Проверяем монтаж!

Характеристики:

Смотрите видео

Включение и выключение нагрузки одной кнопкой своими руками

Схема устройства

Материалы

• Микросхема NE555 – 1 шт.
  
• Транзистор BC547 – 1 шт.
  
• Конденсатор 1 мкФ -1 шт.
  
• Резистор 10 кОм – 2 шт.
  
• Резистор 100 кОм – 1 шт.
  
• Резистор 1 кОм – 2 шт.
  
• Кнопка без фиксации – 1 шт.
  
• Диод КД521 – 1 шт.
  
• Светодиод на 3 в. – 1 шт.
  
• Реле – 1 шт.

Сборка устройства

Смотрите видео

РадиоКот :: Электронная сетевая кнопка

Электронная сетевая кнопка

    Казалось бы, нет ничего проще, чем сетевая кнопка! Но иногда хочется чего-то такого… чего-то другого… чего-то такого, как не у всех. И если во всем остальном мы горазды, то сетевая кнопка всех ровняет. Шутки шутками, но иногда сетевая кнопка действительно доставляет массу хлопот. Например, когда ее надо разместить на передней панели устройства, и сетевые провода тащатся через весь корпус, наполняя его фоном 50 Герц. Или брутальный щелкающий тумблер не вписывается в концепцию дизайна устройства. Может возникнуть ситуация когда сетевой кнопке будет недоставать интеллектуальности. Например, при сопряжении какого-либо устройства или старого советского измерительного прибора с компьютером. В этом случае нас может выручить электронная сетевая кнопка.

    В основе «электронной кнопки» (рис. 1), как это ни странно, лежит кнопка — S1. Обычный «микрик», без переключения (тройника), без фиксации, который можно комфортно разместить на передней панели устройства, снабдив элегантной клавишей. Можно встретить подобные кнопочные переключатели, совмещенные конструктивно с индикаторным светодиодом (рис. 2) и разных видов исполнения. Для «печатного» монтажа (рис. 2.а), и более солидные, антивандальные (рис. 2.б). У последних, кроме всего прочего, неплохой дизайн. В общем, выбрать есть из чего.

    Ну а самым главным элементом «электронной кнопки» является легендарный таймер NE555. В нашей конструкции он выполняет функции триггера, компаратора уровня, силового ключа, для управления исполнительным реле. Управляет светодиодом двухрежимной индикации состояния «кнопки» (включено/ярко, выключено/тускло), а также выполняет ряд специфических для простой сетевой кнопки функций.

    Теперь давайте по порядку. Компаратор уровня, точней два компаратора, интегрированы в сам таймер со всеми цепями обвязки необходимыми для задания порогов срабатывания. Типовые значения уровней срабатывания компараторов составляют — 1/3Uпит для компаратора нижнего порога переключения и 2/3Uпит для компаратора верхнего порога переключения. Каждый из компараторов управляет RS триггером, который тоже интегрирован в сам таймер. Компаратор, срабатывающий по нижнему уровню напряжения, переключает встроенный триггер в состояние Set (установлено), а компаратор срабатывающий по верхнему уровню, устанавливает триггер в состояние Reset (сброшено). Выходной сигнал таймера полностью соответствует состоянию внутреннегоRS триггера. Так, при состоянии Set на выходе таймера высокий уровень, при состоянии Reset низкий. Исполнительным реле управляет выходной драйверный каскад таймера. Выходной ток этого каскада может достигать 200 mA, чего вполне достаточно для включения небольшого реле. Высокий уровень напряжения на выходе драйвера, равен напряжению питания схемы, за минусом 1,7 Вольт (типовое значение). Низкий, порядка 0,3 Вольт. Стоит помнить, что напряжение низкого уровня зависит от втекающего тока.

    Яркостью светодиода управляет тоже таймер. Для этого используется интегрированный в микросхему транзистор, предназначенный, в оригинальном включении, для разряда времязадающего конденсатора (Discharging). В нашем случае он используется как еще один выход таймера с открытым коллектором. В состоянииSet транзистор закрыт, а в состоянии Reset, сигналом логической единицы с инверсного выхода RS триггера, транзистор открыт.

