Схемотехника: «Push-On, Push-Off Power-Switching Circuit» из патента US7781920B2

Патент не мой! Схема интересная: Вкл/Выкл Питания Устройства одной тактовой кнопкой, с возможностью программного выключения питания самим устройством. Реализация на только дискретных элементах (три транзистора).
Картинки кликабельны и ведут на увеличенное изображение...


Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=1.5-7V)

(Диапазон питания подходит всем схемам с МК!)

Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=1.5-7V)

Касательно нагрузки (на схеме L1), важное замечание: данной схеме для работы ОБЯЗАТЕЛЬНО требуется подключённая Нагрузка по выходу (для разряда конденсатора C1 при отключении питания, и также для переходных процессов во время включения триггера — для протекания тока по цепочке R2-SW1-R3-Нагрузка-Земля). В случаях, если Нагрузка может отсутствовать — рекомендация: установите дополнительный «разрядный резистор» (номиналом от R3 до 1M) по выходу, параллельно Нагрузке.

Примечание: Кнопка SW2 на схеме — символическая, чисто для симуляции (там и подпись: «Software...»). На самом деле, Q4 будет управляться с выхода микроконтроллера. И конечно, у него будет либо токоограничивающий резистор на базе, или вообще, тут можно использовать МОП-транзистор. Или даже, можно обойтись совсем без дискретного Q4, а коммутировать непосредственно портом МК, если позволяет мощность порта и не мешает «диодная вилка защиты от статики» (об этом есть пара слов в оригинальном Патенте)...


Пояснение работы схемы:

Триггер («bistable circuit») реализован на двух комплементарных биполярных транзисторах, включенных встречно-параллельно. По сути, это два параллельных [КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ] каскада, замкнутые управлением один на другой, и поддерживающие друг друга в статическом состоянии — либо оба закрыты, либо оба открыты.
Замечу: Каскады на биполярных транзисторах являются «инвертирующими» — а именно так создаются все триггерные системы, через «положительную обратную связь»… Здесь построена ячейка памяти — т.н. Асинхронный «Одноступенчатый триггер» типа «latch/защёлка»…
Замечу: Добавление к этой ступени второго каскада на R3C1-цепочке — формирует систему «Двухступенчатого триггера» типа «flip-flop/шлёпающий» — переключающегося единственной кнопкой SW1… Ключ Q4 обеспечивает альтернативное асинхронное управление (только выкл).
Дополнительно, см. общую теорию...

Установившееся состояние триггера можно переключать, [КРАТКОВРЕМЕННО] подтягивая базу одного из двух транзисторов к Земле или к Питанию (итого, 4 возможных комбинации управляющих воздействий):
  • Чтобы ВКЛЮЧИТЬ триггер (подать питание устройства) — подтянуть базу Q2 к Питанию (здесь это не удобно схемотехнически и не используется);
  • или подтянуть базу Q3 к Земле (здесь коммутируется через конденсатор C1, чтобы единственной кнопкой SW1 реализовать чередование функции подтяжки «к Земле <-> к Питанию», посредством силового ключа Q1+ цепочки R3C1);
  • Чтобы ВЫКЛЮЧИТЬ триггер (обесточить питание устройства) — подтянуть базу Q2 к Земле (здесь реализовано через развязывающий ключ Q4, и предлагается как метод «Software Power-Off» от МК),
  • или подтянуть базу Q3 к Питанию (замыкается вручную SW1 на заряженный конденсатор C1, что даёт достаточно энергии для надёжного/гарантированного переключения триггера, даже при условии закрытия силового ключа Q4!).


Примечание: В Патенте заявлено, что Номиналы в данной схеме оптимизированы для работы в ДИАПАЗОНЕ НАПРЯЖЕНИЙ ПИТАНИЯ = 1..7V (*)
R3=R6=100K
C1=4.7uF
R1=R2=R4=10K
R5=4.7K
Для работы схемы в другом диапазоне питания — номиналы следует скорректировать соответственно (как именно? в оригинальном Патенте не поясняется).

Роль резисторов:

Ключи Q2 и Q3 открываются одновременно, и закрываются одновременно…
Замечу: в «закрытом состоянии» триггера (при отключенном питании), в котором устройство предположительно пребывает большую часть времени — оба биполярных ключа Q2 и Q3 закрыты. Что при традиционно малом токе утечки (<100nA) обеспечивает мизерное собственное потребление схемы. (profit!)

Для ключей Q2 и Q3 в ЗАКРЫТОМ СОСТОЯНИИ — резисторы R6 и R2 (соответственно) являются подтяжками, препятствующими самопроизвольному открытию ключей от помех. Поэтому выбор номинала R2 относительно маленьким — целесообразен (но R2 выбирать не меньше R1! и достаточно большим относительно R5, чтобы ключ Q3 хорошо открывался — см. соотношение указано далее).

