Схемы электронных виключателей питания для схем на микроконтроллерах. Автоматический и ручной переключатели фаз Выключатели на транзисторах - Меандр - занимательная электроника

22.08.2023

Напряжение питающей сети не всегда соответствует требованиям потребителей. Если происходит его скачок с 220 В до 250 В, это может вывести из строя чувствительные электроприборы. В качестве защиты здесь можно применять переключатель фаз.

Разнообразие типов переключателей фаз

Принцип действия

Переключатель обеспечивает выбор фазы, напряжение на которой соответствует установленным параметрам. Сам он подключается к трехфазной сети, а на выходе одна из фаз подключается к нагрузкам. Если напряжение на ней выходит за заданный диапазон, переключатель переводит потребителей на работу от другой фазы.

Ручные переключатели фаз

Цели применения устройств следующие:

переключение питающей сети;
запуск и остановка электродвигателей, включение трансформаторов и других приборов.

Главная цель механического переключателя – создание бесперебойного питания однофазной нагрузки и защита потребителей от скачков напряжений в сети.

На рисунке ниже изображена схема перекидного переключателя на 3 положения. К контактам (2), (4), (6) подключены 3 фазы, а к неподвижному контакту – нагрузка.

Схематичный вид 3х положений перекидного переключателя

Ручные кулачковые переключатели служат для коммутации цепей под напряжением до 380 В. Их используют при включении и выключении электроприборов, а также для создания главных и управляющих цепей. Устройства имеют небольшие габариты, выдерживают кратковременные перегрузки и обладают высокой коммутационной способностью. Когда производится выбор прибора, важно обращать внимание на номинальный ток.

Во многих конструкциях ручных переключателей предусмотрено нулевое положение, в котором электрические цепи остаются разомкнутыми. Это позволяет использовать их в качестве выключателей.

Электронные переключатели фаз

Для защиты однофазных потребителей от скачков напряжения в сети лучше подходит электронный прибор. Он автоматически переходит на другую линию, когда действующая линия не может нормально работать. Оборудование служит для питания бытовой и промышленной нагрузки.

Автоматический прибор большинства типов имеет следующие параметры установки:

Минимальный и максимальный пределы напряжения. Особенно важен верхний предел, который следует правильно выставлять. Если его сделать слишком низким, начнутся частые срабатывания. При высоких значениях начнет перегреваться внутренняя проводка. Выбирается приоритетная фаза (L1) устройства переключения. Если на ней нет скачков напряжения, переход на линии (L2) или (L3) может не произойти. Если такое переключение будет иметь место, прибор продолжит слежение за приоритетной линией и при восстановлении необходимого уровня напряжения произойдет обратное переключение нагрузки. Если нижний и верхний пределы напряжения пересекаются в диапазоне отклонений на 10-20 В, прибор будет нестабильно работать. Поэтому важно сделать правильный выбор установок.
Время возврата – интервал, в течение которого переключатель должен автоматически проверять состояние прежнего источника питания, чтобы вернуться в исходное состояние. Если оно в норме, происходит обратный переход. В противном случае следующая проверка произойдет через тот же промежуток времени. Выбор времени возврата делает пользователь, исходя из опыта, потребностей и особенностей работы электросети.
Время включения – пауза, после которой прибор делает попытку включить питание нагрузки после того, как напряжение пропало на всех фазах.

Производители

Переключатели «АПАТОР» серии 4G

Российская компания “АПАТОР” производит изделия массового применения и выполненные по специальному заказу. Широкий ассортимент продукции позволяет подобрать подходящую замену изделиям других производителей.

Схемы коммутации предусматривают следующие варианты:

наличие или отсутствие нулевого положения переключателя;
ускоренная коммутация;
многопозиционные переключения при количестве полюсов от 1 до 8;
групповые переключения.

Положение кулачкового переключателя, как изображено на рисунке ниже, обеспечивает замыкание электрической цепи верхними подвижными контактами (3) и неподвижными (1). Проводники зажимаются винтами (12).

Схема строения переключателя компании “АПАТОР” на основе кулачкового механизма

При повороте кулачка (2) на 90 0 против часовой стрелки верхний шток (5) поднимается вверх под действием пружин и размыкает цепь. Нижний шток поднимается вверх вместе с подвижными контактами, замыкая нижнюю электрическую цепь.

Кулачковый механизм имеет следующие достоинства:

надежную коммутацию;
устойчивость к перегрузкам;
малое сопротивление замкнутых контактов;
высокую скорость замыкания и размыкания контактов;
небольшие усилия переключения;
возможность создания многочисленных схем переключений одним и тем же механизмом;
длительный срок эксплуатации.

