Weich rastender Netzschalter

Ich denke, aus Gründen der Stabilität und vielleicht sogar der Einfachheit halber würde ich anfangen, zwei Kondensatoren auszuprobieren. (Ich verwende jedoch häufig einen MOSFET + BJT mit einem Kondensator für eine zeitgesteuerte Einschaltdauer, bei der der MOSFET + RC von entscheidender Bedeutung ist, um der Annahme des RC-Timings treu zu bleiben.) Einer von ihnen, um einen konsistenten Einschaltzustand sicherzustellen.

Aber vielleicht so etwas?

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ja, es ist ein High-Side-Schalter. Sie können jedoch problemlos die Änderung vornehmen, um stattdessen einen Low-Side-Schalter zu machen. (Es war nur einfacher für mich, dies mit der entgegengesetzten Polarität schneller aufzuschreiben.)

EINSCHALTEN + ANFÄNGLICHER RUHEZUSTAND

Anfänglich beim Einschalten beide$C_1$Und$C_2$sind noch nicht aufgeladen und so$C_2$hält zunächst die Basis von$Q_2$geerdet und AUS . In der Zwischenzeit,$C_1$möglicherweise mit dem Aufladen beginnen, da es nicht mit der Basis verbunden ist$Q_1$(Momentanschalter, richtig?) Aber das hängt vom Zustand ab$Q_1$, die wegen des Weges über$R_5$,$R_4$, Und$R_6$tatsächlich sofort eingeschaltet wird (keine Kondensatorverzögerung beteiligt). Die Einschaltbedingung ist also zuverlässig :$Q_1$ EIN und$Q_2$ AUS . Auch in diesem Zustand mit$Q_1$ EIN , beides$C_1$Und$C_2$werden "in Bodennähe" gehalten.

Mit$Q_2$ OFF , beim Einschalten sollte eine richtig entworfene Schaltung auch die LOAD standardmäßig nicht mit Strom versorgen, denn jetzt$R_5$kann frei angezogen werden$Q_3$'s base und halte es auch OFF . Ich denke, das ist das gewünschte, erwartete Verhalten.

(Dies setzt voraus, dass der Strom an der Basis von ankommt$Q_1$über$R_5$,$R_4$, Und$R_6$reicht nicht aus, um einen Spannungsabfall zu verursachen$R_5$das würde sich drehen$Q_3$ EIN natürlich. Dies ist jedoch leicht zu erreichen, weil$Q_1$'s Kollektor sinkt bestimmt nur einen sehr bescheidenen Strom durch$R_3$und benötigen daher keinen nennenswerten Basisstrom über$R_5$. [Leicht angeordnet, um ein Umdrehen zu vermeiden$Q_3$ EIN .] Wann$Q_3$ist dann natürlich eingeschaltet$Q_2$Der Kollektor muss den gesamten benötigten Basisstrom aufnehmen$Q_3$und das wird einen Spannungsabfall verursachen$R_5$.)

Der Ruhezustand sollte bei nur einer sehr kleinen Spannung ankommen$C_1$Und$C_2$(im Grunde egal was$V_{\text{CE}_\text{SAT}}$von$Q_1$erlaubt, und nicht mehr.) Also bleiben beide Kondensatoren entladen , zu starten, und$Q_1$eingeschaltet ist (wegen des Pfades durch$R_5$,$R_4$, Und$R_6$) Und$Q_2$ist AUS .

ERSTER STAATSWECHSEL

Wenn der momentane Schalter zum ersten Mal gedrückt wird, entladen$C_1$zieht sofort nach unten auf die Basis von$Q_1$, verursacht$Q_1$zum Ausschalten (für einen Moment.) Mit$Q_1$ AUS für einen Moment,$R_3$Und$R_2$aufladen$C_2$zum Erforderlichen$V_\text{BE}$eines gesättigten ( ON ) Zustands von$Q_2$. So$Q_2$schaltet sich jetzt ein und zieht an der Basis nach unten$Q_1$über$R_6$. Das hält$Q_1$ AUS , obwohl der Momentschalter eingerastet gehalten wird. Auch mit$Q_2$ ON , über wird jetzt genug Strom gezogen$R_5$Und$R_4$dass die Spannung abfällt$R_5$anmachen$Q_3$und jetzt wird die LAST eingeschaltet .

Wenn der Moment losgelassen wird,$Q_1$bleibt AUS weil$Q_2$ist EIN und hält$Q_1$ AUS über$R_6$. Auch, einmal veröffentlicht,$C_1$darf jetzt via aufladen$R_3$Und$R_1$. Diese Spannung muss so ausgelegt werden, dass sie ausreicht (mehr als beispielsweise$800\:\text{mV}$) dass, wenn der momentane Schalter wieder geschlossen wird, das$Q_1$eingeschaltet wird (im Gegensatz zu dieser Zeit, wenn$C_1$wurde meistens entladen und gedreht$Q_1$ AUS .)