Для ключей Q2 и Q3 в ОТКРЫТОМ СОСТОЯНИИ — базовыми резисторами (т.е. токоограничивающими, чтобы в Базу не херачил слишком большой ток) являются R1+R4 и R5 (соответственно).
Причём, роль резисторов R4 и R5 не ограничивается токоограничением. Вторую важнейшую функцию, что они несут — это формирование управляющих потенциалов напряжений на Базах. Без них, триггер никогда бы не закрылся, не выключился!
Например, если R5=0, то База Q3 управляется с Коллектора Q2 непосредственно. Тогда, если ключ Q2 открыт (его VCEsat<0.7V), то потенциал его Коллектора надёжно привязан к Земле, и никак его не поднять (пока Q2 не закроется). Следовательно, никакой величины заряда с конденсатора C1 не хватило бы вкатить через SW1, чтобы закрыть Q3. Весь заряд C1 бы тут же разрядился через Q2 в Землю, да ещё и большим током спалил бы сам транзистор Q2!
Таким образом, номинал R5 выбирают так: Минимум, чтобы ограничить максимальный ток через Q2; Максимум, чтобы резистивный делитель R2:R5 формировал на Базе Q3 потенциал достаточный для открытия ключа (при всех напряжениях питания, и учитывая начальное смещение R1); А ещё, он входит в цепочку R5C1, которую следует учитывать/рассчитывать для таймингов разряда/выключения...
Некоторую ассиметрию схеме придаёт наличие резистора R1 (с опциональным конденсатором C2, стабилизирующим мелкие помехи-просадки по питанию) — создаёт смещение Эмиттера Q3 вниз, облегчающее его ЗАКРЫТИЕ.
Зачем нужен R1? Пояснение: При больших токах потребления, Vout может иметь значительную просадку относительно Vin — следовательно, напряжение на заряженном конденсаторе C1 может быть заниженным, т.к. он заряжается по выходу (Vout<Vin) — следовательно, коммутируясь через SW1 на Базу Q3, этого напряжения может оказаться недостаточно для закрытия последнего… И чтобы Q3 уверенно закрывался — введено смещение его Эмиттера R1.
Однако, при открытом триггере, пару резисторов R1+R4 следует рассматривать как совместную по функциям:
  • Резистор R4 (подобно R5) также помогает закрыть Q2, формируя на его Базе низкий потенциал. Однако, в этой цепочке, присутствует также резистор-смешение R1, который играет ту же роль: участвует в формировании потенциала — таким образом, здесь (вместо одного резистора R5) работает как бы «распределённый» R1+R4!
  • Он же, R1+R4 (минус R6, конечно, но он «маленький», поэтому игнор) формирует Базовый ток для Q2 в открытом состоянии.
Итак, R1+R4:R6 управляет ключом Q2. А R2:R5 управляет Q3. Безусловно, чтобы схема работала правильно, следует соблюдать соотношение номиналов сопротивлений в резистивных делителях так чтобы: R2>>R5 (в 2 раза), R6>>R1+R4 (в 5 раз).

Роль RC-цепочки:

Резистор R3 формирует R3C1-цепочку, которая обеспечивает второй каскад триггера и его «переключательные (flip-flop)» свойства.
Постоянная времени этой цепочки (R3*C1..3*R3*C1) определяет временную задержку с момента отпускания кнопки SW1 до готовности триггера к очередному включению/выключению, что подавляет «звон» в контактах кнопки SW1.
Но также, в динамике: на момент переключения триггера и во время удержания кнопки SW1, R3 изолирует R3C1-цепочку (т.е. изолирует УПРАВЛЯЮЩИЙ ПОТЕНЦИАЛ на Базе Q3) от изменений коммутируемого напряжения на выходе (Vout) — это даёт завершиться всем переходным процессам внутри триггера (что важно! иначе, схема застрянет в каком-нибудь запрещённом состоянии).
Важно: Для правильной работы схемы, номинал R3 должен быть выбран НА ПОРЯДОК больше, чем R2 (R3>>R2)!

Замечу, в статике: на положительном полюсе конденсатора C1, на разных фазах работы схемы, присутствуют ЧЕТЫРЕ характерных потенциала-состояния (и переходные процессы между ними):
  1. 0V = конденсатор разряжен, триггер выключен и кнопка отпущена, готов ко включению схемы;
    Как замечалось выше: Данной схеме, для привода в состояние «готов ко включению» — ОБЯЗАТЕЛЬНО требуется какая-нибудь Нагрузка по выходу, для разряда конденсатора C1 до 0V при отключении питания...
  2. Vout = конденсатор заряжен, триггер включен и кнопка отпущена, готов к выключению схемы;
  3. примерно Vin*R5/(R2+R5) = при включении схемы, при замыкании И УДЕРЖИВАНИИ кнопки SW1, после завершения переходных процессов в триггере — на конденсаторе C1 (и соответственно на базе Q3) установится промежуточное значение напряжения, формируемое делителем (R2||R3):R5. Оно должно быть гарантированно МЕНЬШЕ ПОРОГОВОГО (Vin-VbeOnMin) и недостаточное для цепной реакции повторного ЗАКРЫТИЯ ключа Q3 — чтобы реакция схемы была атомарной, устойчивой и стабильной (открылась и зафиксировалась), и не переходила в «генерацию»…
    Если R3>>R2, то ток через R3 мы игнорируем… VCEsat=0 также игнорируем… Тогда между номиналами R2 и R5 требуется соблюсти условие: Vin*R2/(R2+R5) > VbeOnMax, где случается VbeOnMax=1.2V (для BC327/BC337).
    Причём, видно, что хуже всего будет при малых Vin=1V (*)
    • Например, при обычном Питании: 5V*10K/14.7K=3.4V > 1.2V (OK!)
    • При минимальном заявленном Питании: 1V*10K/14.7K=0.68V > [0.6V-1.2V] (Биполярный ключ Q3 едва-едва начинает приоткрываться на этом пороге. И работая в линейном режиме, он создаёт значительную просадку напряжения: 0.2-0.3V… Поэтому создаваемого напряжения на Базе Q2 недостаточно для открытия последнего. Симуляция показывает: Нет, схема не включится! Не смотря на заявленный «поддерживаемый диапазон питания» в Патенте.) (*)
    • А вот, при разумно малом Питании: 1.5V*10K/14.7K=1V > [0.6V-1.2V] (Симуляция показывает: Ключ Q2 уже откроется и схемы включится! Этого достаточно.)
  4. примерно Vin*R3/(R2+R3) = при выключении схемы, при замыкании И УДЕРЖИВАНИИ кнопки SW1, после завершения переходных процессов в триггере — на конденсаторе C1 (и соответственно на базе Q3) установится промежуточное значение напряжения, формируемое делителем R2:(R3+Нагрузка). Оно должно быть гарантированно БОЛЬШЕ ПОРОГОВОГО (Vin-VbeOnMin) и недостаточное для цепной реакции повторного ОТКРЫТИЯ ключа Q3… (напомню, что здесь речь о PNP транзисторе Q3 — поэтому утверждения «БОЛЬШЕ/МЕНЬШЕ» инверсивны, и звучат странно)
    Т.е. при выборе номинала R3, требуется соблюсти условие: Vin*R2/(R2+R3) < VbeOnMin, где обычно VbeOnMin=0.6V, а Нагрузку принять=0 (схема должна работать даже при «КЗ» по выходу).
    Причём, видно, что хуже всего будет при больших Vin=7V.
    • Например, при обычном Питании: 5V*10K/110K=0,45V < 0.6V (OK!)
    • А вот, при максимальном Питании: 7V*10K/110K=0,63V < 0.6V (Нет, работа схемы не гарантируется! Хотя здесь, скорее всего, работать будет: симуляция показывает, что при этом Q3 не полностью закрывается, но прикрывается В ЛИНЕЙНОМ РЕЖИМЕ так, что пропускает малый ток и напряжение на Базе комплементарного Q2 падает — и он/второй закрывается! А потом уже, когда кнопка SW1 будет отпущена, то каскадно, и Q3 тоже закроется. Ненадёжно...)
    Замечу: здесь ситуация более критична, меньше запас по напряжению, требует больше внимания...