Устройство переключателей позволяет легко производить коммутацию электрических цепей без лишнего давления на ручку. Ее искусственное торможение также делать нецелесообразно.

Фирма «АПАТОР» изготавливает специальные переключатели, рассчитанные на номинальный ток 100 А. Высокая нагрузка обеспечивается за счет дублирования контактов. Устройства можно применять в качестве основных выключателей.

Переключатели «SOCOMEC SCP»

Производитель «SOCOMEC SCP» (основан во Франции) выпускает несколько типов аппаратов. Наиболее популярными являются многополюсные переключатели COMO C (преимущественно трех,- и четырехполюсные). Устройствами можно безопасно переключать и выключать нагрузки от 25 А до 100 А (рис. а). Разрыв контакта – видимый.

Различные типы переключателей фаз от компании «SOCOMEC SCP»

Sirco VM commut – многополюсный ручной переключатель (рис. б) обеспечивает питание нагрузки от двух источников. Номинальный ток составляет 65-125 А. При отключении остается видимый разрыв.

SIRCOVER M (рис. в) является перекидным рубильником с ручным управлением и несколькими полюсами. Устройство обеспечивает отключение или включение источников питания на нагрузку.

Переключатель фаз SPH-41

Устройство обеспечивает подключение однофазного потребителя к трехфазной четырехпроводной сети (производитель ООО “Вектор”, Россия). Автоматический прибор устанавливается после счетчика, выбирает самую надежную по параметрам фазу и подключает к ней потребителя. Затем производится контроль за напряжением. Выбор и установка его верхнего и нижнего допустимых пределов делается заранее.

Переключение фаз в автоматическом режиме

Переключатель ПЭФ-301 изображен на рисунке ниже (производитель ООО НПК “Электроэнергетика”). Прибор предназначен для питания однофазной бытовой и промышленной нагрузки от трехфазной сети. Устройство автоматически выбирает фазу с лучшими параметрами и подключает к ней нагрузку. Потребители до 3,5 кВт связаны с сетью через прибор (рис. а). Приоритетной является фаза L1. При выходе значения напряжения за порог срабатывания, ПЭФ-301 переключает потребителя на другую фазу с помощью контактов (7-8), (9-10), (11-12) на выходе прибора.

При большей мощности нагрузки выходные контакты прибора связаны с катушками магнитных пускателей, которые управляют силовыми контактами подачи напряжения через фазу с лучшими характеристиками (красный, зеленый и черный на рис. б).

Схемы подключения автоматического переключателя фаз

3х фазный переключатель. Видео

Обзор трехфазного переключателя для дома доступен в видео ниже.

Переключатель фаз в доме или квартире можно ставить ручной или автоматический. Электронный переключатель фаз обеспечивает максимальный комфорт, поскольку выполняет всю работу без вмешательства и не требует постоянного контроля. Следует только произвести правильную настройку его работы, и он надежно защитит бытовые электроприборы.

Коридорный выключатель очень хорошо знаком электрикам старшего поколения. Сейчас подобное устройство несколько забыто, поэтому придется вкратце рассказать об алгоритме его действия.

Представьте, что Вы выходите из комнаты в коридор, в котором нет окон. Около двери щелкаете выключателем, и в коридоре загорается свет. Этот выключатель условно назовем первым.

Дойдя до противоположного конца коридора, перед выходом на улицу Вы гасите свет вторым выключателем, расположенным около выходной двери. Если в комнате еще кто-то остался, то он также может при выходе включить свет первым выключателем, и с помощью второго выключить. При заходе в коридор с улицы свет включается вторым выключателем, а уже в комнате выключается первым.

Хотя все устройство в целом называется выключателем, для его изготовления потребуются два переключателя с перекидным контактом. Обычные выключатели здесь не подойдут. Схема такого коридорного выключателя показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Коридорный выключатель с двумя переключателями.

Как видно из рисунка схема достаточно проста. Лампочка будет светить в том случае, если оба переключателя S1 и S2 замкнуты на один и тот же провод, или верхний, или нижний, как показано на схеме. В противном случае лампа погашена.

Для управления одним источником света из трех мест, не обязательно одной лампочкой, это может быть несколько светильников под потолком, схема уже другая. Она показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Коридорный выключатель с тремя переключателями.

По сравнению с первой схемой, эта схема несколько сложнее. В ней появился новый элемент - переключатель S3, который содержит две группы переключающих контактов. В положении контактов, указанном на схеме, лампа включена, хотя обычно указывается положение, при котором потребитель выключен. Но при таком начертании, легче проследить путь тока через выключатели. Если теперь любой из них перевести в положение противоположное указанному на схеме, то лампа выключится.