    В нашей схеме этот выход таймера, может выполнять и другую функцию — он может «сообщать» сторонним устройствам о том, что кнопка находится в состоянии «включено». Еще в нашей схеме может быть использован вход таймера Reset. Предназначен этот вход не только для сброса встроенного в таймер RS триггера. При удержании этого входа в нулевом состоянии, таймер вообще прекращает реагировать на внешние сигналы. Это свойство таймера, можно использовать, если необходимо запретить выключать «кнопку», подав на этот вход внешний сигнал логического ноля.

    Теперь давайте разберемся, как это все работает. Начнем, пожалуй, с самого начала — с момента подачи напряжения питания на схему «кнопки». В этот момент, по логике, «кнопка» должна установится в состояние «выключено», и чтоб это происходило надежно, в схеме предусмотрен конденсатор С1. Давайте посмотрим, как это происходит.  В момент подачи напряжения на схему, напряжение, на средних точка внутреннего делителя напряжения таймера, состоящего из резисторов Ra, Rb и Rc, практически сразу достигает своих типовых значений – 1/3Uпит и 2/3Uпит. Как мы узнали выше, условием переключения RS триггера таймера в состояние Set (оно и соответствует в нашей схеме состоянию «кнопка выключена»), является величина напряжения, на входеTrigger таймера, меньше  1/3Uпит. Напряжение на этот вход подается с делителя R1 и R2 и составляет 1/2Uпит, что не выполняет условий переключения внутреннего RS триггера в состояние Set. Как же быть? Неувязочка… — Да, неувязочка. Как раз для этой цели и служит конденсатор С1, он задерживает рост напряжения на входе Trigger. Фронт становится более пологим и когда опорное напряжение компаратора уже давно 1/3Uпит, напряжение на входе Trigger еще где-то тянется к своим заветным 1/2Uпит, и еще гораздо меньше чем 1/3Uпит. Тем самым, создаются условия для начальной установки таймера в состояние Set, а «кнопки» в состояние «выключено». Этот момент времени обозначен как Self OFF (смотрим Рис. 3).

    Теперь о резисторах R1 и R2. Эти два резистора образуют делитель напряжения, которое поступает на входы таймера. Напряжение это составляет 1/2Uпит. Почему именно столько? Схематически этот уровень показан (смотрим Рис. 3) как уровень Middle (средний). Уровни Set level  и Reset level  соответствуют уровням переключения компараторов таймера. То есть в состоянии ожидания нажатия на кнопку, уровень сигнала на входах таймера занимает промежуточное значение, равноудаленное от верхнего и нижнего уровней срабатывания/переключения таймера. Помимо того, что, это необходимо для правильной работы устройства, это еще и выгодно тем, что величина импульсной помехи, наводимой в проводе которым подключена кнопка S1 может достигать +/- 2 Вольта. То есть, провода могут быть достаточно длинными и даже не экранированными (хотя экраном пренебрегать не стоит).

    Резистор R5 и конденсатор С3 выполняют функцию обратной связи и являются элементами формирования импульсов. Обратная связь обладает постоянной времени равной 1 секунде, которая чудесным образом совпадает с «тау» RC цепи. Это означает, что кнопку нельзя переключать чаще одного раза в секунду. Можно сделать и больше. Как? Пересчитать постоянную времени или просто подобрать конденсатором С3. Резистор R5 для этих целей не подходит. Увеличивая конденсатор С3 это время можно увеличить, а уменьшая соответственно уменьшить. Эти интервалы времени обозначены как Relax ON и Relax OFF (смотрим рис. 3). Кроме того, после включения сетевой вилки в розетку, «кнопку» нельзя будет «включить» еще в течение 1 секунды. Это время на графике (рис. 3), обозначено как Lost time (потерянное время).

