

Изменением составляющих этой цепи можно изменять это время в широких пределах, но очень большого времени выдержки достигнуть сложно. На рисунке 6 показана схема реле времени на цифровой микросхеме, время включенного состояния нагрузки в котором составляет около 8 часов.

Рис. 6. ЁПринципиальная схема реле времени на цифровой микросхеме, которое включает нагрузку на 8 часов.

Реле времени запускается кнопкой S1. При её нажатии счетчик микросхемы D1 переключается в нулевое состояние, то есть, на всех его выходах устанавливается логический ноль, в том числе и на самом старшем выходе D14. Откуда он поступает на затвор VТ1.

Логический нуль на затворе VТ1 приводит к тому, что напряжение между истоком и затвором VТ1 возрастает до величины, достаточной для открывания полевого транзистора VТ1. На нагрузку поступает питание.

Далее, счетчик начинает отсчитывать время, считая импульсы, которые вырабатывает его встроенный мультивибратор. Спустя заданное время на выводе 3 устанавливается логическая единица. При этом, напряжение между истоком и затвором транзистора VТ1 будет слишком мало для его открывания, и транзистор закроется, - питание на нагрузку выключится.

В то же время, логическая единица через диод VD3 поступает на вывод 11 D1 и блокирует внутренний мультивибратор микросхемы. Генерация импульсов прекращается. Во всех схемах для подачи питания на нагрузку используются транзисторы IRFR5505. Это ключевой полевой транзистор с допустимым током коллектора 18А и сопротивлением в открытом состоянии 0,1 От.

Открывается транзистор при напряжении на затворе не ниже 4,25V. Поэтому и минимальное напряжение питания в схемах указано 5V, так сказать, чтобы точно хватило. Но, при напряжении питания схемы до 7V и при большом токе нагрузки транзистор все же открывается не полностью.

И сопротивление его канала существенно больше 0,1 Ом, поэтому, при питании ниже 7V ток нагрузки не должен превышать 5А. При питании же более высоким напряжением, ток может быть до 18А. Так же нужно учесть, что при токе нагрузки более 4А транзистору нужен будет радиатор для отвода тепла. Одно из свойств таких транзисторов, -это относительно большая емкость затвора.

И именно этого боятся микросхемы КМОП - относительно большой емкости на выходе. Потому что, хотя статическое сопротивление затвора и стремится к бесконечности, но при изменении напряжения на затворе возникает существенный бросок тока на заряд / разряд его емкости.

В очень редких случаях это повреждает микросхему, гораздо чаще это приводит к сбоям в работе микросхемы, особенно триггеров и счетчиков. Чтобы этих сбоев не происходило между выходами микросхем и затворами транзисторов в этих схемах включены токоограничивающие резисторы, например, R4 в схеме на рис.1. Плюс два диода, ускоряющих заряд / разряд емкости затвора.

Литовкин С. Н. РК-08-17.

Литература: И. Нечаев. - Электронный выключатель. Р-02-2004.

28-07-2016

Anthony Smith

Слаботочные выключатели без фиксации, подобные монтируемым на плату тактовым кнопкам, дешевы, доступны и отличаются большим разнообразием размеров и стилей. В то же время кнопки с фиксацией часто имеют бóльшие габариты, они дороже, а диапазон их конструктивных вариантов относительно ограничен. Это может оказаться проблемой, если вам потребуется миниатюрный недорогой выключатель для фиксации питания нагрузки. В статье предлагается схемное решение, позволяющее придать кнопке с самовозвратом функцию фиксации.

Ранее были предложены конструкции, схемы которых основывались на дискретных компонентах и микросхемах , . Однако ниже будет описана схема, которой для выполнения тех же функций потребуется всего пара транзисторов и горсть пассивных компонентов.

На Рисунке 1а приведен вариант схемы включения питания для случая нагрузки, подключенной к земле. Схема работает в режиме «переключателя»; это значит, что первое нажатие включает питание нагрузки, второе выключает, и так далее.

Чтобы понять принцип работы схемы, представим, что источник питания +V S только что подключен, конденсатор C1 в исходном состоянии разряжен, и транзистор Q1 выключен. При этом резисторы R1 и R3 оказываются включенными последовательно и подтягивают затвор P-канального MOSFET Q2 к шине +V S , удерживая транзистор в закрытом состоянии. Сейчас схема находится в «деблокированном» состоянии, когда напряжение нагрузки V L на контакте OUT (+) равно нулю.

При кратковременном нажатии нормально разомкнутой кнопки затвор Q2 подключается к конденсатору C1, разряженному до 0 В, и MOSFET включается. Напряжение нагрузки на клемме OUT (+) немедленно увеличивается до +V S , через резистор R4 транзистор Q1 получает базовое смещение и открывается. Вследствие этого Q1 насыщается и через резистор R3 подключает затвор Q2 к земле, удерживая MOSFET открытым, когда контакты кнопки разомкнуты. Теперь схема находится в «зафиксированном» состоянии, когда оба транзистора открыты, нагрузка получает питание, а конденсатор C1 заряжается до напряжения +V S через резистор R2.