Чтобы проследить путь тока при других вариантах положения переключателей, достаточно просто поводить по схеме пальцем и мысленно перевести их во все возможные положения.

Обычно такой способ позволяет разобраться и с более сложными схемами. Поэтому длинного и скучного описания работы схемы здесь не приводится.

Такая схема позволяет управлять освещением из трех мест. Она может найти применение в коридоре, в который выходят две двери. Конечно, можно возразить, что в этом случае проще поставить современный датчик движения, который даже следит за тем, день сейчас или ночь. Поэтому днем освещение включаться не будет. Но в некоторых случаях такая автоматика просто не поможет.

Представьте себе, что такой тройной выключатель установлен в комнате. Одна клавиша расположена у входной двери, другая над письменным столом, а третья около кровати. Ведь автоматика может включить свет, когда вы просто во сне перевернетесь с боку на бок. Можно найти еще немало условий, где необходима именно схема без автоматики. Такие выключатели называют также проходными , а не только коридорными.

Теоретически такой проходной выключатель можно сделать и с большим количеством переключателей, но это значительно усложнит схему, потребуются переключатели все с большим количеством контактных групп. Уже даже всего пять переключателей сделают схему неудобной для монтажа и просто понимания принципов ее работы.

А если такой выключатель потребуется для коридора, в который выходит десять, а то и двадцать комнат? Ситуация достаточно реальная. Таких коридоров достаточно в провинциальных гостиницах, студенческих и заводских общежитиях. Как же быть в этом случае?

Вот тут на помощь придет электроника. Ведь как работает такой проходной выключатель? На одну клавишу нажали - свет включился, и горит до тех пор, пока не нажали на другую. Такой алгоритм работы напоминает работу электронного устройства - триггера. Более подробно о различных триггерах можно почитать в цикле статей « ».

Если просто стоять и нажимать на одну и ту же клавишу, то лампочка будет поочередно включаться и гаснуть. Такой режим похож на работу триггера в счетном режиме - с приходом каждого управляющего импульса состояние триггера меняется на противоположное.

При этом в первую очередь следует обратить внимание на то, что при использовании триггера клавиши не должны иметь фиксации: достаточно просто кнопок, наподобие звонковых. Для подсоединения такой кнопки потребуется всего два провода, причем не очень даже и толстых.

А если параллельно одной кнопке подключить еще одну, то получится проходной выключатель с двумя кнопками. Ничего не меняя в принципиальной схеме, можно подключить пять, десять и более кнопок. Схема с использованием триггера К561ТМ2 показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Проходной выключатель на триггере К561ТМ2.

Триггер включен в счетном режиме. Для этого его инверсный выход подключен к входу D. Это стандартное включение, при котором каждый входной импульс по входу C изменяет состояние триггера на противоположное.

Входные импульсы получаются при нажатии кнопок S1…Sn. Цепочка R2C2 предназначена подавления дребезга контактов, и формирования одиночного импульса. При нажатии на кнопку происходит заряд конденсатора C2. При отпускании кнопки конденсатор разряжается через C - вход триггера, формируя входной импульс. Таким образом обеспечивается четкая работа всего переключателя в целом.

Цепочка R1C1, подключенная к входу R триггера обеспечивает сброс при начальном включении питания. Если этого сброса не требуется, то R - вход следует просто подключить к общему проводу питания. Если его оставить просто «в воздухе», то триггер воспримет это как высокий уровень и будет все время находиться в нулевом состоянии. Поскольку RS - входы триггера являются приоритетными, подача импульсов на вход C состояния триггера менять не сможет, вся схема окажется заторможенной, неработоспособной.

К прямому выходу триггера подключается выходной каскад, управляющий нагрузкой. Самый простой и надежный вариант это реле и транзистор, как показано на схеме. Параллельно катушке реле подключен диод D1, назначение которого уберечь выходной транзистор от напряжения самоиндукции при выключении реле Rel1.

Микросхема К561ТМ2 в одном корпусе содержит два триггера, один из которых не используется. Поэтому входные контакты незадействованного триггера следует соединить с общим проводом. Это контакты 8, 9, 10 и 11. Такое подключение предотвратит выход микросхемы из строя под воздействием статического электричества. Для микросхем структуры КМОП такое соединение всегда обязательно. Питающее напряжение +12В следует подать на 14 вывод микросхемы, а 7 вывод соединить с общим проводом питания.