    Теперь, — че за импульсы и откуда они берутся? Импульсы, генерируются при нажатии на кнопку. Причем каждый раз разные. При нажатии на кнопку S1 когда «кнопка  выключена», генерируется импульс положительной полярности относительно уровня Middle, а при нажатии наS1 когда «кнопка включена», отрицательной (смотрим рис. 3). Происходит это благодаря обратной связи, состоящей из резистора R5 и конденсатора С3. Обратная связь, она на то и обратная, чтоб передать на вход устройства часть сигнала с выхода этого устройства. В состоянии «кнопка выключена» на выходе устройства высокий уровень сигнала, поскольку внутренний RS триггер находится в состоянии Set (мы об этом говорили раньше). Это означает, что напряжение на конденсаторе С3 составляет (в установившемся режиме) порядка 10 Вольт. Этот уровень отмечен как  Timer OUT Hi (рис. 3). При замыкании контактов кнопки S1, конденсатор С3 начинает разряжаться на резистор делителя R2, что приводит к появлению на нем импульса амплитудой 4 Вольта, который и поступает на вход таймера. Таймер незамедлительно отреагирует срабатыванием компаратора верхнего уровня и переключением RS триггера в состояние Reset. На выходе таймера устанавливается низкий уровень напряжения, и конденсатор С3 продолжит свой разряд, только уже не на резистор R2, а на выход таймера через резистор R5. Спустя некоторое время заряд конденсатора будет равен напряжению на выходе таймера, порядка 1 Вольта. Этот уровень отмечен на графике как  Timer OUT Lo (смотрим рис. 3). Теперь если опять замкнуть контакты кнопки S1, он будет заряжаться через резистор R1, что приведет к образованию на резисторе импульса напряжения, только в данном случае обратной полярности относительно уровня Middle (смотрим рис. 3). Появление этого импульса на входе таймера приведет к срабатыванию компаратора нижнего уровня и переключению внутреннего RS триггера в состояние Set. И наша кнопка перейдет в состояние «выключено».

    Конденсатор С2, существенно важной роли не играет. Но, говорят — надо… Надо – значит – надо. Он является блокировочным, и защищает от импульсных помех. Подключен он к входу таймера Control, который в нашей схеме никак не используется.

    Как и у любой сетевой кнопки, у нашей «электронной кнопки», тоже есть группа мощных контактов. Только это контакты исполнительного реле Р1. Как раньше упоминалось, исполнительным реле управляет встроенный в таймер драйвер. Когда на выходе высокое напряжение (10 Вольт) — реле выключено, а когда низкое — реле включено. Как это, как это… — А вот так это… Посмотрите, как включено реле — между плюсом питания схемы и выходом таймера. Это можно представить себе как инверсный выход логического элемента с подключенным светодиодом, когда на выходе ноль — светодиод горит, когда единица — нет. И тут так же, при высоком уровне напряжения на выходе таймера к обмотке реле прикладывается всего два вольта, и этого не достаточно, чтоб оно притянуло свой якорь. А при низком уровне на выходе таймера, на обмотке реле напряжение составит 11 Вольт и оно сработает. При выборе реле, для схемы «кнопки», следует учитывать ток, на который рассчитаны контакты реле. Сопротивление обмотки не должно быть менее 200 Ом, рабочее напряжение не более 12 Вольт.

    Индикация состояния «электронной кнопки» осуществляется светодиодом  HL1. Как один светодиод может отображать два состояния? А очень просто – яркостью свечения. Для этого используется вход таймера Discharging, и в нашем устройстве используется как дополнительный выход таймера с «открытым коллектором». Когда наша «кнопка» находится в выключенном состоянии, транзистор внутри таймера подключенный к этому выходу закрыт, и выход имеет высокое сопротивление. Ток, который «поджигает» светодиод протекает через два резистора, R3 и R4, и хватает этого тока только на свечение светодиода в полнакала. Когда «кнопка» находится в состоянии «включено» то транзистор открыт, вход имеет малое сопротивление и резистор R4 оказывается не у дел, а большая часть тока протекает через открытый транзистор. Суммарное сопротивление в цепи уменьшается, ток в цепи увеличивается, и светодиод светит ярко, сигнализируя о включенном состоянии «кнопки». Если иллюминации надо больше, то светодиодов можно установить два, и разных цветов. Как это сделать показано на рис. 5. При высоком уровне сигнала, на выходе таймера, будет гореть светодиод HL1, а при низком HL2. Включенное состояние наверно удобней индицировать зеленым светодиодом, а выключенное красным. Хотя можно и наоборот…

    Обмотка реле зашунтирована защитным диодом VD2, и защищает он не обмотку реле, а выход таймера от этой обмотки. Диод включен в обратном направлении по отношению к полюсам источника питания схемы, и большую часть времени попросту закрыт. Открывается он только в момент выключения реле. В этот момент, момент разрыва тока, на обмотке реле, которую в данный момент времени правильней рассматривать как катушку индуктивности, возникает импульс напряжения. Если предоставить этому импульсу свободу выбора, то он поспешит натворить дел! Например, пробьет один из транзисторов выходного драйвера таймера. Для того чтоб этого не случилось и устанавливается этот диод. В момент возникновения импульса диод открывается, и импульс напряжения превращается в импульс тока, который протекает по цепи: обмотка – диод – обмотка. Все целы и довольны, а мнение импульса никого не волнует, он знаете ли тут и так лишний…