Сноски:

(*) Замечу: Работа данной схемы на пониженных напряжениях 1-1.5V не гарантируется (не работает, не смотря на заявленное в Патенте). Фактически поддерживаемый диапазон напряжений питания = 1.5-7V.
Причём, на пониженных напряжениях схема начинает сбоить: как из-за неправильно подобранных номиналов сопротивлений, так и самих ключей Q2/Q3 (резистивные делители создают недостаточные уровни для открытия биполярных ключей). Впрочем, если для Q2 и Q3 использовать менее мощные сигнальные биполярные транзисторы (например, аналоги КТ315 и КТ361, которые полностью открываются уже при VBEsat=0.7V), то данная схема заработает даже при 1V Питания…
А вот, используемому в данной схеме Силовому MOSFET «IRLML6401» (Q1), для уверенного открытия, требуется «Напряжение Смещения на Затворе» до 1.5V — его также потребуется заменить (на что? а вот это неясно)…

(**) Для работы данной схемы на совсем Малых Напряжениях Питания (до 1.5V, например, от одной пальчиковой батарейки или аккумулятора) — требуется переделка. Причём, как корректировка номиналов резисторов, так и замена силового ключа Q1.
Идея: для низких управляющих напряжений, можно попробовать для Q1 использовать силовой PNP транзистор…

(***) Из вышеразобранного случая следует ещё один вывод: Номинал резистора R2 определяет «минимальный порог напряжения» для открытия/включения схемы! А потому его роль может быть расширена.
Идея: подстройкой R2 можно регулировать «Минимум напряжения Питания», при котором схема будет САМА ОТКЛЮЧАТЬСЯ — это идея на будущее, для схемы «Контроля разряда АКБ»…

(****) Совет: Для улучшения работы триггера на низких напряжениях, для Q2 и Q3 следует использовать наименее мощные сигнальные биполярные транзисторы: аналоги КТ315 и КТ361 (которые начинают открываться при 0.6V, а полностью открыты ДЛЯ МАЛЫХ ТОКОВ уже при VBEsat=0.7V — гарантированно!)
Симуляция показывает, что при использовании BC54x/BC55x для Q2 и Q3, отдельно триггерная схема работает при напряжениях от 1V (как и заявляется в Патенте). Но тут нужно ещё подыскать, для Q1, MOSFET управляемый напряжением до 1V…
Замечу: Вообще, это хорошая идея использовать BC54x/BC55x для Q2 и Q3 в данной схеме, даже на высоких напряжениях. Всегда так и делайте! Я же использовал в симуляции более мощные (и несколько более грубые в управлении) BC327/BC337 — поскольку они у меня есть в активе, да и модель интереснее было проверить на критических пределах…



Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=4.5-20V)


Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=4.5-20V)

Однако, в оригинальном Патенте приводятся ещё рекомендуемые схемные номиналы для диапазона питания = 4.5-20V
R3=360K
C1=1uF
R1=R2=R6=100K
R4=10K
R5=24K
(Предупреждение: В оригинальном патенте ошибка — неправильно указаны номера резисторов, расхождения в описании и на схеме! Клёво, да?.. Поэтому, я расставлял эти номиналы угадывая, пока Симуляция схемы не заработала.)

Итак, что здесь?
R4 и R6 — не изменились.
R1 увеличили на порядок (ну понятно: при больших напряжениях питания — и помехи/просадки могут быть больше; да и токи больше — надо ограничить).
Соответственно, подогнали смещение на Базе Q3: R2=R1.

Проверка соотношений для уверенного переключения схемы:
  • 3) Чтобы схема гарантированно включалась… между номиналами R2 и R5 требуется соблюсти условие: Vin*R2/(R2+R5) > VbeOnMax, где случается VbeOnMax=1.2V (для BC327/BC337)
    Причём, видно, что хуже всего будет при малых Vin=4.5V.
    В данной схеме уже выбран R2=100K. Осталось рассчитать от него: R5 < R2*(Vin/VbeOnMax-1)
    R5 < 100K*(4.5/1.2-1)
    R5 < 275K (У нас выбран: R5=24K ОК!) (Замечу: здесь предел не так критичен, есть хороший запас.)
  • 4) Чтобы схема гарантированно отключалась… при выборе номинала R3, требуется соблюсти условие: Vin*R2/(R2+R3) < VbeOnMin, где обычно VbeOnMin=0.6V, при Нагрузке=0 («КЗ» по выходу).
    Причём, видно, что хуже всего будет при больших Vin=20V.
    В данной схеме уже выбран R2=100K. Осталось рассчитать от него: R3 > R2*(Vin/VbeOnMin-1)
    R3 > 100K*(20/0.6-1)
    R3 > 3233K (Хм, а у нас стоит R3=360K, что на порядок меньше!)
    Вывод: Теоретически, работа схемы не гарантируется. Ненадёжно… Хотя здесь, скорее всего, работать будет: симуляция показывает, что при этом Q3 не полностью закрывается, но прикрывается В ЛИНЕЙНОМ РЕЖИМЕ так, что пропускает малый ток и напряжение на Базе комплементарного Q2 падает — и он/второй закрывается! А потом уже, когда кнопка SW1 будет отпущена, то каскадно, и Q3 тоже закроется.
    Замечу: здесь ситуация более критична, меньше запас по напряжению, требует больше внимания...

