Электронный выключатель. Простой электронный переключатель

Электронный выключатель схема — это простая и недорогая электронная схема с дешевой тактовой кнопкой может управлять включением и выключением питания нагрузки. Схема заменяет более дорогой и крупный механический выключатель с фиксацией. Кнопка запускает ждущий мультивибратор. Выход мультивибратора переключает счетный триггер, логический уровень выхода которого, меняясь после каждого нажатия кнопки, коммутирует питание нагрузки.

Возможны несколько различных вариантов реализации этой схемы. Вариант, в котором использованы два J-K триггера IC1 и IC2 одной микросхемы CD4027B показан на Рисунке 1. Обратная связь, идущая от RC-цепочки, подключенной к выходу IС1 к входу сброса превращает этот триггер в ждущий мультивибратор. Вход J микросхемы IC1 подключен к шине питания, а вход К — к земле, поэтому по переднему фронту тактового импульса на ее выходе устанавливается «лог. 1». Тактовая кнопка включается между тактовым входом микросхемы IС1, и землей. Точно также кнопку можно включить между тактовым входом и положительной шиной питания VDD. Подключение выводов J и К к высокому уровню превращает IC2 в счетный триггер. Микросхема IС2 переключается передним фронтом выходного сигнала IC1.

Понять работу схему можно, посмотрев на временные диаграммы в ее разных точках, изображенные на Рисунке 2. При нажатии кнопки на тактовый вход IС1, начинают поступать импульсы дребезга, передний фронт первого из которых устанавливает на выходе высокий уровень. Конденсатор С1, начинает заряжаться через резистор R1 до уровня «лог. 1». В тот же момент нарастающий фронт импульса, пришедшего на тактовый вход счетного триггера IС2, переключает состояние его выхода. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает порога входа RESET микросхемы IC1 триггер сбрасывается, и уровень выходного сигнала становится низким.

После этого С1 разряжается через R1 до уровня «лог. О». Скорости заряда и разряда С1, одинаковы. Длительность выходного импульса мультивибратора должна превышать время нажатия на кнопку и продолжительность дребезга. Регулировкой подстроечного резистора R1 эту длительность можно изменять в соответствии с типом используемой кнопки. Комплементарные выходы IC2 можно использовать для управления транзисторными силовыми ключами, реле или выводами включения импульсных регуляторов. Схема работает при напряжении от 3 В до 15 В и может управлять питанием аналоговых и цифровых устройств.

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.

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 .

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Мощные электронные MOSFET переключатели являются одним из основных узлов в бытовой и специальной электронике и могут быть полезны для осуществление контроля больших нагрузок постоянного тока, без использования сильноточных выключателей, у которых со временем подгорают и изнашиваются контакты. Как известно, полевые MOSFET транзисторы способны работать с очень большими напряжениями и токами. Что сильно востребованно для соединения нагрузок в различной силовой цепи.

Схема электронного переключателя

Эта схема позволяет легко переключать низкими импульсами напряжения (5 В) для управления большой нагрузкой постоянного тока. Мощность указанного по схеме MOSFET транзистора подходит для того, чтоб выдерживать напряжения и токи до 100 В, 75 А (для NTP6411). Этот электронный переключатель может использоваться вместо реле в модулях вашего автомобиля.

Обычный выключатель или импульсный вход может быть использован для активации транзистора. Выбрать метод ввода можно установив перемычку на соответствующей стороне. Импульсный вход, вероятно, будет наиболее полезен. Схема была спроектирована для использования с 24 В, но она может быть адаптирована для работы с другими напряжениями (испытания прошли нормально и при 12V). Переключатель должен также работать с другими N-канальными МОП-транзисторами. Защитный диод D1 включен для предотвращения скачков напряжения от индуктивных нагрузок. Светодиоды обеспечивают визуальную индикацию состояния транзистора. Винтовые клеммы позволяют подключать устройство в разные модули.

Выключатель после сборки был протестирован в течении суток совместно с электромагнитным клапаном (24 В / 0,5 А) и транзистор был прохладным на ощупь даже без радиатора. В общем эту схему можно рекомендовать для самых широких областей применения - как светодиодным освещением, так и в автоэлектронике, на замену обычным электромагнитным реле.