10 маломощных коммутирующих устройств (таймеры на тиристорах, КМОП)
Десять схем таймеров и коммутирующих устройств на тиристорах и транзисторах, подойдут для управления включением и выключением различных нагрузок.
Таймер на тиристоре
Тиристорные коммутаторы нагрузки могут быть с успехом использованы для дозированного по времени включения нагрузки. Такие схемы называют таймерами.
Схема одного из них представлена на рис. 1. В исходном состоянии тиристор VS1 заперт, как и остальные активные элементы устройства (транзисторы). Устройство не потребляет ток от источника питания.
Рис. 1. Принципиальная схема таймера на тиристоре 2У104.
При нажатии на кнопку SB1 («Пуск») конденсатор С1, если он до этого имел заряд, разряжается через диод VD1; на управляющий электрод тиристора через резистор R1 подается отпирающее напряжение. Тиристор VS1 начинает проводить, и через сопротивление нагрузки протекает ток.
Одновременно разряженный времязадающий конденсатор С1 заряжается через резистор R3 и потенциометр R4. Скорость заряда конденсатора зависит от сопротивления потенциометра R4.
Когда напряжение на конденсаторе превысит напряжение пробоя стабилитрона VD2, ток через него открывает переход эмиттер — база транзистора VT2.
Соответственно, открывается (включается) транзистор VT1, который шунтирует цепочку из тиристора VS1 и диода VD3. Поскольку падение напряжения на транзисторе ниже падения напряжения на цепочке из тиристора и диода, такое шунтирование равнозначно прерыванию тока через тиристор.
Следовательно, тиристор запирается. Процесс заряда прекращается (потенциометр R4 отключен от зарядной цепи), напряжение на С1 понижается настолько, что стабилитрон VD2 перестает проводить ток. Это приводит к запиранию транзисторов VT2 и VT1. Схема переходит в исходное состояние и готова к очередному включению.
Задержка таймера определяется постоянной времени C1(R3+R4) и составляет 1...20 сек для указанных на схеме номиналов. В силу непродолжительности переходных процессов в качестве транзистора VT1 можно использовать маломощные транзисторы типа КТ315, желательно с высоким коэффициентом передачи тока.
Реле времени на тиристоре
Второй таймер (рис. 2) работает по принципу разряда предварительно заряженного конденсатора. В исходном состоянии тиристор и транзистор закрыты.
Рис. 2. Второй вариант реле времени на тиристоре.
При нажатии на пусковую кнопку управляющее напряжение поступает на тиристор и отпирает его. Одновременно заряжается конденсатор С1.
Отрицательная (левая по схеме) обкладка этого конденсатора через открытый тиристор VS1 соединяется с общей шиной, положительная обкладка — через диод VD1, резистор R1 и кнопку SB1 с шиной питания. Напряжение, снимаемое с конденсатора С1, запирает транзистор VT1.
После того как конденсатор С1 разрядится через включенный ему параллельно участок потенциометра R3, транзистор VT1 откроется и зашунтирует цепочку последовательно включенных полупроводниковых приборов: тиристора VS1, светодиода HL1 и диода VD2. Тиристор отключается, размыкая цепь питания нагрузки и цепь управления транзистора VT1. Схема возвращается в исходное состояние.
Интересной особенностью схемы является возможность установления времени включения нагрузки от 0 (при полностью введенной ручке потенциометра R3) до 40 секунд. В качестве нагрузки может быть использовано герконовое реле типа РМК 11105 сопротивлением 350 Ом на рабочее напряжение 5 В.
Включенное состояние устройства индицирует светодиод HL1, поэтому максимальный ток нагрузки не должен превышать 20 мА.
Реле времени с однопереходным транзистором
Тиристорные реле времени периодического включения и отключения нагрузки конструкции Г. Коротаева можно собрать по схемам, показанным на рис. 3 и 4 [ВРЛ 61/72]. Нагрузка, например, обмотка электродвигателя, управляющего работой щеток стеклоочистителя автомобиля, включается последовательно с реле времени.
Рис. 3. Схема реле времени для включения электродвигателей и другой нагрузки.
При подаче питания на устройство конденсатор С1 начинает заряжаться через резисторы R2 и R3. Постоянная времени цепочки R2, R3, С1 определяет время паузы.
Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет величины напряжения срабатывания однопереходного транзистора VT1 типа КТ117А (через время паузы), импульс с этого транзистора через резистор R5 поступит на управляющий электрод тиристора VS1 и переведет его в проводящее состояние.
На электродвигатель поступит напряжение, ротор его начнет вращаться, перемещая щетку стеклоочистителя. Параллельно реле времени подключены контакты концевого выключателя, управляемого электродвигателем.
В исходном состоянии эти контакты разомкнуты и замыкаются, шунтируя цепь питания реле времени, в крайнем положении щетки стеклоочистителя.