После повторного кратковременного замыкания переключателя напряжение на конденсаторе C1 (теперь равное +V S) окажется приложенным к затвору Q2. Поскольку напряжение затвор-исток Q2 теперь близко к нулю, MOSFET выключается, и напряжение нагрузки падает до нуля. Напряжение база-эмиттер Q1 также опускается до нуля, закрывая транзистор. В результате при отпущенной кнопке ничто не удерживает Q2 в открытом состоянии, и схема возвращается в «деблокированное» состояние, когда оба транзистора выключены, нагрузка обесточена, а C1 разряжается через резистор R2.

Шунтирующий выходные зажимы резистор R5 устанавливать необязательно. При отпущенной кнопке конденсатор C1 разряжается на нагрузку через резистор R2. Если импеданс нагрузки очень велик (то есть, соизмерим с величиной R2), или нагрузка содержит активные устройства, такие, скажем, как светодиоды, напряжение нагрузки во время выключения Q2 может оказаться достаточно большим, чтобы через резистор R4 открыть транзистор Q1 и не позволить схеме выключиться. Резистор R5 при выключении Q2 подтягивает клемму OUT (+) к шине 0 В, обеспечивая быстрое выключение Q1 и давая схеме возможность надлежащим образом перейти в закрытое состояние.

При правильном выборе транзисторов схема будет работать в широком диапазоне напряжений и может использоваться для управления такими нагрузками, как реле, соленоиды, светодиоды и т. д. Однако не забывайте, что некоторые работающие на постоянном токе вентиляторы и моторы продолжают вращаться и после выключения питания. Это вращение может создавать противоЭДС, достаточно большую, чтобы открыть транзистор Q1 и не позволить схеме выключиться. Решение проблемы показано на Рисунке 1б, где последовательно с выходом включен блокировочный диод. В этом случае также можно добавить в схему в резистор R5.

На Рисунке 2 изображена еще одна схема, предназначенная для нагрузок, подключенных к верхней шине питания, таких, например, как показанное в этом примере электромагнитное реле.

Обратите внимание, что Q1 был заменен p-n-p транзистором, а на месте Q2 теперь находится N-канальный MOSFET. Эта схема работает точно так же, как схема описанная выше. Здесь R5 выполняет функцию подтягивающего резистора, соединяющего выходной контакт OUT (-) с шиной +V S , когда транзистор Q2 выключается, и обеспечивающего быстрое закрывание Q1. Как и в предыдущей схеме, резистор R5 является необязательным компонентом, и устанавливается только при некоторых типах нагрузки, упомянутых выше.

Заметим, что в обеих схемах постоянная времени C1, R2 выбирается исходя из требуемого подавления дребезга контактов. Обычно нормальной считается величина от 0.25 с до 0.5 с. Меньшие постоянные времени могут привести к неустойчивой работе схемы, в то время как бóльшие увеличивают время ожидания между замыканиями контактов кнопки, за которое должен произойти достаточно полный заряд и разряд конденсатора C1. При указанных на схеме значениях C1 = 330 нФ и R2 = 1 МОм номинальная величина постоянной времени равна 0.33 с. Обычно этого бывает достаточно, чтобы устранить дребезг контактов и переключить нагрузку за время порядка пары секунд.

Обе схемы предназначены для фиксации и отпускания ключа в ответ на кратковременные замыкания контактов. Однако каждая из них проектировалась таким образом, чтобы гарантировать правильную работу даже при сколь угодно длительном нажатии кнопки. Рассмотрим схему на Рисунке 2, когда транзистор Q2 закрыт. Если кнопка нажимается для выключения схемы, затвор подключается к потенциалу 0 В (поскольку конденсатор C1 разряжен), и MOSFET закрывается, давая возможность общей точке резисторов R1 и R2 подключиться к шине +V S через резистор R5 и импеданс нагрузки. Одновременно Q1 также выключается, в результате чего затвор Q2 оказывается соединенным с шиной GND через резисторы R3 и R4. Если кнопку сразу же отпустить, C1 просто зарядится через резистор R2 до напряжения +V S . Однако если оставить кнопку замкнутой, напряжение затвора Q2 будет определяться потенциалом делителя, образованного резисторами R2 и R3+R4. Считая, что при разблокированной схеме напряжение на контакте OUT (-) приблизительно равно +V S , для напряжения затвор-исток транзистора Q2 можно записать следующее выражение:

Даже если напряжение +V S будет равно 30 В, результирующего напряжения 0.6 В между затвором и истоком не хватит, чтобы открыть MOSFET вновь. Следовательно, при разомкнутых контактах кнопки оба транзистора будут оставаться выключенными.