Относительно времени задержки на R3C1-цепочке:
было: 100K*4.7u=470ms
стало: 360K*1u =360ms
вывод: фактически, то же самое.

Ввиду возросших напряжений питания, я заменил силовой MOSFET на более высоковольтный:
  • был, в схеме до 7V: irlml6401 (P-Channel, Vds=12V, Id=4.3A, Rds=0.05 Ohms, Vgs=8V Vgs_th=0,4..0,95V) — мощный, низковольтно управляемый.
  • теперь, в схеме до 20V: irlml5203 (P-Channel, Vds=30V, Id=3A, Rds=0.165 Ohms, Vgs=20V Vgs_th=1..2,5V) — такой DI HALT поставил на DevBoard2, как защиту по питанию от переполюсовки.




Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=0.9-1.5V)

Схема для работы на совсем Малых Напряжениях Питания: до 1.5V (например, от одной пальчиковой батарейки или аккумулятора).

Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=0.9-1.5V) - неудачно

Q: Почему 0.9V предел?
A: Как ни крути, а для полупроводниковой схемотехники недоступны напряжения питания, меньшие чем 0.9V (транзисторы не открываются) — поэтому мы их даже не рассматриваем.
Замечу: я пробовал симулировать схему на 0.8V, но как бы я ни настраивал номиналы делителей (даже с идеальным ключом Q1) — транзисторы Q2/Q3 хоть и приоткрывались, но тут же аварийно закрывались. В итоге, Триггер мне удалось запустить, в симуляторе, только при питании 0.9V!


DISCLAIMER: Честно говоря, в такой конфигурации схема выглядит нецелесообразной, даже нерабочей (на сверхнизких напряжениях вообще трудно работать электронике) — поэтому приводится лишь для примера. К воспроизведению не рекомендуется.
Рекомендация: Лучше используйте Питание хотя бы от двух батареек/аккумуляторов (2xAAA). Даже очень разряженные, они дадут ЭДС выше 1.5V — самый оптимум для Устройств...


Какие типовые трудности здесь наблюдаются:
1) В схеме присутствует силовой транзистор Q1, который надо как-то открыть (малым напряжением), и это наибольшая проблема…
2) Ещё, на малых напряжениях, для сохранения помехоустойчивости и стабильности схемы, есть тенденция к увеличению ёмкости конденсатора C1 (поскольку малая ёмкость моментально заряжается до малых напряжений и становится неэффективной). Однако, электролиты имеют большие габариты, и очень не любят низких напряжений, деградируют быстро… Тут очень желательно бы остаться на «керамике» (чтобы С1<1.5uF).

Что в схеме скорректировано:

Для улучшения работы триггера на низких напряжениях, для Q2 и Q3 использованы наименее мощные сигнальные биполярные транзисторы: аналоги КТ315 и КТ361 (которые начинают открываться при 0.6V, а полностью открыты ДЛЯ МАЛЫХ ТОКОВ уже при VBEsat=0.7V — гарантированно!)
Замечу: Вообще, это хорошая идея использовать BC54x/BC55x для Q2 и Q3 в данной схеме, даже на высоких напряжениях. Всегда так и делайте! Ранее, я использовал более мощные (и несколько более грубые в управлении) BC327/BC337 — поскольку они у меня есть в активе, да и модель интереснее было проверить на критических пределах…

Ещё потребовалась корректировка схемных номиналов:
Помехоподавляющий конденсатор С2, вероятно, здесь можно совсем упразднить (?) — при таких малых напряжениях помехи минимальны, и бороться с ними проблематично, рассчитываем на стабильный постоянный источник питания (батарейку или аккумулятор).
Уменьшил помехоподавляющее смещение R1, и вместе с ним R4, в 2 раза — чтобы повысить потенциал Базы Q2 и повысить гарантии его открытия. Напомню: делитель (R1+R4):R6 формирует потенциал Базы Q2.
Для того же, увеличил R2 в 2 раза — чтобы понизить потенциал Базы Q3. Напомню: делитель R2:R5 формирует потенциал Базы Q3. Замечу: условие «R2 выбирать не меньше R1» сейчас соблюдается.

Q: Почему я увеличил R2, но не трогал R5, чтобы изменить делитель R2:R5?
A: Тут вступает другая зависимость: уменьшать номиналы сопротивлений R2 и R5 никак нельзя! Поскольку они связаны с конденсатором C1 и формируют RC-цепочки, участвующие (соответственно) при открытии и закрытии триггера.
Постоянные времени этих цепочек формируют Задержки, необходимые при переключении состояния схемы (триггера) — чтобы транзисторы Q2 и Q3 успели открыться/закрыться, учитывая их инертность (время рассасывания зарядов в базе и т.п.), усугубляющуюся при малых токах…
Если уменьшим сопротивления R2 и R5, то потребуется пропорционально увеличивать ёмкость C1… Но это бы очень ухудшило габариты Устройства (а там и так уже электролит на 4.7uF).


Какие проблемы ещё не решены?

Проблема: Самый неудобный элемент в данной схеме это силовой ключ Q1. Для управления MOSFET, требуется подавать ему на Затвор значительные напряжения смещения. Причём, даже IRLML-серия (т.н. «logic level») требует как минимум 1V, лучше 1.5V для уверенного открытия.

