Выключатели на транзисторах

Основное назначение транзисторных выключателей, схемы которых предлагаются вниманию читателей, — включение и выключение нагрузки постоянного тока. Кроме этого, он может выполнять ещё дополнительные функции, например, индициро­вать своё состояние, автоматически отключать нагрузку при раз­рядке аккумуляторной батареи до предельно допустимого значения или по сигналу датчиков температуры, освещённости и др. На базе нескольких выключателей можно сделать пере­ключатель. Коммутация тока осуществляется транзистором, а управление осуществляется одной простой кнопкой с контактом на замыкание. Каждое нажатие на кнопку изменяет состояние выключателя на противоположное.

Описание аналогичного выключате­ля было приведено в [1], нотам для управления применены две кнопки. К достоинствам предлагаемых выключа­телей можно отнести бесконтактное подключение нагрузки, практически отсутствие потребляемого тока в вы­ключенном состоянии, доступные эле­менты и возможность применения ма­логабаритной кнопки, занимающей ма­ло места на панели прибора. Недостат­ки — собственный потребляемый ток (несколько миллиампер) во включён­ном состоянии, падение напряжения на транзисторе (доли вольта), необходи­мость принятия мер для защиты от импульсных помех надёжного контакта во входной цепи (может самопроиз­вольно выключаться при кратковремен­ном нарушении контакта).

Схема выключателя показана на рис. 1. Принцип его работы основан на том, что у открытого кремниевого тран­зистора напряжение на переходе база- эмиттер транзистора — 0,5…0,7 В, а на­пряжение насыщения коллектор-эмит­тер может быть 0,2…0,3 В. По сути, это устройство представляет собой триггер на транзисторах с разной структурой, управляемый одной кнопкой. После по­дачи питающего напряжения оба тран­зистора закрыты, а конденсатор С1 раз­ряжен. При нажатии на кнопку SB1 ток зарядки конденсатора С1 открывает транзистор VT1, и следом за ним откро­ется транзистор VT2. При отпускании кнопки транзисторы остаются во включённом состоянии, питающее напряже­ние (за вычетом падения напряжения на транзисторе ѴТ1) поступает на нагрузку и продолжится зарядка конденсатора С1. Он зарядится до напряжения, немно­гим большем, чем напряжение на базе этого транзистора, поскольку напряже­ние насыщения коллектор—эмиттер меньше напряжения база-эмиттер.

Рис. 1

Поэтому при следующем нажатии на кнопку напряжение база-эмиттер на транзисторе ѴТ1 будет недостаточным для поддержания его в открытом со­стоянии и он закроется. Следом закроется транзистор VT2, и нагрузка обесточится. Конденсатор С1 разрядит­ся через нагрузку и резисторы R3—R5, и выключатель вернётся в исходное со­стояние. Максимальный коллекторный ток транзистора ѴТ1 I_к зависит от коэф­фициента передачи тока h_21э и базового тока І_б: I_к = l_б h_2lэ. Для указанных на схеме номиналов и типов элементов этот ток — 100…150 мА. Чтобы выключатель рабо­тал нормально, ток, потребляемый на­грузкой, должен быть меньше этого зна­чения.

У этого выключателя есть две осо­бенности. Если на выходе выключателя будет короткое замыкание, после крат­ковременного нажатия на кнопку SB1 транзисторы на короткое время откро­ются и затем, после зарядки конденса­тора С1, закроются. При уменьшении выходного напряжения примерно до 1 В (зависит от сопротивлений резисторов R3 и R4) транзисторы также закроются, т. е. нагрузка будет обесточена.

Второе свойство выключателя можно использовать для построения разрядно­го устройства для отдельных Ni-Cd или Ni-Mh аккумуляторов до 1 В перед составлением их в батарею и дальней­шей общей зарядке. Схема устройства показана на рис. 2. Выключатель на транзисторах ѴТ1, ѴТ2 подключает к аккумулятору разрядный резистор R6, параллельно которому подключён пре­образователь напряжения [2], собран­ный на транзисторах ѴТЗ, ѴТ4, питающий светодиод HL1. Светодиод индицирует состояние процесса разрядки и являет­ся дополнительной нагрузкой аккумуля­тора. Резистором R8 можно изменять яркость свечения светодиода, вслед­ствие этого изменяется потребляемый им ток. Так можно производить коррек­тировку разрядного тока. По мере раз­рядки аккумулятора снижается напряже­ние на входе выключателя, а также на базе транзистора ѴТ2. Резисторы дели­теля в цепи базы этого транзистора по­добраны так, что при напряжении на вхо­де 1 В напряжение на базе уменьшится настолько, что транзистор ѴТ2 закроет­ся, а вслед за ним и транзистор ѴТ1 — разрядка прекратится. При указанных на схеме номиналах элементов интервал регулировки тока разрядки — 40…90 мА. Если резистор R6 исключить, разрядный ток можно менять в интервале от 10 до 50 мА. При использовании сверхъяркого светодиода это устройство можно при­менить для построения карманного фо­наря с защитой аккумулятора от глубо­кой разрядки.