Теперь о питании кнопки. По логике вещей оно должно быть индивидуальным и появляться сразу, как только устройство включено в сеть. Я применил для этих целей бестрансформаторный, или как их еще называют — конденсаторный блок питания. Для маломощных нагрузок с малым потреблением тока их можно с успехом применять. Эти блоки более простые, так как не имеют намоточных изделий, однако имеют пару серьезных недостатков. Нет гальванической развязки с первичной сетью – это первое, второе – обладают практически нулевой помехозащищенностью. Поэтому, при работе с аппаратурой, питающейся от таких блоков, нужно быть очень осторожным.

    Самым главным элементом, который лежит в основе идеи такого рода блоков питания это — омический балласт, на котором должно падать все лишнее напряжение источника питания подключенного к схеме. В нашем случае в роли балласта, выступает конденсатор С5. Как конденсатор!? – А вот так… Как известно из курса школьной физики, конденсаторы по мимо емкости обладают еще и сопротивлением. Только не, активным — как обычные резисторы, а реактивным. Активное сопротивление проявляет себя вне зависимости от того какой ток через него протекает — переменный или постоянный. А вот реактивное сопротивление, признает только переменный ток, как раз тот, который и живет в сетевой розетке. Зная величину тока, который потребляет «кнопка», и напряжение питания, на которое она рассчитана, можно рассчитать величину сопротивления, которое необходимо установить последовательно, в цепь питания, от сети переменного тока напряжением 220 Вольт. Ну и поскольку величина реактивного сопротивления напрямую связана с емкостью конденсатора и частотой переменного тока, нетрудно вычислить какой емкости конденсатор необходимо применить, чтоб погасить лишнее напряжение при заданном токе. Какой попало конденсатор тут не подойдет. Подойдут отечественные конденсаторы типа К73-17 или импортные Klass X2 или Klass X1 на рабочее напряжение не менее 400 Вольт.

    Так, с главным «кондером» разобрались, посмотрим, что еще у нас есть в блоке питания. Параллельно конденсатору установлен резистор R6. Это необходимо для разряда конденсатора при отключении устройства от сети. Если этого не делать, то штОпсель может сильно биться током. Последовательно с конденсатором и диодным мостиком установлен ограничивающий ток резистор R7. Стоп топ стоп… — мы же уже поставили конденсатор – этого мало? – Не-не… в самый раз… А этот резистор служит для ограничения тока в момент включения устройства в сеть. Если его не поставить мы рискуем потерять пару диодов в выпрямительном мостике, так как по самому «важному» закону нашей жизни, включение устройства в сеть будет происходить всегда именно в момент амплитудного максимума сетевого напряжения, равного 311 Вольт. Величина сопротивления этого резистора зависит от чувствительности диодов выпрямительного моста к предельно допустимым, для них,  импульсам тока. Зная этот параметр диода и амплитудное значение напряжения в розетке можно прикинуть величину необходимого сопротивления по закону Ома. Стабилитрону VD2 это угрожает в меньшей степени, так как в момент включения он зашунтирован разряженным конденсатором C4. Заодно, в сумме с эквивалентным сопротивлением нагрузки и емкостью «гасящего» конденсатора, этот резистор играет роль эдакого фильтра сетевых помех (правда очень хилого, примерно до одного килогерца).

    Диодный мост VD3-VD6, служит для выпрямления переменного напряжения, в постоянное, пульсирующее напряжение. Диоды можно заменить на 1N4007. Конденсатор С4 для сглаживания этих пульсаций, а стабилитрон VD2 для ограничения уровня напряжения на конденсаторе и выходе блока питания. Да, именно для ограничения, о полноценном параметрическом стабилизаторе с выбором режима работы стабилитрона, тут и речи быть не может. Но нам и не к чему стабилизатор, схема работает в большом интервале напряжений и плюс минус вольт ее не смутит.