Неудачное решение: Поэтому, для низких управляющих напряжений требуется замена силового ключа Q1… На Биполярный PNP-транзистор?
Примечание: В отличие от MOSFET, Биполярному транзистору требуется токоограничивающий базовый резистор R7 (добавил в схему). При hFE=100, и предположим Ic=500mA -> нужно обеспечить Ib>0.5mA. При Vin=0.8V, минус сколько-то там ещё выпадет на открытом Q2… Ну, пусть, R7=1.5k.
  1. Пробовал использовать силовой PNP транзистор серии "(Complementary BD43x series. корпус SOT-32. Ic=4A, Vebo=5V, 3MHz) NPN — BD433 (Vceo=22V), BD435 (32V), BD437 (45V). PNP — BD434 (22V), BD436 (32V), BD438 (45V)". Точнее, симулировал с транзистором «BD438 (PNP, 45V 4A)». Корпус «SOT-32» у него — не маленький, но смириться можно...
  2. Пробовал использовать, для малотоковых потребителей, с транзистором BC327 (PNP 45V 0.5A). Для удовлетворительного открытия (до Ic=0.1A) ему достаточно VBEon<0.8V (по графикам в datasheet). Кроме того, BC327 выпускается в корпусе SOT-23 (SMD) — удобно использовать в миниатюрных устройствах...
  3. Наконец, ставил даже сигнальный транзистор BC557 (PNP 45V 0.1A) — открывается от 0.6V и выпускается в корпусе SOT-23...

Однако, ничего не получилось!
Во-первых, биполярный транзистор тоже оказался довольно «тугим» В УПРАВЛЕНИИ: для нормального открытия требует Vbe(on) = от 0.7V до 1.2V (что уже, практически, как и MOSFET «IRLML6401») — поэтому схема работает нестабильно.
А во-вторых, и самое главное, ПРОСАДКА НАПРЯЖЕНИЯ на открытом биполярном ключе оказалась недопустимо большая: это на сигнальных Q2 и Q3, через которые протекают мизерные токи (Ic<0.1mA), и просадка мизерная (Vce<40mV)… Но уже при маломальском токе, на открытых СИЛОВЫХ биполярных ключах — просадка до 0.7-0.85V (Ы! это при питании Vin=0.9V) И сколько же тогда коммутируется на Нагрузку? А ничего не остаётся, схема не работает!

TODO: Таким образом, проблема низковольтно управляемого (до 1V) силового ключа осталась нерешённой...
См. симуляцию «Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=0.9-1.5V) — идеальный ключ.DSN»
Отдельно, триггер здесь работает. Но только с идеальным ключом, обладающим следующими параметрами: управляемый напряжением а не током (MOSFET); порог включения Vgs=0.7V (с гистерезисом +-0.05V); сопротивление открытого канала Rds=0.1 Ohms.

Push-On,Push-Off Power-Switching Circuit (VCC=0.9-1.5V) - идеальный ключ
  • +8
  • 14 января 2015, 13:03
  • Celeron
  • 3

Комментарии (93)

RSS свернуть / развернуть
Люблю такой стиль описания- когда все разжевано и по полочкам =)

Воистину феномен Баадера-Майнхофа работает. Недавно наткнулся на эту же идею, и хотел поковырять схемы, да статейку накатать. Только схемы твои весьма объемны, мне удалось найти более компактные варианты.
Например, вот такой


Ну и оставлю пару полезных ссылок: анлийская статья, русская статья, в комментариях которой можно найти еще несколько ссылок.
0
И еще мне интересно, можно ли реализовать на полевиках и тактовой кнопке вот такой вот переключатель?
Подозреваю что можно, но какой объем схемы будет?
0
Я эту схему так и не заставил работать. Сильно зависит от нагрузки (в частности не работает вообще, если нагрузка емкостная — нужно ставить развязывающий диод). Схема в статье выглядит лучше, она не включает нагрузку и ключ в схему триггера.
Правда, у меня и схема из статьи не взлетела :( Они все требуют тонкой настройки, если требуется другое напряжение питания.
0
схема из статьи — как раз по моему понимаю, тонкой настройки не требует. При повышении питания целесообразно просто уменьшить потребление. Думаю, со взлетом данной схемы проблем не должно быть. Единственный тонкий момент — нужно учитывать небесконечное обратное напряжение на БЭ транзистора (обычно оно в пределах -5В).
0
при выключении на базу Q3 подается напряжение обратной полярности, чтобы вырубить транзистор, который по цепочке вырубит и Q2. Вот здесь не нужно забывать, что чрезмерное обратное напряжение может вывести транзистор Q3 из строя. Других тонкостей не усматриваю
0
Это в теории. А на практике — на 12В не работает. Включается четко, выключаться отказывается. Надо отдать должное Celeron'у, он проанализировал схему глубже, чем я, и теперь вроде понятно, почему получилось именно так и что с этим делать.
Упрощенная схема, приведенная 1essor1 веждет себя аналогично — стабильно включается, но не выключается.
0
Угадай Автора по Большим БУКВАМ!
+1
Я тут не так уж и давно, а что с автором?
0
Скорее по злоупотреблнию ссылкаи и форматированием) И по общему количеству букв на простую схемку.
0
Основной недостаток подобных схем — плохая повторяемость, каждая схема требует индивидуальной подгонки-настройки, может перестать работать при изменении температуры-влажности, короче — я против.

Лучше D-триггер поставить. Результат будет тот же, а надежность гораздо выше.
+5
К D-триггеру еще потребуются средства борьбы с дребезгом. Я уже задумываюсь над PIC10F200, похоже он позволяет сделать самый дешевый, стабильный и компактный вариант :) Но ощущение «из пушки по воробьям» не покидает, заставляя экспериментировать с разными вариантами pololu switch'а…
0
Не помню точно, но вроде на втором триггере из корпуса как раз получается схема подавления дребезга. Но нужно поискать.
0
Охренеть,6-пиновый мк! А подобные есть у Atmel или ST, не в курсе?

