Вимикачі на транзисторах - Меандр - цікава електроніка

Основне призначення транзисторних вимикачів, схеми яких пропонуються до уваги читачів, - включення та вимкнення навантаження постійного струму. Крім цього, він може виконувати ще додаткові функції, наприклад, індикувати свій стан, автоматично відключати навантаження при розрядженні акумуляторної батареї до гранично допустимого значення або сигналу датчиків температури, освітленості та ін. На базі декількох вимикачів можна зробити перемикач. Комутація струму здійснюється транзистором, а керування здійснюється однією простою кнопкою з контактом на замикання. Кожне натискання кнопки змінює стан вимикача на протилежне.

Опис аналогічного вимикача було наведено в [1], нотам для керування використані дві кнопки. До переваг пропонованих вимикачів можна віднести безконтактне підключення навантаження, практично відсутність споживаного струму у вимкненому стані, доступні елементи та можливість застосування малогабаритної кнопки, що займає мало місця на панелі приладу. Недоліки - власний струм (кілька міліампер) у включеному стані, падіння напруги на транзисторі (частки вольта), необхідність вживання заходів для захисту від імпульсних перешкод надійного контакту у вхідному ланцюзі (може мимоволі вимикатися при короткочасному порушенні контакту).

Схема вимикача показана на рис. 1 . Принцип його роботи заснований на тому, що у відкритого кремнієвого транзистора напруга на переході база-емітер транзистора - 0,5 ... 0,7 В, а напруга насичення колектор-емітер може бути 0,2. 0,3 В. По суті, цей пристрій є тригером на транзисторах з різною структурою, керований однією кнопкою. Після подачі живильногонапруги обидва транзистора закриті, а конденсатор С1 розряджений. При натисканні на кнопку SB1 струм зарядки конденсатора С1 відкриває транзистор VT1 і слідом за ним відкриється транзистор VT2. При відпусканні кнопки транзистори залишаються у включеному стані, напруга живлення (за вирахуванням падіння напруги на транзисторі ѴТ1) надходить на навантаження і продовжиться зарядка конденсатора С1. Він зарядиться до напруги, трохи більше, ніж напруга на базі цього транзистора, оскільки напруга насичення колектор-емітер менше напруги база-емітер.

Тому при наступному натисканні на кнопку напруга база-емітер на транзисторі Т1 буде недостатнім для підтримки його у відкритому стані і він закриється. Потім закриється транзистор VT2, і навантаження знеструмиться. Конденсатор С1 розрядиться через навантаження та резистори R3-R5, і вимикач повернеться у вихідний стан. Максимальний колекторний струм транзистора Т1 Iк залежить від коефіцієнта передачі струму h21е і базового струму Іб: Iк = lб h2lе. Для зазначених на схемі номіналів та типів елементів цей струм – 100. 150 мА. Щоб вимикач працював нормально, струм, споживаний навантаженням, повинен бути меншим від цього значення.

Цей вимикач має дві особливості. Якщо на виході вимикача буде коротке замикання, після короткочасного натискання на кнопку SB1 транзистори на короткий час відкриються і після зарядки конденсатора С1 закриються. При зменшенні вихідної напруги приблизно до 1 (залежить від опорів резисторів R3 і R4) транзистори також закриються, тобто навантаження буде знеструмлено.

Другу властивість вимикача можна використовувати для побудови розрядного пристрою для окремих Ni-Cd або Ni-Mh акумуляторів до 1 В перед складанням їх у батареюподальшої загальної зарядки. Схема пристрою показана на рис. 2 . Вимикач на транзисторах Т1, Т2 підключає до акумулятора розрядний резистор R6, паралельно якому підключений перетворювач напруги [2], зібраний на транзисторах ТЗ, Т4, живить світлодіод HL1. Світлодіод індикує стан процесу розрядки та є додатковим навантаженням акумулятора. Резистором R8 можна змінювати яскравість свічення світлодіода, внаслідок цього змінюється струм, що споживається ним. Так можна робити коригування розрядного струму. У міру розрядки акумулятора знижується напруга на вході вимикача, а також на базі транзистора T2. Резистори дільника в ланцюзі бази цього транзистора підібрані так, що при напрузі на вході 1 В напруга на базі зменшиться настільки, що транзистор T2 закриється, а за ним і транзистор T1 - розрядка припиниться. При вказаних на схемі номіналах елементів інтервал регулювання струму розрядки - 40.90 мА. Якщо резистор R6 виключити, то розрядний струм можна змінювати в інтервалі від 10 до 50 мА. При використанні надяскравого світлодіода цей пристрій можна застосувати для побудови кишенькового ліхтаря із захистом акумулятора від глибокої розрядки.

На рис. 3 показано ще одне застосування вимикача – таймер. Він був використаний мною в портативному приладі - випробувачі оксидних конденсаторів. У схему додатково введено світлодіод HL1, що індикує стан пристрою. Після включення світиться світлодіод і конденсатор С2 починає заряджатися зворотним струмом діода VD1. При певній напрузі на ньому відкриється транзистор T3, який закоротить емітерний перехід транзистора T2, що призведе до вимкнення пристрою (світлодіод згасне). Конденсатор С2 швидко розрядиться через діод VD1,резистори R3, R4 та вимикач повернеться у вихідний стан. Час витримки залежить від ємності конденсатора С2 та зворотного струму діода. За вказаних на схемі елементах воно становить близько 2 хв. Якщо замість конденсатора С2 встановити фоторезистор, терморезистор (або інші датчики), а замість діода - резистор, отримаємо пристрій, який буде вимикатися при зміні освітленості, температури і т.п.

Якщо в навантаженні є конденсатори великої ємності, вимикач може не ввімкнутися (це залежить від їхньої ємності). Схема пристрою, позбавленого цього недоліку, показано на рис. 4 . Доданий ще один транзистор T1, який виконує функцію ключа, а два інших транзистора керують цим ключем, чим виключається вплив навантаження на роботу вимикача. Але при цьому втратиться властивість не включатися за наявності в ланцюзі навантаження короткого замикання. Світлодіод виконує аналогічну функцію. При зазначених на схемі номіналах деталей струм бази транзистора Т1 — близько 3 мА. Були випробувані кілька транзисторів КТ209К та КТ209В як ключ. Вони мали коефіцієнти передачі струму бази від 140 до 170. При струмі навантаження 120 мА падіння напруги на транзисторах було 120...200 мВ. При струмі 160 мА - 0,5 ... 2,2 В. Використання як ключ складеного транзистора КТ973Б дозволило значно збільшити допустимий струм навантаження, але падіння напруги на ньому було 750. 850 мВ, і при струмі 300 мА транзистор слабо грівся. У вимкненому стані споживаний струм настільки малий, що виміряти його за допомогою мультиметра DT830B не вдалося. При цьому транзистори попередньо не відбиралися за жодними параметрами.

На рис. 5 представлена схема триканального залежного перемикача. У ній об'єднано три вимикачі, але при необхідності їхчисло може бути збільшено. Короткочасне натискання на будь-яку з кнопок викликає увімкнення відповідного вимикача та підключення відповідного навантаження до джерела живлення. Якщо натиснути будь-яку іншу кнопку, увімкнеться відповідний вимикач, а попередній вимикається. Натискання на наступну кнопку увімкне наступний вимикач, а попередній знову відключиться. При повторному натисканні на ту ж кнопку останній працюючий вимикач вимкнеться, і пристрій повернеться у вихідний стан - всі навантаження будуть знеструмлені. Режим перемикання забезпечує резистор R5. При включенні будь-якого вимикача напруга на цьому резисторі зростає, що призводить до закривання включеного вимикача. Опір цього резистора залежить від струму, споживаного самими вимикачами, у разі його значення — близько 3 мА. Елементи VD1, R3 та С2 забезпечують проходження розрядного струму конденсаторів СЗ, С5 та С7. Через резистор R3 конденсатор С2 розряджає в пауз між натисканнями на кнопку. Якщо цей ланцюг виключити, залишаться лише режими увімкнення та перемикання. Замінивши резистор R5 дротяною перемичкою, отримаємо три незалежно працюючі пристрої.

Перемикач передбачалося застосувати у комутаторі телевізійних антен з підсилювачами, але з появою кабельного телебачення необхідність у ньому відпала, і проект був реалізований практично.

У вимикачах можуть бути застосовані транзистори різних типів, але вони повинні відповідати певним вимогам. По-перше, всі вони мають бути кремнієвими. По-друге, транзистори, що комутують струм навантаження, повинні мати напругу насичення Uк-е нас не більше 0,2. 0,3 В, максимальний допустимий струм колектора Iк макс повинен бути в кілька разів більшим за комутованийструму, а коефіцієнт передачі струму h21е достатній, щоб при заданому струмі бази транзистор перебував у режимі насичення. З наявних у мене транзистори добре зарекомендували себе транзистори серій КТ209 і КТ502, дещо гірше — серій КТ3107 і КТ361.

Опір резисторів можна змінювати у значних межах. Якщо потрібна велика економічність і не потрібна індикація стану вимикача, світлодіод не встановлюють, а резистор в ланцюзі колектора ВТЗ (див. рис. 4) можна збільшити до 100 кОм і більше, але треба врахувати, що при цьому зменшиться базовий струм транзистора Т2 і струм у навантаженні. Транзистор ТЗ (див. рис. 3) повинен мати коефіцієнт передачі струму h21е більше 100. Опір резистора R5 в зарядному ланцюзі конденсатора С1 (див. рис. 1) і аналогічних йому в інших схемах може бути в інтервалі 100.. 470 кОм. Конденсатор С1 (див. рис. 1) та аналогічні йому в інших схемах повинні бути з малим струмом витоку, бажано застосувати оксиднонапівпровідникові серії К53, але можна застосовувати і оксидні, при цьому опір резистора R5 має бути не більше 100 кОм. При збільшенні ємності цього конденсатора зменшиться швидкодія (час, після якого пристрій можна вимкнути після ввімкнення), а якщо зменшити - знизиться чіткість у роботі. Конденсатор С2 (див. рис. 3) - тільки оксидно-напівпровідниковий. Кнопки - будь-які компактні з самоповерненням. Котушка L1 перетворювача (див. рис. 2) застосована від регулятора лінійності рядків чорно-білого телевізора, що добре працює перетворювач і з дроселем на Ш-подібному магнітопроводі від КЛЛ. Можна також скористатися рекомендаціями, наведеними у [2]. Діод VD1 (див. рис. 5) може бути будь-яким малопотужним, як кремнієвим, так і германієвим. Діод VD1 (див. рис. 3) має бутиобов'язково німецьким.

Налагодження потребують пристрої, схеми яких показано на рис. 2 та рис. 5, інші налагодження не потребують, якщо немає особливих вимог і всі деталі справні. Для налагодження розрядного пристрою (див. мал. 2) потрібно джерело живлення з регульованою напругою на виході. Насамперед, замість резистора R4 тимчасово встановлюють змінний резистор опором 4,7 кОм (в максимум опору). Підключають джерело живлення, попередньо встановивши на його виході напругу 1,25 В. Включають розрядний пристрій натисканням на кнопку і встановлюють за допомогою резистора R8 струм розрядки. Після цього встановлюють на виході джерела живлення напруга 1, і за допомогою додаткового змінного резистора домагаються вимикання пристрою. Після цього треба кілька разів перевірити напругу вимкнення. Для цього необхідно збільшити напругу на виході джерела живлення до 1,25 В, включити пристрій, потім плавно зменшувати напругу до 1 В, спостерігаючи момент вимкнення. Потім вимірюють введену частину додаткового змінного резистора і замінюють постійним з таким же опором.

В інших пристроях також можна реалізувати аналогічну функцію вимкнення при зниженні вхідної напруги. Налагодження проводиться аналогічно. При цьому треба мати на увазі ту обставину, що поблизу точки вимкнення транзистори починають закриватися плавно і струм у навантаженні теж плавно зменшуватиметься. Якщо як навантаження буде радіоприймач, це проявиться як зменшення гучності. Можливо, рекомендації, описані в [1], допоможуть вирішити цю проблему.

Налагодження перемикача (рис. 5) зводиться до тимчасової заміни постійних резисторів R3 і R5 на змінні з опором 2. 3в рази більше. Послідовно натискаючи на кнопки, за допомогою резистора R5 домагаються надійної роботи. Після цього повторними натисканнями на ту саму кнопку за допомогою резистора R3 домагаються надійного вимкнення. Потім змінні резистори замінюють постійними, як сказано вище. Для підвищення стійкості до перешкод паралельно резисторам R7, R13 і R19 треба встановити керамічні конденсатори ємністю кілька нанофарад.

Поляков В. Електронний вимикач захищає акумулятор. - Радіо, 2002, № 8, с. 60.
Нечаєв І. Електронний сірник. - Радіо, 1992, N 1, с. 19-21.

Автор: В. БУЛАТІВ, смт Нове Світло, Донецька обл., УкраїнаДжерело: Радіо №5/2016