Also in diesem EIN -Zustand von$Q_3$(und die LAST mit Strom versorgt), möchten Sie sicherstellen, dass die Spannung abfällt$R_3$(bei Lieferung von Basisstrom für die gesättigte$Q_2$) lässt genügend Spannung damit$C_1$wird eine ausreichend hohe Spannung darauf haben, wenn es von diesem Knoten und über aufgeladen wird$R_1$.

ZWEITER STAATSWECHSEL

An dieser Stelle,$C_1$wird über das aufgeladen, was zum Drehen erforderlich ist$Q_1$ EIN , wenn der Momentschalter wieder angeschlossen wird. Dies verursacht jetzt$Q_1$eingeschaltet wird und sein Kollektor für einen Moment nach unten gezogen wird und sich daher entlädt$C_2$und umdrehen$Q_2$ OFF , bringt den Zustand zurück in den Zustand, in dem er beim Einschalten war.

DESIGN-ANMERKUNGEN

Ich habe keine Werte für irgendetwas angegeben. Das liegt daran, dass sie von Ihren aktuellen LOAD -Anforderungen und einer Reihe anderer Details abhängen, die Sie nicht angegeben haben. Der obige allgemeine Ansatz kann jedoch ohne große Schwierigkeiten an die meisten Situationen angepasst werden. Es ist nur ein Schritt-für-Schritt-Prozess. Ihre LAST stellt einen bestimmten Strom dar, der einen bestimmten Basisstrom erfordert und$V_\text{BE}$Spannungsabfall. Dieser Basisstrom legt den Kollektorstrom fest$Q_2$wenn es eingeschaltet ist . Das wiederum erfordert einen anderen Grundstrom z$Q_2$über Verteiler zuzuführen$R_2$Und$R_3$. Die Spannung des Teilerknotens muss über der zum Schalten erforderlichen Spannung liegen$Q_1$ ON , was hilft, ihre relativen Werte zu ermitteln. Und es gibt weitere Details zum Einrichten aller Widerstandswerte. Aber sie neigen dazu, herauszufallen, wenn Sie die Designdetails durcharbeiten.

Außerdem besteht die Möglichkeit, dass der momentane Schalter prellt. Sie müssen sich also auch um das Entprellen des Schalters kümmern. Für den Übergang ist eine minimale Impulsbreite erforderlich (festgelegt durch Ihre Widerstands- und Kondensatorauswahl.) Sie können dies leicht so einrichten, dass schmale Schaltimpulse ignoriert werden und ein "lang genug" Halten erforderlich ist, um den Übergang und das Umschalten durchzuführen. Aktion.

Dieselbe oben gezeigte Topologie kann auch mit MOSFETs verwendet werden:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Im oben genannten Fall$R_3$sehr viel größer gemacht werden, was den Ruhestrom (Halten) für den AUS -Zustand des Schalters stark reduzieren kann. (Die Schaltung hängt immer noch davon ab$Q_1$eingeschaltet sein und$Q_2$AUS sein , im Ruhezustand / AUS, was bedeutet, dass Ihre Versorgungsspannung quer ist$R_3$in diesem Staat.)

Schaltungsdetails wie Parasiten und sich verschlechterndes Sättigungs-Beta für$Q_2$bei sehr niedrigen Kollektorströmen ist dies die Begrenzung. Ich würde sagen, dass das Entwerfen ungefähr$10\:\mu\text{A}$wäre ohne solche Überlegungen leicht zu erreichen. Und das könnte weniger sein, wenn man darüber nachdenkt.

Derzeit lädt sich C1 von 0 - Q3Vbe auf, bevor Q3 einschaltet, aber es muss nur um 50-100 mV entladen werden, um Q3 auszuschalten. Dadurch wird der Toggle sehr asymmetrisch.

Ersetzen Sie Q3 durch einen P-Kanal-FET, damit C1 auf eine höhere Spannung aufgeladen werden kann. Es hat nun eine RC-Verzögerung von 0 – VGS(th) und eine Entladung von V+ – VGS(th). Wenn die VGS (th) etwa die Hälfte Ihrer Versorgung beträgt, erreichen Sie eine Einschaltdauer von fast 50%.

Angenommen, Sie schalten eine 5-V-Versorgung ein / aus, dann wäre jeder FET mit einem VGS (th) um 2,5 V in Ordnung ... vielleicht ist so etwas wie ein TP2104 geeignet.