    С применением «кнопки» я думаю затруднений не должно возникнуть. Ей можно оборудовать уже имеющееся устройство или применить в новоделе. Схема включения очень проста (смотрим рис. 4).

    Теперь об интеллекте… Как повыситьIQ сетевой кнопки не вмешиваясь в мозг оператора, я не знаю. Но когда кнопка «электронная» — сам Бог велел… эээ… ну, то есть я… Для начала давайте разберемся зачем это надо. Очень может так случится, что вам когда-нибудь понадобится подключить какое-либо устройство к компьютеру по интерфейсу LPT или COM или даже USB. Как компьютер определит, а не забыли ли вы нажать кнопку «сеть» на устройстве, перед тем как начать обмен данными? Или как раз во время обмена данными вы, зазевавшись, нажмете кнопку и выключите прибор, подключенный к компьютеру? Данные потеряны! Да и фиг с ними, главное время, а время, как говорится — деньги, а деньги все любят, и терять их не любят… даа… Для того чтоб избежать подобных казусов, «кнопку» надо научить сообщать компьютеру что она включена, а еще научить «кнопку» не обращать внимание на оператора, то есть на вас, некоторое время. Разрешить компьютеру, разрешать это делать «кнопке». Именно эти две возможности и реализованы в схеме, показанной на рис. 5. Ну и поскольку в нашей «кнопке» используется источник питания без гальванической развязки с первичной сетью, то при реализации этих возможностей без оптопар не обойтись.

    Пример реализации показан на рис. 6 для COM порта, и на рис. 7 дляLPT порта. И приведен исключительно в качестве примера использования «специфических функций» «кнопки», ну а как это будет реализовано в вашем случае… тем более что эти два «старичка», молодежь пугают только одним своим внешним видом… да и давно уже освоены FTDI и прочиеV-USB…

    Начнем с первой – «сообщать, что все включено». Для того чтоб реализовать эту функцию придется пожертвовать индикацией на светодиоде HL1 и воспользоваться схемой индикации показанной на рис. 5. А к выходу таймера DIS (вывод 7), о котором уже много было рассказано, подключить светодиод оптопары U2. Но можно обойтись и без жертв, тогда, индикация остается прежней (как на рис. 1), а светодиод оптопары U2 перекочевывает на место светодиода HL1 (смотрим рис. 5). Фотодиод оптопары U2, совместно с подтягивающим резистором R19, подключен к необходимой линии порта (в моем случае это была линия RI – индикатор вызова). Напряжение, к которому подтягивается линия в свободном состоянии должно сниматься с одной из линий порта выставленной программно в единицу (поскольку в моем случае был реализован стандартный протокол обмена RS232, это была линия DTR – готовность выходных данных). При «включенной  кнопке» линия RI будет прижата к нулевому потенциалу SG. При «выключенном» состоянии, линия порта подтянется к потенциалу логической единицы. Это все сказано дляCOM порта, а с LPT все гораздо проще и выставлять заранее там ничего не потребуется. Правда полной гальванической развязки устройства и компьютера не выйдет, но схема «кнопки» будет надежно развязана по питанию, с остальной схемой устройства в котором она будет применена.

    Теперь об – «не обращать внимания на оператора, то есть на вас». Где-то выше мы вспоминали про один из входов таймера под названием Reset. Это было не случайно. Как раз именно этот вход и задействован для  реализации этой функции «кнопки». Для этого, ко входу Reset (вывод 4), необходимо подключить фотодиод оптопары U1, через токоограничивающий резистор R3 (смотрим рис. 5). Этот резистор в данном случае будет еще являться и подтягивающим резистором для входа Reset таймера. Когда фотодиод оптопары не освещен, сопротивление фотодиода высокое и на входе Reset установится высокий логический уровень как раз через этот резистор. Теперь, после всех нововведений, для того чтоб запретить «кнопке» реагировать на необдуманные нажатия, на вход оптопары надо подать напряжение. Напряжение «логической единицы», не забыв при этом ограничить ток светодиода оптопары резистором R21. При этом вход Reset таймера прижмется к земле, и таймер перестанет реагировать на внешние сигналы. Кроме того при помощи этого входа кнопку можно принудительно включить сигналом с компьютера. Такой вот, своеобразный Master ON. Ну а выключать придется всегда вручную – пальцем…

Файлы:
Плата

Все вопросы в Форум.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

   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.