Про воробьев и пушку… Смотря по какому критерию эту характеристику определять. Если сравнивать по микроминиатюрности, то эта крошка уделывает кучу транзисторов и резисторов, да и логику в минимальном корпусе SO14, ЕМНИП.
0
Уже нашел ATTINY10. Стоит несколько дороже PIC, но зато всеми любимая AVR =)
Я тут глянул, это ж идеальный контроллер для мелких задач — 12МГц, 4 порта ВВ, 4-канальный АЦП, есть аналоговый компаратор, 2 ШИМ канала.
0
только стОит как паровоз:)
0
Практически также как Tiny13, даже чуть дешевле.
0
ну так это смотря где:) вообще, из всех тини именно 13-я, на мой взгляд, единственная заслуживает внимания. ну и самое главное — 13-я шьется обычным программатором, а для 10-й надо еще МК2 искать:)

но базару нет — если нужна миниатюризация, то 10-я тинька весьма неплоха.
+1
Т.е. тини10 шьется только AVRISP MKII? Обычным USBASP не прокатит?
0
вроде да. ну сам глянь — у нее даже miso/mosi/clk нет:)
+1
Этот факт вмиг убил всю её привлекательность для меня, к сожалению.
0
Зачем же сразу отчаиваться
+1
Ну у меня железо USBasp, прошивка AVRDOPER, а мк шить хочется из 6ой студии. Так что поводы наверное есть)
0
Купи/собери еще один, прошей под TPI, для прошивки сделай кнопку для дудки в разделе Tools IDE'хи.
0
Слишком уж много возни из-за одного единственного мк)
0
Ну, кроме тини10 есть еще и ATXMEGA с PDI, который тоже в допере отсутствует, а вот асп вроде уже держит.
Но под пик тоже придется программатор добывать — хотя пиккит2 позволяет программировать почти все.
Зато мелкий МК. Тут как-то проскакивала ссылка на самолетик весом несколько граммов, в котором электроника как раз на PIC10F200 строилась.
0
Ну ATXMEGA меня тем паче не интересуюет) Я крепко подсел на STM(8 и 32), а в АВР меня только держит наличие мк с малым количеством ног, такого у ST нету. Просто иногда задача на практически пару портов ввода-вывода, где пригодились бы мелкие тиньки, а запаивать 48-ногий комень под это дело вломы. Несмотря на то, что стоят они примерно одинаково.
Вот поэтому хотелось и найти такой мелкий камушек, чтоб без лишних телодвижений его применять. Но видимо тини13 — наще все)
P.S. Про наличие STM в корпусе TSSOP20 в курсе.
0
Как вариант — STM8S003F3U6:
+ Цена в розницу хорошая. Но это пока, потом будет около 1 $.
+ Размеры 3х3 мм, т.е. чуть-чуть больше чем PIC10F200.
+ 8 кб Flash, 1 кб RAM. Значительно больше чем у конкурентов.
+ 16 GPIO.
+ Прошивка и отладка по 1 проводу.
+ Полноценный программатор/отладчик можно купить за 5$ у китайцев. Так же есть в составе отладочных плат discovery.
— Толщина контакта 0.25 мм, что в 2 раза меньше чем у PIC. Близко к пределу возможностей для ЛУТ.
— Контакты под корпусом, если не пропай или КЗ то сложно будет обнаружить и устранить.
— Компиляторы Си платные. Демо версии для любительской разработки до 8 кб можно использовать, но для комерческой нужно покупать.
— Напряжение питания 2.95-5.5В. AVR-ки и PIC-и от 2В работать будут.
0
А это не те контроллеры у которых ресурс флеша около 1000 перезаписей?
Ну и ходить по краю возможностей лута как-то не комильфо. Но в целом хороший камень, вполне может найти свое применение в определенных проектах.
-1
Они самые
0
SDCC уже оффициально вроде как поддерживает, но сам не пробывал. Да и оптимизация отсутствует напрочь. Но зато халява.
0
F3 ж вроде TSSOP20, а не QFN20?
ПИК хорош минимумом ресурсов. Хоть я и говорю, что лишние ресурсы — не страшно (при той же цене и размерах), но все же что-то мешает ставить МК с 8кб флеша туда, гже прошивка занимает сотню байт)
0
F3P6 — TSSOP, F3U6 — QFN.
0
О, действительно. Мне всегда казалось, что первая буква означает корпус, перечитал даташит — нифига подобного, только количество ног, а корпус обозначается третьей буквой.
В таком случае несущественна (в большинстве случаев) для любителей только последняя цифра, обозначающая, ЕМНИП, температурный диапазон…
0
ЕМНИП, у USBASP'а поддержка интерфейса тини10 есть, по крайней мере в некоторых модификациях.
0
и да — 13-я тинька тоже не такая уж дешевая стала, зараза. ну, это, в принципе, ко всем радиозапчастям относится:)
0
У нас в розницу в смд — от 56р, в интернетах думаю можно найти предложения чуть получше, но не намного. Микроконтроллер за 25р в розницу скорее миф, чем реальность =(
0
У нас в розницу в смд — от 56р

вот такая же херня. я тут под новый год с десяток заказов делал в чип-нн. делал и тихо охуевал — с каждым днем (это не фигура речи — именно каждый день, а иногда и по два раза на дню) цены увеличивались:)
0
Ну тогда такая истерия была, так что не удивительно)
0
0
ну так это ебэй:) я же про россию
0
Логика есть и в SOT23-6, скажем, одиночные элементы серии 74LVC1G.
По поводу аналогов — тини10, но пик200 дешевле. Есть и чуть более навороченный пик222, с АЦП.
0
Ну если есть, тогда взять JK триггер с соединенными входами, или D триггер, соединив D вход и ~Q, кнопку повесить на тактовую линию, а на Q затвор соответствующего полевика. Взлетит же?
Только есть некоторая проблема с дребезгом кнопки, но может простая RC-цепь поможет?
0
* забыл упомянуть — входы жк надо к единице подтянуть
0
Сейчас глянул по этим семействам, тогда лучше брать в ssop8 серия 74lvc2g. Там инверный вывод есть, инвенторы ставить не придется)
0
Примерно так?
0
или вот так?
0
Таких триггеров обычно два в корпусе микросхемы. Поищите подавление дребезга на триггере, дополните схему и будет примерно так.
На модели работает?
0
Я не нашел честно говоря подавление дребезга на D-триггере. Да и тригер собирался использовать одинарный крохотный — типа SN74LVC2G74DCUR. На модели я не знаю как симулировать размыкание замыкание кнопки — поэтому к CLK подключал генератор, который щелкает раз в 100мс со скважностью 2.
0
Либо можно, например, на шмитте сделать типа того:

Ну и шмитт тоже крохотный взять одиночный SN74LVC1G14DBVR.
0
Вот здесь правильно резистор.
0
Да, хороший вариант
0
А взлетит ли такой вариант? Типа переключатель, т.е. один из полевиков будет всегда открыт.

