Выключатель питания с нулевым потреблением мощности на основе нефиксируемой кнопки

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2015

Anthony Smith

ЕDN

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 [1] и микросхемах [2], [3]. 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.

Выключатель питания с нулевым потреблением мощности на основе нефиксируемой кнопки
а) б)
Рисунок 1. Эта схема превращает кнопку без фиксации в выключатель питания.

Чтобы понять принцип работы схемы, представим, что источник питания +VS 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 +VS, удерживая транзистор в закрытом состоянии. Сейчас схема находится в «деблокированном» состоянии, когда напряжение нагрузки VL 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 +VS, 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 +VS через резистор R2.

После повторного кратковременного замыкания переключателя напряжение на конденсаторе C1 (теперь равное +VS) 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 +VS, 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.

Выключатель питания с нулевым потреблением мощности на основе нефиксируемой кнопки
Рисунок 2. Схема, видоизмененная для нагрузки, подключенной к
положительной шине питания.

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 +VS 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 +VS. 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 +VS, для напряжения затвор-исток транзистора Q2 можно записать следующее выражение:

Даже если напряжение +VS 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.

Схема на Рисунке 2 фиксируется в открытом состоянии кратковременным замыканием контактов кнопки, когда конденсатор C1 заряжен до напряжения +VS, в результате чего Q2 быстро открывается и потенциал клеммы OUT (-) падает до нуля, а вслед за ним быстро включается Q1. Нажатие кнопки после размыкания контактов позволило бы конденсатору C1 разрядиться до нуля через резистор R2. Однако если кнопка останется нажатой, напряжение на затворе Q2 будет определяться потенциалом, задаваемым делителем R2 и R3. Поскольку Q1 открыт и насыщен, напряжение в точке соединения R3 и R4 на коллекторе Q1 будет близко к +VS, а общая точка резисторов R1 и R2 через транзистор Q2 будет подключена к шине GND. Поэтому при удержании кнопки в замкнутом состоянии напряжение затвор-исток транзистора Q2 равно

Следовательно, если напряжение питания равно, по крайней мере, пороговому напряжению затвор-исток Q2, оба транзистора Q2 и Q1 будут включены до тех пор, пока контакты кнопки остаются разомкнутыми.

Обе схемы служат примерами недорого способа фиксации питания нагрузки с помощью нефиксируемой кнопки. Как и у механического переключателя, мощность, рассеиваемая схемами при отключенной нагрузке, равна нулю.

Ссылки

  1. Smith, Anthony H., "Latching power switch uses momentary-action pushbutton", EDN, October 28, 2004.
  2. Schelle, Donald, "Electronic circuit replaces mechanical push-push switch", EDN, September 28, 2006.
  3. Bhandarkar, Santosh, "Single-IC-based electronic circuit replaces mechanical switch", EDN, March 15, 2007.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Latching power switch uses momentary pushbutton

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Рисунок 2: схема работает наполовину (при нажатии кнопки нагрузка включается, при отпускании – отключается). Применённые транзисторы: Q1 – КТ816Г, Q2 – IRFS630A. В качестве Q1 применялись также транзисторы А1270 и 2N2905: всё то же самое. Схема питается от 12 В. В качестве нагрузки временно подключена лампа (26 В, 0,12 А), но планировалось подключать УНЧ на TDA2006. Изменение номиналов R1, R3, R4 ничего не даёт. Как исправить ситуацию?
  • Причина несработки электронной “защёлки” оказалась до обидного проста: забыл на плате соединить точку соединения R1 и R2 со стоком Q2 (рис.2). Перемычка решила всю проблему... Напряжение затвор-исток Q2 при включённом устройстве – практически полное напряжение питания, но, поскольку по даташиту для IRFS630A оно допускается до 20 В, то при питании от 12 В – самое то! Напряжение база-эмиттер Q1 при питании от 12 В составило 0,6 В; ток коллектора – 1,2 мА. Так что Q1 можно ставить любой маломощный кремниевый структуры P-N-P. Что особенно радует – в неактивном состоянии схема не потребляет ток. Номиналы пассивных элементов на схеме указаны верно, так что данную схему с чистым сердцем можно рекомендовать радиолюбителям.
  • Схема работает. Проверял при напряжении 7,6 В (и нагрузке примерно 1 А).В выключенном состоянии при подаче 30 В. При включении - всё корректно работает.
  • даташит на мосфет утверждает обратное... если че ток утечки 1..50мкА в зависимости от погоды на Марсе. ну и эта читайте [url]http://www.mosaic-industries.com/embedded-systems/microcontroller-projects/electronic-circuits/push-button-switch-turn-on/latching-toggle-power-switch[/url]
  • Здравствуйте уважаемые радиолюбители! Собрал устройство по схеме с рисунка 1. Всё работает прекрасно до напряжения 13В. Свыше 13В состояние нагрузки не фиксируется, т.е нагрузка отключается после того, как я отпускаю кнопку. Устройство должно работать при напряжение 14-15В, т.к планируется использоваться в автомобиле. Помогите разобраться, что не так. Номиналы как на схеме, Q1 - bc547b, Q2 - IRF5305.
  • Всем доброго времени суток. Собрал схему по рис. №2: Q1 - BC856B, Q2 - D1703 на макетке, запитал от DC/DC преобразователя с выходом 6 вольт. Работает отлично. Но когда запитал от 2х литиевых батарей или от стабилизированного ИП - включение отлично, а выключать не хочет. Пробовал менять напряжение питания, подтягивал затвор к земле - бесполезно, отключать не хочет. Напряжение на конденсаторе, при включенном состоянии падает до "0", при нажатии кнопки на отключение, напряжение мгновенно растет до (почти) уровня питания и естественно вследствие наличия этого напряжения не хочет отключаться. В чем может быть проблема?
  • нагрузка какая? У меня без нагрузки не отключалась. С нагрузкой в 3 А все работает четко. Поиграйтесь с резистором R5, он стабильности добавляет. Вообще, как мне показалось, схема довольно чувствительна к утечкам. Я тоже по второму рисунку собирал. У меня работает от 2-х литиевых элементов. Транзисторы не помню какие, биполярник вытащил с автомобильного мафона, а полевик - mosfet из мамки.
  • Да действительно все зависит от нагрузки. У меня схема начала нормально работать при нагрузке 0.4 А. А это мне не приемлемо, дополнительный, бесполезный расход лития. Так что вернусь к старой системе; включение mjsfet через емкость, с самоблокировкой, одной кнопкой, выключение - закорачиванием затвора на корпус. другой кнопкой
Полный вариант обсуждения »