Рис. 2

На рис. 3 показано ещё одно приме­нение выключателя — таймер. Он был использован мною в портативном прибо­ре — испытателе оксидных конденсато­ров. В схему дополнительно введён све­тодиод HL1, который индицирует состоя­ние устройства. После включения заго­рается светодиод и конденсатор С2 на­чинает заряжаться обратным током дио­да VD1. При определённом напряжении на нём откроется транзистор ѴТ3, кото­рый закоротит эмиттерный переход транзистора ѴТ2, что приведёт к выклю­чению устройства (светодиод погаснет). Конденсатор С2 быстро разрядится че­рез диод VD1, резисторы R3, R4 и выклю­чатель вернётся в исходное состояние. Время выдержки зависит от ёмкости кон­денсатора С2 и обратного тока диода. При указанных на схеме элементах оно составляет около 2 мин. Если взамен конденсатора С2 установить фоторезис­тор, терморезистор (или другие датчи­ки), а взамен диода — резистор, получим устройство, которое будет выключаться при изменении освещённости, темпера­туры и т. п.

Рис. 3

Если в нагрузке есть конденсаторы большой ёмкости, выключатель может не включиться (это зависит от их ёмкос­ти). Схема устройства, лишённого этого недостатка, показана на рис. 4. Добав­лен ещё один транзистор ѴТ1, который выполняет функцию ключа, а два других транзистора управляют этим ключом, чем исключается влияние нагрузки на работу выключателя. Но при этом поте­ряется свойство не включаться при наличии в цепи нагрузки короткого замыкания. Светодиод выполняет аналогичную функцию. При указан­ных на схеме номиналах деталей ток базы транзистора ѴТ1 — около 3 мА. Были опробованы несколько тран­зисторов КТ209К и КТ209В в качест­ве ключа. Они имели коэффициенты передачи тока базы от 140 до 170. При токе нагрузки 120 мА падение напряжения на транзисторах было 120…200 мВ. При токе 160 мА — 0,5…2,2 В. Использование в качест­ве ключа составного транзистора КТ973Б позволило значительно уве­личить допустимый ток нагрузки, но падение напряжения на нём было 750…850 мВ, и при токе 300 мА транзистор слабо грелся. В выключен­ном состоянии потребляемый ток на­столько мал, что измерить его с помо­щью мультиметра DT830B не удалось. При этом транзисторы предварительно не отбирались ни по каким параметрам.

Рис. 4

На рис. 5 представлена схема трёх­канального зависимого переключателя. В ней объединены три выключателя, но при необходимости их число может быть увеличено. Кратковременное нажатие на любую из кнопок вызовет включение соответствующего выключателя и под­ключение соответствующей нагрузки к источнику питания. Если нажать на какую-либо другую кнопку, включится соответствующий выключатель, а пре­дыдущий выключится. Нажатие на сле­дующую кнопку включит следующий вы­ключатель, а предыдущий опять отклю­чится. При повторном же нажатии на ту же кнопку последний работающий вы­ключатель выключится, и устройство возвратится в исходное состояние — все нагрузки будут обесточены. Режим переключения обеспечивает резистор R5. При включении какого-либо выклю­чателя напряжение на этом резисторе возрастает, что приводит к закрыванию включённого ранее выключателя. Сопро­тивление этого резистора зависит от тока, потребляемого самими выключа­телями, в данном случае его значение — около 3 мА. Элементы VD1, R3 и С2 обеспечивают прохождение разрядного тока конденсаторов СЗ, С5 и С7. Через резистор R3 конденсатор С2 разряжает в паузах между нажатиями на кнопку. Если эту цепь исключить, останутся только режимы включения и переключе­ния. Заменив резистор R5 проволочной перемычкой, получим три независимо работающих устройства.

Рис. 5

Переключатель предполагалось при­менить в коммутаторе телевизионных антенн с усилителями, но с появлением кабельного телевидения необходи­мость в нём отпала, и проект не был реализован на практике.