Выключатели на транзисторах — Меандр — занимательная электроника

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_кмакс 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

Радиоуправляемый выключатель своими руками. Часть 1 — Hardware / Habr

1. Hardware выключателя
2. Тестирование и подготовка
3. Software выключателя
4. «Центр управления»

Начало

1. Хочется реализовать удаленное управление светом и вытяжкой.
2. Выключатели есть одно- и двух-секционные (свет и свет+вытяжка).
3. Выключатели установлены в стене из гипсокартона.
4. Вся проводка — трехпроводная (присутствует фаза, нуль, защитное заземление).

Второй пункт в общем-то предполагает, что надо бы сделать две разные схемы (для одно- и двух-канального выключателя), но поступим иначе — сделаем «двухканальный» модуль, но в случае, когда реально требуется только один канал — не будем распаивать часть комплектующих на плате (аналогичный подход реализуем и в коде).

Третий пункт — обуславливает некоторую гибкость в выборе форм-фактора выключателя (реально снимается существующий выключатель, демонтируется монтажная коробка, внутрь стены монтируется готовое устройство, возвращается монтажная коробка и монтируется выключатель назад).

Четвертый пункт — существенно облегчает поиск источника питания (220В есть «под рукой»).

Вводные данные ясны, можно двигаться дальше.

Принципы и элементная база

Для этого обычные двухпозиционные (включено-выключено) выключатели заменим на аналогичные по дизайну выключатели без фиксации (кнопки):

Теперь практически становится понятно, как это реализовать «в железе»:

• берем МК (atmega8, atmega168, atmega328 — использую то, что есть «прямо сейчас»), в комплекте с МК добавляем резистор для подтяжки RESET к VCC,
• подключаем две «кнопки» (для минимизации количества навесных элементов — будем использовать встроенные в МК резисторы подтяжки), для коммутации нагрузки воспользуемся реле с подходящими параметрами (у меня как раз были припасены реле 833H-1C-C с 5В управлением и достаточной мощностью коммутируемой нагрузки — 7A 250В~),
• естественно, нельзя обмотку реле напрямую подключить к выходу МК (слишком высокий ток), поэтому добавим необходимую «обвязку» (резистор, транзистор и диод).

Радиоканал будем организовывать с помощью nRF24L01+:

Дополнительно добавим блокировочные конденсаторы по питанию МК.

МК будем программировать через ISP — для этого на плате модуля предусмотрим соответствующий разъем.

Собственно, вся схема описана, осталось только определиться с выводами МК, к которым будем подключать нашу «периферию» (радиомодуль, «кнопки» и выбрать пины для управления реле).

Начнем с вещей, которые уже фактически определены:

• Радиомодуль подключается на шину SPI (таким образом, подключаем пины колодки с 1 по 8 на GND, 3V3, D10 (CE), D9 (CSN), D13 (SCK), D11 (MOSI), D12 (MISO), D2 (IRQ) — соответственно).
• ISP — вещь стандартная и подключается следующим образом: подключаем пины разъема с 1 по 6 на D12 (MISO), VCC, D13 (SCK), D11 (MOSI), RESET, GND — соответственно).

Теперь следует определиться с тем, какие «корпуса» будем использовать. В этом месте начинает диктовать правила моя природная лень: мне очень не нравится сверлить печатные платы — поэтому выберем по максимуму «поверхностный монтаж» (SMD). С другой стороны, здравый смысл подсказывает, что использование SMD очень существенно сэкономит размер печатной платы.

Для новичков поверхностный монтаж покажется достаточно сложной темой, но реально это не так страшно (правда, при наличии более-менее приличной паяльной станции с феном). На youtube очень много видео-роликов с уроками по SMD — очень рекомендую ознакомиться (сам начал использовать SMD пару месяцев назад, учился как раз по таким материалам).