Wenn Sie wirklich eine Einschaltdauer von 50 % sicherstellen möchten, benötigen Sie einen zuverlässigen Toggle-Schwellenwert. leicht gemacht, aber sicherlich komplexer.

Das Problem geht im Grunde in die Richtung dessen, was Jack Creasey bemerkt hat. Ich habe die Lösung nur gefunden, indem ich die Schaltung mit LTSpice simuliert habe. Alles unten Gesagte gilt für meine gewählte Betriebsspannung von 8 Volt.

1. Abgesehen von der Anfangsphase, in der sich C1 tatsächlich von 0 auf V(BE,Q3) auflädt, schwingt die Spannung von C1 nur geringfügig um V(BE,Q3) ~ 0,8 Volt, wenn die Taste gedrückt gehalten wird, und daher schwingt das Ausgangsmassepotential (GND). zwischen 0 und 8 Volt (rechteckig). Dies ist der Modus, für den ich die Schwingung symmetrisieren möchte.

2. Wenn sich C1 entlädt (was der Fall ist, wenn der MOSFET Q1 ausgeschaltet ist), nimmt der Strom grundsätzlich zwei Wege: a) über R4 und dann R3 + R5 und RLOAD, was für kleine RLOAD hauptsächlich ~R4 beträgt, und b) über die Basis - Emitterdiode von Q3, deren Strom anfangs recht hoch ist, aber exponentiell schnell abnimmt, wenn sich C1 mehr und mehr entlädt; Q3 trägt also fast nichts zur Entladung von C1 bei und es ist praktisch die gesamte Angelegenheit von R4

3. Wenn also das Ausgangsmassepotential (GND) bei ~0 V liegt, lädt sich C1 über R4 auf, der von der Spannung 8-0,8 = 7,2 V angesteuert wird, dh I = 7,2 V/1 MOhm = 7,2 uA . Wenn andererseits GND auf +8 V liegt, entlädt sich C1 erneut über R4, diesmal jedoch getrieben von der Spannung 0,8 V, dh I = 0,8 V/1 MOhm = 0,8 uA . Das Entladen ist also fast 10-mal langsamer als das Laden (abgesehen von der kurzen Q3-Basisstromspitze)! Es ist also keine Überraschung, dass die Einschaltdauer weit von 50 % entfernt ist.

Meine Lösung bestand darin, parallel zu C1 einen zusätzlichen Widerstand R6 = 250 kOhm einzuführen. Das Entladen von C1, wenn GND = +8 V, geht jetzt über R4 || R6 = 200 kOhm, dh I(C1) = 0,8 V/200 kOhm = 4 µA. Andererseits teilt sich beim Laden von C1 der Strom durch R4 in den Strom durch C1 und einen zusätzlichen Strom durch R6 von I = 0,8/250 kOhm = 3,2 uA, sodass der Strom durch C1 nur I(C1) = 7,2 uA betragen kann - 3,2 µA = 4 µA. Durch die Einführung von R6 habe ich also sichergestellt, dass das Laden und Entladen mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgt (zumindest für die kleinen Schwingungen von V(C1), die tatsächlich auftreten).

Was ein wenig hässlich bleibt, ist die Basisstromspitze durch Q3, die eine gewisse Nichtlinearität verursacht. Dem habe ich abgeholfen, indem ich einen Basiswiderstand R8 in der Größenordnung des Ladewiderstandes R4, also R8 = 1MOhm, eingeführt habe.

PS: Inzwischen habe ich eine sehr grobe Messung des Ruhestroms durchgeführt (Teilentladung eines Elektrolytkondensators bei abgeklemmter Batterie), die mir <5 nA ergab, was meiner Meinung nach ziemlich anständig ist (auch angesichts der Tatsache, dass es sich um ein Steckbrett handelt). Ich weiß nicht, wie viel davon auf Leckagen im Kondensator selbst zurückzuführen ist, also ist es eine Obergrenze. PS-Ende

Die folgenden Bilder zeigen die LTSpice-Simulation. Man sieht, dass der Strom durch C1 (rote Kurve) nun symmetrisch um 0 µA liegt und erwartungsgemäß eine Amplitude von ~ 4 µA hat. Entsprechend beträgt das Tastverhältnis des Ausgangs GND ~50% (blaue Kurve). Die Taste wird bei t=2s gedrückt gehalten (grüne Kurve).

Und zum Schluss – voila! - der normale Anwendungsfall, bei dem das Ausgangsmassepotential GND durch kurzes Drücken der Taste umgeschaltet wird (anstatt die Taste im gedrückten Zustand zu halten und GND automatisch ein- / auszuschalten, was der "missbräuchliche" Fall ist).