В выключателях могут быть примене­ны транзисторы самых разных типов, но они должны соответствовать опре­делённым требованиям. Во-первых, все они должны быть кремниевыми. Во-вторых, транзисторы, коммути­рующие ток нагрузки, должны иметь напряжение насыщения U_{к-э нас} не более 0,2…0,3 В, максимальный допустимый ток коллектора I_{к макс} должен быть в несколько раз боль­ше коммутируемого тока, а коэффи­циент передачи тока h_21э достаточ­ный, чтобы при заданном токе базы транзистор находился в режиме насыщения. Из имеющихся у меня в наличии транзисторов хорошо заре­комендовали себя транзисторы серий КТ209 и КТ502, несколько хуже — серий КТ3107 и КТ361.

Сопротивления резисторов можно изменять в значительных пределах. Если требуется большая экономичность и не нужна индикация состояния выключате­ля, светодиод не устанавливают, а резис­тор в цепи коллектора ѴТЗ (см. рис. 4) можно увеличить до 100 кОм и более, но надо учесть, что при этом уменьшится базовый ток транзистора ѴТ2 и макси­мальный ток в нагрузке. Транзистор ѴТЗ (см. рис. 3) должен иметь коэффициент передачи тока h_21э более 100. Сопротив­ление резистора R5 в зарядной цепи конденсатора С1 (см. рис. 1) и аналогич­ных ему в других схемах может быть в интервале 100.. 470 кОм. Конденсатор С1 (см. рис. 1) и аналогичные ему в дру­гих схемах должны быть с малым током утечки, желательно применить оксидно­полупроводниковые серии К53, но можно применять и оксидные, при этом сопротивление резистора R5 должно быть не более 100 кОм. При увеличении ёмкости этого конденсатора уменьшится быстродействие (время, по истечении которого устройство можно выключить после включения), а если уменьшить — снизится чёткость в работе. Конденсатор С2 (см. рис. 3) — только оксидно-полу­проводниковый. Кнопки — любые мало­габаритные с самовозвратом. Катушка L1 преобразователя (см. рис. 2) приме­нена от регулятора линейности строк чёрно-белого телевизора, хорошо рабо­тает преобразователь и с дросселем на Ш-образном магнитопроводе от КЛЛ. Можно также воспользоваться рекомен­дациями, приведёнными в [2]. Диод VD1 (см. рис. 5) может быть любым маломощ­ным, как кремниевым, так и германие­вым. Диод VD1 (см. рис. 3) должен быть обязательно германиевым.

Налаживания требуют устройства, схемы которых показаны на рис. 2 и рис. 5, остальные в налаживании не нуж­даются, если нет особых требований и все детали исправны. Для налаживания разрядного устройства (см. рис. 2) по­требуется источник питания с регули­руемым напряжением на выходе. Преж­де всего, взамен резистора R4 временно устанавливают переменный резистор сопротивлением 4,7 кОм (в максимум сопротивления). Подключают источник питания, предварительно установив на его выходе напряжение 1,25 В. Вклю­чают разрядное устройство нажатием на кнопку и устанавливают с помощью резистора R8 требуемый ток разрядки. После этого устанавливают на выходе источника питания напряжение 1 В, и с помощью добавочного переменного резистора добиваются выключения устройства. После этого надо несколько раз проверить напряжение выключения. Для этого необходимо увеличить напря­жение на выходе источника питания до 1,25 В, включить устройство, затем не­обходимо плавно уменьшать напряже­ние до 1 В, наблюдая момент выклю­чения. Затем измеряют введённую часть дополнительного переменного резис­тора и заменяют его постоянным с таким же сопротивлением.

Во всех других устройствах также можно реализовать аналогичную функ­цию выключения при снижении входного напряжения. Налаживание производится аналогично. При этом надо иметь в виду то обстоятельство, что вблизи точки вы­ключения транзисторы начинают закры­ваться плавно и ток в нагрузке тоже будет плавно уменьшаться. Если в качестве нагрузки будет радиоприёмник, то это проявится как уменьшение громкости. Возможно, рекомендации, описанные в [1], помогут решить эту проблему.

Налаживание переключателя (см. рис. 5) сводится к временной заме­не постоянных резисторов R3 и R5 на переменные с сопротивлением в 2…3 ра­за больше. Последовательно нажимая на кнопки, с помощью резистора R5 добиваются надёжной работы. После этого повторными нажатиями на одну и ту же кнопку с помощью резистора R3 добиваются надёжного выключения. Затем переменные резисторы заме­няют постоянными, как сказано выше. Для повышения помехоустойчивости параллельно резисторам R7, R13 и R19 надо установить керамические конден­саторы ёмкостью несколько нанофарад.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поляков В. Электронный выключатель защищает аккумуляторную батарею. — Радио, 2002, № 8, с. 60.
2. Нечаев И. Электронная спичка. — Радио, 1992, N° 1, с. 19—21.

Автор: В. БУЛАТОВ, пгт Новый Свет, Донецкая обл., Украина
Источник: Радио №5/2016