В качестве транзистора VT1 можно применить КТ815Г, диод D1 типа 1N4007. Реле малогабаритное с катушкой на 12В. Рабочий ток контактов выбирается в зависимости от мощности светильника, хотя может быть и любая другая нагрузка. Здесь лучше всего использовать импортные реле типа TIANBO или им подобные.

Источник питания показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Источник питания.

Источник питания выполнен по трансформаторной схеме с использованием интегрального стабилизатора 7812, обеспечивающего на выходе постоянное напряжение 12В. В качестве сетевого трансформатора используется трансформатор мощностью не более 5…10 Вт с напряжением вторичной обмотки 14…17В. Диодный мост Br1 можно применить типа КЦ407, либо собрать из диодов 1N4007, которые в настоящее время очень распространены.

Электролитические конденсаторы импортные типа JAMICON или подобные. Их теперь также проще купить, чем детали отечественного производства. Хотя стабилизатор 7812 имеет встроенную защиту от коротких замыканий, но все равно перед включением устройства следует убедиться в правильности монтажа. Это правило забывать не следует никогда.

Источник питания, выполненный по указанной схеме, обеспечивает гальваническую развязку от осветительной сети, что позволяет применять данное устройство в сырых помещениях, таких как погреба и подвалы. Если такого требования не предъявляется, то источник питания можно собрать по бестрансформаторной схеме, подобно той, которая показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Бестрансформаторный источник питания.

Такая схема позволяет отказаться от использования трансформатора, что в ряде случаев достаточно удобно и практично. Правда кнопки, да и вся конструкция в целом, будут иметь гальваническую связь с осветительной сетью. Об этом не следует забывать, и соблюдать правила техники безопасности.

Выпрямленное сетевое напряжение через балластный резистор R3 подается на стабилитрон VD1 и ограничивается на уровне 12В. Пульсации напряжения сглаживаются электролитическим конденсатором C1. Нагрузка включается транзистором VT1. При этом резистор R4 подключается к прямому выходу триггера (вывод 1), как показано на рисунке 3.

Собранная из исправных деталей схема не требует налаживания, начинает работать сразу.

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.

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.

Практически каждый радиолюбитель хоть раз да применял переключатели П2К, которые могут быть одиночными (с фиксацией или без), или собираться в группы (без фиксации, независимая фиксация, зависимая фиксация). В ряде случаев такие переключатели целесообразнее заменить на электронные, собранные на ТТЛ микросхемах. Именно о таких переключателях мы и поговорим.

Переключатель с фиксацией. Эквивалентом в цифровой схемотехнике такому переключателю служит триггер со счетным входом. При первом нажатии на кнопку триггер переходит в одно устойчивое состояние, при повторном – в противоположное. Но управлять счетным входом триггера кнопкой напрямую невозможно из-за дребезга ее контактов в момент замыкания и размыкания. Одним из самых распространенных методов борьбы с дребезгом является использование кнопки на переключение совместно со статическим триггером. Взглянем на рис.1.

Рис.1

В исходном состоянии на выходах элементов DD1.1 и DD1.2 «1» и «0» соответственно. При нажатии на кнопку SB1 первое же замыкание ее нормально разомкнутых контактов переключает триггер, собранный на DD1.1 и DD1.2 , причем дребезг контактов на дальнейшую его судьбу не влияет – чтобы триггер вернулся в исходное состояние, необходимо подать логический ноль на нижний его элемент. Это может произойти только при отпускании кнопки и снова дребезг не повлияет на надежность переключения. Далее наш статический триггер управляет обычным счетным, который переключается по входу С фронтом сигнала с выхода DD1.2.

Следующая схема (рис.2) работает аналогично, но позволяет сэкономить один корпус, поскольку в качестве статического триггера используется вторая половина микросхемы DD1.

Рис.2

Если применение кнопок с переключающими контактами неудобно, то можно воспользоваться схемой, изображенной на рис.3.

Рис.3

В ней в качестве подавителя дребезга используется цепочка R1,С1,R2. В исходном состоянии конденсатор подключен к цепи +5 В и разряжен. При нажатии на кнопку SB1 начинается заряд конденсатора. Как только он зарядится, на входе счетного триггера сформируется отрицательный импульс, который его и переключит. Поскольку время зарядки конденсатора много больше времени переходных процессов в кнопке и составляет порядка 300 нс, дребезг контактов кнопки не влияет на состояние триггера

Переключатели с фиксацией и общим сбросом . Схема, изображенная на рис.4 представляет собой произвольное количество кнопок с независимой фиксацией и одной кнопкой общего сброса.