Во время рабочего хода электродвигателя, до момента возврата щеток в исходное состояние, контакты концевого выключателя остаются замкнутыми.
За этот период времени конденсатор С1 разряжается через резистор R1 и диод VD1. При возврате щеток в исходное положение контакты концевого выключателя размыкаются, электродвигатель останавливается, и весь цикл повторяется снова. Конденсатор С2 служит для повышения помехоустойчивости реле времени.
Для указанных на схеме номиналов время паузы может меняться от 1...2 до 5...7 сек.
Реле времени на транзисторах КТ315, КТ361
На рис. 4 показана схема, иллюстрирующая возможность замены однопереходного транзистора его дискретным аналогом [ВРЯ 61/72].
Рис. 4. Схема реле времени на двух транзисторах и тиристоре.
Реле времени на КМОП коммутаторе
Помимо транзисторов и тиристоров для управления нагрузкой довольно широко используют КМОП-коммутаторы. Такого рода коммутаторы выполнены в микросхемном исполнении на полевых транзисторах.
Их положительное качество — высокое быстродействие, малые габариты, высокая надежность. К недостаткам следует отнести низкую нагрузочную способность (ток нагрузки канала коммутации обычно не должен превышать 10 мА), а также высокую чувствительность к помехам.
Ключевой элемент КМОП-коммутатора включается при подаче на управляющий электрод напряжения «высокого» уровня и отключается при подаче «низкого». Сопротивление ключа во включенном состоянии состовляет несколько десятков Ом; в разомкнутом — превышает сотни МОм.
КМОП-коммутаторы могут быть использованы в качестве промежуточных элементов управления других коммутирующих устройств (транзисторов, реле, оптоэлектронных приборов и т.п.).
Рис. 5. Схема реле времени на КМОП-коммутаторе К561КТ3.
На рис. 5 показана схема КМОП-коммутатора на одном из четырех равнозначных элементов микросхемы К561КТЗ [EW 4/01-297].
В схеме использована кнопка без фиксации положения. В исходном состоянии на управляющем электроде микросхемы (вывод 13) присутствует напряжение низкого уровня.
Коммутирующий элемент (выводы 1, 2) разомкнут, ток через сопротивление нагрузки не протекает. Конденсатор С1 через нормально замкнутый контакт кнопки SB1 заряжен до напряжения питания устройства.
Если кратковременно нажать на кнопку SB1, конденсатор С1 оказывается подключенным к управляющему электроду (вывод 13) микросхемы. Канал коммутатора включается.
Через резистор R3 напряжение высокого уровня поступает на управляющий электрод, фиксируя и поддерживая включенное состояние коммутатора.
Если кнопку SB1 оставить нажатой более продолжительное время, то конденсатор С1 разрядится через резистор R1. Напряжение на управляющем электроде микросхемы снизится до «низкого» уровня, произойдет самовыключение коммутатора.
Динамику процесса включения — выключения КМОП-коммутатора иллюстрируют диаграммы, приведенные на рис. 6. Устройство (рис. 5) можно использовать и для формирования импульсов заданной длительности.
Рис. 6. Динамику процесса включения — выключения КМОП-коммутатора.
Примечание. Для подачи питания на микросхему ее вывод 14 (см. Приложение) соединяют с плюсовой шиной питания, вывод 7 — с общей шиной. Незадействованные выводы входов управления рекомендуется соединить с шиной питания или общей шиной напрямую либо через резистор сопротивлением 1 МОм.
Рис. 7. Схема замены переключателя КМОП-коммутаторами.
Напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки (рис. 5), может быть использовано для управления другими цепями, например, переключателем (рис. 7).
Этот переключатель является аналогом тумблера, позволяющего, например, изменять полярность питающего напряжения. В то же время число коммутируемых цепей может быть увеличено включением дополнительных КМОП-коммутаторов.
В устройстве (рис. 7) управление коммутацией сигналов можно производить переключателем SA1, либо КМОП- или транзисторным коммутатором (рис. 8, 9).
Рис. 8. Схема для получения управляющего сигнала, выполненная на транзисторе.
Рис. 9. Схема для получения управляющего сигнала, выполненная на К561КТ3.
Управляющие сигналы «0/1» и »1/0» подаются со схем (рис. 8, 9) на соответствующие цепи управления, обозначенные на схеме рис. 7 крестиками.
КМОП-коммутаторы с однокнопочным управлением
Рис. 10. Схема КМОП-коммутатора с однокнопочным управлением.
КМОП-коммутатор с однокнопочным управлением показан на рис. 10 [EW 4/01-297]. Принцип его работы аналогичен тиристорному аналогу (рис. 5). Включение и выключение устройства определяется временем нажатия управляющей кнопки.
Коммутатор аналогичного принципа действия, но использующий нормально разомкнутую кнопку управления, изображен на рис. 111 [EW 4/01-297].
Рис. 11. Схема КМОП-коммутатора с однокнопочным управлением и разомкнутой кнопкой.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003.