0
Попутал тут, Х4 надо подключать к источнику до R4, а не после.
0
Взлетит, да еще и со спецэффектами.
+1
Т.е. здесь буедт состояние когда оба из них открыты? Значич поидее нужно ввести некую задержку в цепь затвора X2 или Х5? ну чтобы было так Х1 открыт->оба закрыты-> Х4 открыт.
0
Вот тот вариант, что я хотел сначала показать.
0
Кондер на 1мкФ, AFAIK, быстро убьет кнопку (или при бОльших ли емкостях проблемы начинаются, не помню...).
И у этой схемы проблемы с питанием. Откуда ты собрался брать VCC, особенно если требуется нулевое потребление в выключенном состоянии?
При напряжениях до 15В лучше взять микру вроде 40хх, т.е. с питанием 3-15В.
0
Просто rc-цепочка неправильно сделана. При замыкании не подавляет дребезг, только при размыкании.
0
Брать например из крохотного стабилизатора в sot-23 от большого источника.
Либо в цепях уже будут те самые +5В. По поводу дребезга, просто я в модели тригер неудачный подобрал — мой по posedge переключается, т.е. дребезг при размыкании надо давить.
А вот про емкости можно поподробнее?
0
Просто нужно еще резистор от кнопки до конденсатора. Тогда и втекающий и вытекающий ток будет идти через резистор.
0
А ну вообщем-то да, верно)
0
Заряжаясь/разряжаясь через кнопку, кондер дает скачок тока и искорку, которые со временем кнопку убивают. Впрочем, инфа разряда «где-то слышал».
0
Брать например из крохотного стабилизатора в sot-23 от большого источника.
Становится сильно много деталек.
0
Ну все равно меньше чем 3-5 транзисторов и 10 резисторов, как на схеме в посте. Да и тем более откуда возникло условие нулевого потребления?) Может у меня там где-то в корпусе схема сидит питается 5ю вольтами, почему бы их оттуда не позаимствовать, чтоб более высоковольтную нагрузку то повключать/повыключать?..
0
У тебя получается 1-2 микросхемы и два транзистора, что уже не меньше.
Потребление может быть и ненулевым, но это отсекает применение схемы в батарейных приборах, что, пожалуй, составляет большую часть применений схемы (хотя, что забавно, мне такой выключатель тоже требовался в девайс с безлимитным питанием).
0
Ну разве эти микросхемы и транзисторы так много потребляют? Тем более как я понимаю, батарейное — это как правило до 5В, т.е. можно напрямую сажать микрухи на батарею.
Ну а если напряжение батарей повыше, то можно взять и более высоковольтную логику, как ты говорил выше, только вероятно её размеры тоже будут побольше.
0
А вообще, я тут задумался, зачем эти пару корпусов микросхем логики, защита от дребезга, схемы о 4 транзисторах и десятке резисторов? Более элегантно? Просто чтобы внутренний рационалист не талдычил, мол, зачем всюду контроллеры суешь, где и простой логики/транзисторов хватит?
Можно ведь просто взять и дубовую ATTINY13A-SSU поставить — защита от дребезга программная, при желании можно хоть переключатель на несколько контакных пар сделать) Вряд ли по площади меньше будет(с учетом трассировки питания и сигналов этой пары микросхем или пачки тразисторов) да и по стоимости ебэйные/аллишные тини еще дешевы. А кого их вообще вагон да маленькая тележка =)
0
Кстати, ни разу не видел такие выключатели в профессиональной технике, всегда ставят нормальную кнопку на сеть.
А такие варианты только в бытовой.
0
Ну для коммутации 220 эта схема работать то и не будет)
А для включения устройства вполне ставят и такие, тем более что часто устройство находится в дежурном режиме, запитанным внутри. Например, работал на осциллографе не за одну сотню тысяч рублей и он тоже включается маленькой кнопкой без фиксации.
0
Второй (2803) — лишний. Учитывая, что это переключалка с неопределенным начальным состоянием и то, что обычно батарейка меньше 5,5 В (для 74 серии), затвор «силового» транзистора можно подключить сразу к выходу триггера.
0
Не понял. А как я буду 5 вольтовым сигналом триггера закрывать силовой P-канал у которого на истоке напряжение в несколько раз больше 5 вольт?..

Или ты про ситуацию, когда источник источник один — батарейка, от которой и триггер питается, и её коммутировать надо?
0
Или ты про ситуацию, когда источник источник один — батарейка
Ну да. Места обычно не хватает в батарейных приборах. А нынче удобнее всего литий применять (2,9..4,2 В). Как раз SN74LVC2G74DCU идеально ложится под такую задачу и корпус всего чуть больше SOT-23.

А если еще нужен стабилизатор для питания логики, то ну его нах., его ведь еще микропотребляющим надо делать. Исходная схема (триггер на двух транзисторах), приведенная ТС, становится гораздо привлекательнее.
+1
Не обязательно рассматривать эту кнопку с позиции экономии места. Можно еще рассматривать с позиции эстетической стороны или например, пожаробезопасной(как это делается в статье, приведенной в первом комменте).