Рис.4

Каждый переключатель представляет собой статический триггер, включаемый отдельной кнопкой. Поскольку при появлении даже короткого низкого уровня триггер однозначно переключается и удерживается в таком положении до сигнала «сброс» на другом входе, схема подавления дребезга контактов кнопки не нужна. Сбрасывающие входы всех триггеров соединены и подключены к кнопке SBL, являющейся общей кнопкой сброса. Таким образом включить каждый триггер можно отдельной кнопкой, выключить же можно только все сразу кнопкой «Сброс».

Переключатели с зависимой фиксацией . В этой схеме каждая кнопка включает свой статический триггер и одновременно сбрасывает все остальные. Таким образом мы получаем аналог линейки кнопок П2К с зависимой фиксацией (рис.5).

Рис.5

Как и в предыдущей схеме, каждая кнопка включает свой триггер, но одновременно с этим запускает схему сброса, собранную на транзисторе VT2 и элементах DК.3, DK.4. Рассмотрим работу этого узла. Предположим, нам нужно включить первый триггер (элементы D1.1, D1.2). При нажатии на кнопку SB1 низкий уровень (поскольку конденсатор C1 разряжен) переключит триггер (вход элемента D1.1). Конденсатор тут же начнет заряжаться через цепь SB1, R8. Как только напряжение на нем увеличится примерно до 0.7В, откроется транзистор VT1, но для элемента D1.1 такое напряжение еще является логическим «0».

Транзистор тут же переключит триггер Шмидта на элементах DK.3, DK.4, который сформирует короткий импульс на входах сброса всех триггеров. Все триггеры будут сброшены (если до этого были включены), кроме первого, поскольку через кнопку SB1 на его верхний по схеме вход все еще подается логический «0» (напряжение ниже 1 В). Таким образом, задержка прохождения сигнала сброса достаточна для прекращения дребезга контактов, но сброс произойдет быстрее, чем мы отпустим кнопку, запрещающую переключение соответствующего триггера

Интересную и несложную схему переключателя с зависимой фиксацией можно построить на микросхеме К155ТМ8 (рис.6).

Рис.6

При подаче питания цепочка R6, С1 сбрасывает все триггеры и на их прямых выходах устанавливается низкий логический уровень. На входах D так же уровень низкий, поскольку все они замкнуты каждый через свою кнопку на общий провод. Предположим нажата кнопка SB1. На входе первого триггера устанавливается «1» (благодаря R1), на общем тактирующем входе – «0» (через переключающий контакт кнопки). Пока теоретически ничего не происходит, поскольку микросхема стробирует данные по положительному перепаду. А вот при отпускании кнопки данные со входов будут переписаны в триггеры – в 2, 3, 4 – «0», в 1 – «1», поскольку положительный фронт на входе С появится раньше, чем верхние по схеме контакты SB1 замкнутся. При нажатии любой другой кнопки цикл повторится, но «1» будет записана в тот триггер, чья кнопка будет нажата. Это в теории. Практически из-за дребезга контактов данные с входа перепишутся сразу после нажатия кнопки и по отпусканию ее не изменятся.

Все вышеперечисленные схемы с зависимой фиксацией обладают одним существенным недостатком, который свойственен и переключателям П2К – возможность «защелкивания» нескольких кнопок при их одновременном нажатии. Избежать этого позволит схема, собранная на приоритетном шифраторе (рис.7).

Рис.7

Схема, конечно, с виду достаточно громоздка, но фактически состоит лишь из трех корпусов без дополнительных навесных элементов и, что немаловажно, не требует кнопок на переключение. При нажатии на кнопку, приоритетный шифратор DD1 устанавливает на своем выходе двоичный код (инверсный) этой кнопки и подтверждает его сигналом G «строб», который тут же записывает данные в микросхему DD2, работающую в режиме четырехразрядного параллельного регистра-защелки. Здесь код еще раз инвертируется (выходы у регистра инверсные) и поступает на обычный двоично-десятичный дешифратор DD3. Таким образом, на соответствующем выходе дешифратора устанавливается низкий уровень, который будет неизменным до нажатия любой другой кнопки. Невозможность одновременного защелкивания двух кнопок обеспечивает схема приоритета (подробнее о работе приоритетного шифратора я писал ). Поскольку микросхема К155ИВ1 прямо таки создана для наращивания разрядности, было бы глупо не воспользоваться этим и не собрать блок переключателей с зависимой фиксацией на 16 кнопок (рис.8).

Рис.8

Останавливаться на работе схемы я не буду, поскольку принцип наращивания разрядности ИВ1 я подробно описал . Разводку выводов питания ТТЛ микросхем серии К155 (1533, 555, 133) можно посмотерть .

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.