• микроконтроллер — atmega168 в корпусе TQFP32 — 1 шт.
• транзистор — MMBT2222ALT1 в корпусе SOT23 — 2 шт.
• диод — 1N4148WS в корпусе SOD323 — 2 шт.
• стабилизатор — L78L33 в корпусе SOT89 — 1 шт.
• реле — 833H-1C-C — 2 шт.
• резистор — 10кОм, типоразмер 0805 — 1 шт. (подтяжка RESET к VCC)
• резистор — 1кОм, типоразмер 0805 — 1 шт. (в цепь базы транзистора)
• конденсатор — 0.1мкФ, типоразмер 0805 — 2 шт. (по питанию)
• конденсатор — 0.33мкФ, типоразмер 0805 — 1 шт. (по питанию)
• электролитический конденсатор — 47мкФ, типоразмер 0605 — 1 шт. (по питанию)

Тут я немного хитрю и подглядываю в свои «запасники» (просто выбираю то, что там уже есть в наличии). Вы можете выбирать компоненты по своему усмотрению (выбор конкретных компонентов выходит за пределы этого поста).

Поскольку вся схема уже практически «сформирована» (по крайней мере, в голове), можно приступать к проектированию нашего модуля.

Вообще неплохо было бы все сначала собрать на макетке (используя корпуса с выводными элементами), но поскольку у меня все описанные выше «узлы» уже неоднократно проверены и воплощены в других проектах — позволю себе этап макетирования пропустить.

Проектирование

На мой взгляд — очень простая, но в то же время — очень удобная программа для создания принципиальных схем и печатных плат по ним. Дополнительные «плюсы» в копилку EAGLE: мультиплатформенность (мне приходится работать как на Win-, так и на MAC-компьютерах) и наличие бесплатной версии (с некоторыми ограничениями, которые для большинства «самодельщиков» покажутся совершенно несущественными).

Научить вас пользоваться EAGLE в этом топике не входит в мои планы (в конце статьи есть ссылка на замечательный и очень простой для освоения учебник по пользованию EAGLE), я лишь расскажу, некоторые свои «хитрости» при создании платы.

Мой алгоритм создания схемы и платы был примерно следюущий (ключевая последовательность):

Схема:

• Создаем новый проект, внутри которого добавляем «схему» (пустой файл).
• Добавляем МК и необходимую «обвеску» (подтягивающий резистор на RESET, блокировочный конденсатор по питанию и т.п.). Обращаем внимание на корпуса (Package) при выборе элементов из библиотеки.
• «Изображаем» ключ на транзисторе, который управляет реле. Копируем этот кусок схемы (для организации «второго канала»). Входы ключей — пока оставляем «болтаться в воздухе».
• Добавляем на схему разъем ISP и колодку для подлючения радиомодуля (делаем соответствующие соединения в схеме).
• Для питания радиомодуля добавляем в схему стабилизатор (с соответствующими конденсаторами).
• Добавляем «разъемы» для подключения «кнопок» (один пин разъема сразу «заземляем», второй — «болтается в воздухе»).

Дальше перехожу к созданию платы (в этот раз мысль пошла «слева-направо»):

• Размещаю клеммники для подключения силовой нагрузки.
• Правее клеммников — реле.
• Еще правее — элементы транзисторных ключей.
• Стабилизатор питания для радиомодуля (с соответствующими конденсаторами) размещаю рядом с транзисторными ключами (в нижней части платы).
• Размещаю колодку для подключения радиомодуля снизу справа (обращаем внимание на то, в каком положении окажется сам радиомодуль при паравильном подключении к этой колодке — по моей задумке он должен не выступать за пределы основной платы).
• Разъем ISP размещаю рядом с разъемом радиомодуля (поскольку используются одни и те же «пины» МК — чтобы было проще разводить плату).
• В оставшемся пространстве располагаю МК (корпус надо «покрутить», чтобы определить наиболее оптимальное его положение, чтобы обеспечить минимальную длинну дорожек).
• Блокировочные конденсаторы размещаем максимально близко к соответствующим выводам (МК и радиомодуля).

Теперь уже можно определиться с подключением ключей и кнопок (смотрю, какие пины ближе к соответствующим цепям и которые проще будет подключить на плате), для этого хорошо перед глазами иметь следующую картинку:

• Транзисторные ключи подключаем на пины D3, D4.
• Кнопки — на A1, A0.

Внимательный читатель увидит, что на схеме ниже фигурирует atmega8, в описании упоминается atmega168, а на картинке с чипом — вообще amega328. Пусть это вас не смущает — чипы имеют одинаковую распиновку и (конкретно для этого проекта) взаимозаменяемы и отличаются только количеством памяти «на борту». Выбираем то, что нравится/имеется (я в последствии в плату запаял 168 «камушек»: памяти побольше, чем у amega8 — можно будет побольше логики реализовать, но об этом во второй части).