Возможно мне захочется иметь аккуратненькую кнопочку на лицевой панели, а не мощный тумблер или рокерный переключатель. А в таких применениях, как правило, питание не ограничено, либо все равно есть стабилизаторы, которые питают мк или прочие низковольтные приблуды.
0
Все равно ты УНИВЕРСАЛЬНОГО решения не найдешь. :)
У меня, например, во всех трех приборах, в которых применял подобное решение (триггер и силовой ключ), отключение производилось основным контроллером, поскольку требовалось записать некие параметры текущей сессии в EEPROM. Получалось что в одну сторону триггер перекидывается кнопкой, а в другую только сигналом от МК. И при таких условиях одна кнопка на перекидывание триггера и туда и сюда уже не годится совсем.
0
Я понимаю) Просто интересно знать в целом как решаются различные задачи такого класса, чтобы потом решить свой частный случай)

Я, например, делаю БП себе лабораторный для нужд насущных — цифровое управление, несколько каналов и все такое. Так вот у меня получается что внутри будут два отдельных источника — силовой и для питания управляющей части. Т.е. по включению в сеть (и включенном рокерном переключателе сзади по типу комповых БП АТ) будет всегда активен маломощный источник, а силовой источник разомкнут на уровне ~220В. И чтобы не тащить 220 через весь корпус на переключатель на лицевой панели для его включения, я вот как раз и думаю применить кнопку+триггер+ключ+реле, чтобы прокинул провода с безобидными 5В до кнопки и все. И внешний вид такой кнопки будет много более приятный чем брутальный переключатель.
0
Я, например, делаю БП себе лабораторный для нужд насущных — цифровое управление, несколько каналов и все такое

Знакомая тема. Похоже, все делают себе БП лабораторные. )))
0
Как правило, все в домашней хоббийной электронике начинается с контруирования БП.
Это я просто решил заменить свой первоначальный вариант на перемотанном ТС-180 с примененными LM317/337 на что-то посолидней =)
0
цифровое управление,
два отдельных источника — силовой и для питания управляющей части.
Непонятно, чего ты паришься с триггером. :) Поставил контроллер, навешал кнопок и/или энкодеров на входы, на выходы — релюшек и все дела.
Триггер интересен там, где приходится извращаться с дерганием самого себя за хвост. Или там где нет совсем мозгов (МК). Если в схеме есть МК, то вполне естественно использовать его как тот самый триггер. :) Примерно как здесь
POW — сигнал ОТ контроллера «удерживать включенным»
BTN — сигнал НА контроллер «нажатие кнопки».
При таком включении можно заставить пользователя выстукивать морзянкой «ВЫКЛ» для выключения. :)
0
Даже это не нужно. Всегда доступно дежурное питание, так что достаточно просто завести кнопку и сигнал управления источником на МК. Примерно как это сделано в ПК.
Реле тоже необязательно, если источник импульсный — у него обычно есть вход разрешения работы (либо его можно сделать, модифицировав цепь ОС).
0
У меня клон Минвела, но в импульсной схемотехнике я не разбираюсь особо, поэтому и не лезу. А человека который мне разжует и направит у меня нету.
А так решение наверное самое элегантное из-тех что можно мне применить, на мой взгляд.
0
В готовый блок, если нет штатного входа управления действительно лучше не лезть. Хотя через цепь ОС это делается довольно просто (нужно просто имитировать через нее, что на выходе у блока напряжение выше требуемого и источник заткнется сам).
А насчет кнопки с фиксацией — программное управление делается весьма просто и дает дополнительные фишки. Например, можно сделать автоотключение.
0
Вот чего-чего, а автотключения точно не будет. Меня весьма напрягает эта фишка в мультиметре — сразу как включаю, то первым делом её деактивирую. Только её ещё в блоке питания не хватало)
0
Я тоже сначала хотел заюзать мк, но потом мне чего-то стало лень тянуть провод к мк, тянуть от него — и я решил пойти в его обход. А сейчас, так получилось, что у меня появилась красивая кнопка с фиксацией, так что обойдусь реле и кнопкой) Но схемы оставил про запас, полюбому где-нибудь да пригодятся.
0
Сначала кстати не обратил внимание, но разве моделирование аналоговых цепей в Протеусе не извращение?)
0
Почему извращение-то? Нормально можно моделировать. Особых проблем нет. А смешанные схемы и подавно.
0
Ну видимо я неправильно его готовил. Ибо тормозило все страшно с одним то стабилизатором, парой оу и десятком резисторов. А цифровые вещи да — довольно шустро.
0
По сути, это два параллельных [КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ] каскада, замкнутые управлением один на другой
Эту штука называется «аналог тиристора», и, кстати, имеет такую же структуру — PNPN. Здесь, правда, он обвешан кучей резисторов, для снятия/подвода управляющих сигналов (нормальный тиристор закрыть сигналом управления нельзя).
0
  • avatar
  • Vga
  • 14 января 2015, 16:13
Я пару лет назад собирал подобную схему собственного сочинения, на 4 мосфетах (крошечных от NXP), даже думал статейку накатать, но потом подумал, что идея слишком глупая и не актуальная, а оно вона как бывает…
0
Ребята!
Подскажите пожалуйста.
При нажатии SW2, что раньше взрывается, Q4 или batery/
0
Кнопка SW2 на схеме — символическая, чисто для симуляции (там и подпись: «Software...»). На самом деле, Q4 будет управляться с выхода микроконтроллера. И конечно, у него будет либо токоограничивающий резистор на базе; или вообще, тут можно использовать МОП-транзистор; или даже, можно обойтись совсем без дискретного Q4, а коммутировать непосредственно портом МК, если мощность позволяет (об этом есть пара слов в оригинальном Патенте)…
0
Жаль.
0
Вот из какого-то советского журнала схема однокнопочного выключателя сети 220 В. Может кому пригодится.
+1
Любопытно. Правда, поляризованное реле — не самая распространенная деталька.
+1
Автор топика запретил добавлять комментарии