Архив со схемой и платой для Eagle версии 6.1.0 (и выше) находится по ссылке.

Изготовление печатной платы

Приведу для порядка основны шаги по изготовлению платы:

• Печатаю на бумаге Lomond 130 (глянцевая) нижнюю сторону платы.
• Печатаю на такой же бумаге верхнюю сторону платы (зеркально!).
• Складываю полученные распечатки изображениями внутрь и на просвет совмещаю (очень важно получить максимальную точность).
• После этого степлером скрепляю листки бумаги (постоянно контролируя, чтобы совмещение не было нарушено) с трех сторон — получается «конверт».
• Вырезаю подходящего размера кусок двустороннего стеклотекстолита (ножницами по металлу или ножевкой).
• Стеклотекстолит нужно обработать очень мелкой шкуркой (убираем окислы) и обезжирить (я делаю это ацетоном).
• Полученную заготовку (аккуратно, за края, не трогая очищенные поверхности) помещаю в полученный «конверт».
• Разогреваю утюг «на полную» и тщательно утюжу заготовку с двух сторон.
• Оставляю плату остыть (минут 5), после этого можно под струей воды отмачивать бумагу и удалять ее.

Далее плату травлю в растворе хлорного железа (не допуская недо- и пере-травливания).

Тонер смываю ацетоном.

Совет: когда делаете мелкие платы, сделайте заготовку под нужное количество плат, просто разместив изображения верхней и нижней части платы в нескольких экземплярах — и уже это «комбинированное» изображение «накатывайте» на заготовку из стеклотекстолита. После травления достаточно будет разрезать заготовку на отдельные платы.
Только обязательно проверяйте размеры плат при вводе на бумагу: некоторые программы любят «чуть-чуть» изменить масштаб изображения при выводе, а это недопустимо.

Контроль качества

Для самоуспокоения — контроль тестером всех соседствующих проводников (удобно пользоваться режимом «прозвонка», когда при «коротком замыкании» тестер подает звуковой сигнал).

Если все-таки где-то обнаружен ненужный контакт — исправляю это острым ножом. Дополнительно обращаю внимание на возможные «микротрещины» (пока просто фиксирую их — исправлять буду на этапе лужения платы).

Лужение, сверление

Сначала изготовленную печатную плату необходимо обезжирить (ацетон или спирт), можно «пройтись» ластиком, чтобы убрать появившиеся окислы. После этого — покрываю плату обычным глицерином и дальше уже паяльником (температура где-то около 300 градусов) с небольшим количеством припоя «вожу» по дорожкам — припой ложится ровно и красиво (блестит). Лудить надо достаточно быстро, чтобы дорожки не поотваливались.

Когда все готово — отмываю плату с обычным жидким мылом.

Монтаж элементов

Тут опять следует вернуться к этапу «контроль качества» — прозваниваю тестером все подозрительные ранее и полученные в ходе лужения/сверления/создания переходов новые места.
Проверяю, что обнаруженные ранее микротрещины устранены припоем (или устраняю припаивая тонкий проводник поверх трещинки, если после лужения трещинка осталась).

Устраняю все «залипухи», если такие все-таки появились в процессе лужения. Это гораздо проще сделать сейчас, чем в процессе отладки уже полностью собранной платы.

Теперь можно приступать непосредственно к монтажу элементов.

Мой принцип: «снизу вверх» (сначала распаиваю наименее высокие компоненты, потом те, что «повыше» и те, что «высокие»). Такой подход позволяет с меньшими неудобствами разместить все элементы на плате.

Таким образом, сначала распаиваются SMD-компоненты (я начинаю с тех элементов, у которых «больше ног» — МК, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы), потом дело доходит и до выводных компонентов — разъемов, реле и т.п.

Таким образом, получаем уже готовую плату.

P.S. «Двухканальный» модуль можно использовать для замены «проходных» выключателей (обычно ставятся в начале и конце лестницы между этажами и т.п. местах).

P.P.S. Если использовать более плоские кнопочные выключатели, то при небольшой доработке можно сделать платы, которые уместятся в существующие монтажные коробки (т.е. не только для размещения в нишах гипсокартонных стен).

P.P.P.S. Да, этот пост — развитие темы, которую я затронул ранее.

Полезные ссылки: