Электронный выключатель, управляемый одной кнопкой

Выключатели, позволяющие управлять нагрузкой с помощью одной кнопки, могут быть практичны и удобны в эксплуатации. Применение подобных выключателей позволяет уменьшить число управляющих кнопок, а также сократить число проводов, используемых для цепей управления.

Подавляющее большинство схем подобных выключателей строится либо с применением тиристоров и электромагнитных реле [1], либо на основе D-триггеров, работающих в счётном режиме [2]. Такие выключатели работают по принципу импульсного реле, т. е. изменяют состояние подключённой к ним нагрузки после каждого нажатия на кнопку.

Выключатель, описание которого предлагается вниманию читателей, работает по несколько иному принципу. При кратковременном нажатии на управляющую кнопку подключенная к нему нагрузка будет включена, а длительное удержание кнопки в нажатом состоянии приводит к отключению нагрузки. В качестве исполнительного элемента, коммутирующего цепь питания нагрузки, использовано электромагнитное реле, а управление выключателем возможно как с помощью кнопки, расположенной на корпусе, так и дистанционно с помощью транзисторной оптопары, обеспечивающей гальваническую развязку цепи управления от сети 230 В.

Схема устройства приведена на рис. 1. При подаче питающего напряжения конденсатор СЗ начинает заряжаться через резистор R7, а конденсатор С4 — через резистор R8 и диод VD11. При этом на время зарядки конденсатора С4 на выходе элемента DD 1.3 устанавливается высокий логический уровень, запрещающий переключение триггера, образованного элементами DD1.3, DD1.4 и резистором обратной связи RIO. По окончании зарядки конденсатора С4 на выводе 2 элемента DD1.3 появляется высокий логический уровень и устройство переходит в исходное состояние.


При нажатии на кнопку SB1 конденсатор СЗ быстро разряжается, и на выходе элемента DD1.1 появляется высокий логический уровень, переключающий триггер на элементах DD1.3. DD1.4 в единичное состояние. Высокий уровень напряжения с выхода элемента DD1.4 открывает полевой транзистор VT 1, в результате чего включается электромагнитное реле К1. После отпускания кнопки на выходе элемента DD1.1 снова устанавливается низкий логический уровень, но триггер продолжает оставаться в единичном состоянии.

Для того, чтобы отключить нагрузку, необходимо удерживать кнопку SB1 в нажатом состоянии При этом напряжение в точке соединения анодов диодов VD10, VD11 и резистора R8 уменьшается до 0,7 В, поэтому конденсатор С4 начинает разряжаться через резистор R9. После того как напряжение на конденсаторе С4 станет ниже порога переключения элемента DD1.3, на его выходе появится высокий логический уровень и триггер переключится в нулевое состояние. В результате транзистор VT1 закроется и реле К1 отключится.

После отпускания кнопки SB1 конденсатор С4 заряжается через резистор R8 и диод VD11, и по достижении на конденсаторе напряжения переключения элемента DD1.3 устройство снова будет готово к повторному включению. Длительность разрядки конденсатора С4 через резистор R9 определяет время, требующееся для отключения устройства, т. е. продолжительность удержания управляющей кнопки SB1 в нажатом состоянии. Фототранзистор оптопары U1, включённый параллельно кнопке, позволяет осуществлять дистанционное управление выключателем от источника постоянного напряжения, гальванически изолированного от сети 230 В.


Светодиоды HL1—HL3 служат для индикации состояния устройства. Когда конденсатор С4 заряжен, а триггер на элементах DD1.3, DD1.4 в нулевом состоянии, на выходе элемента DD1.2 присутствует низкий логический уровень и включён светодиод HL1 "Сеть", сигнализирующий о готовности устройства к включению. После кратковременного нажатия на кнопку SB 1 триггер на элементах DD1.3, DD1.4 переходит в единичное состояние, и на выходе элемента DD1.3 появляется низкий логический уровень, в результате чего светодиод HL2 включается, a HL1 гаснет, так как падение напряжения цепи HL2VD17 меньше падения напряжения на цепи HL1VD14VD15VD16.

При отключении нагрузки низкий уровень напряжения на выходе элемента DD1.2 сменяется высоким, поэтому светодиод HL1 отключается. Так как на выходе элемента DD1.3 при разряженном конденсаторе С4 также присутствует высокий уровень напряжения, светодиод HL2 отключается, и включается светодиод HL3 "Блокировка", сигнализирующий о том, что кнопка SB1 продолжает оставаться нажатой. После отпускания кнопки и зарядки конденсатора С4 светодиод HL3 гаснет, и снова включается светодиод HL1.

Для обеспечения правильной работы индикации должно выполняться условие

Uhlo * Цюго > Uhm * Utom + tlvois + Uvoie > > UKL2 + Uvoi7. где Ux» — напряжение на соответствующем элементе. Руководствуясь этим условием, выбирают нужное число диодов, включённых последовательно со светодиодами, добиваясь отсутствия подсвечивания отключенных в данном режиме работы устройства светодиодов. Однако следует иметь в виду, что напряжение цепи HL3VD20 не должно превышать напряжения стабилизации стабилитрона VD9.

Микросхема получает питание от бестрансформаторного источника, образованного диодным мостом VD1 — VD4, гасящим резистором R4 и стабилитроном VD9. Конденсатор С1 сглаживает пульсации питающего напряжения, конденсатор С2 — блокировочный в цепи питания микросхемы. Диод VD8 предотвращает разрядку конденсатора С1 в моменты перехода сетевого напряжения через ноль, а резистор R6 обеспечивает быструю разрядку конденсатора С1 после отключения устройства от сети. Индикаторные светодиоды HL1—HL3 питаются через гасящий резистор R3, а диод VD13 защищает выходы микросхемы от повреждения при обрыве цепи одного из светодиодов.

Электромагнитное реле К1 получает питание от однополупериодного выпрямителя, образованного диодом VD5 и токоограничивающим резистором R2. Диод VD21 защищает полевой транзистор от противо-ЭДС, возникающей в момент прерывания тока через обмотку реле, а диоды VD18 и VD19 ограничивают напряжение на затворе транзистора. Диод-супрессор VD6 защищает элементы устройства от кратковременных всплесков сетевого напряжения, резистор R1 ограничивает ток через излучающий диод оптопары, а диод VD7 защищает излучающий диод от обратного напряжения.

Детали устройства, за исключением предохранителя FU1, диодов VD1 —VD6, VD21, резисторов R2—R4, R6 и реле К1, размещены на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм, чертёж которой приведён на рис. 2 Для обеспечения надежной гальванической развязки между входной цепью оптопары и остальными элементами устройства в печатной плате выполнены прорези. Конденсатор С1 установлен параллельно, а диоды VD14—VD16 — перпендикулярно поверхности платы. Диоды VD10, VD11 также установлены перпендикулярно плате, их аноды спаяны между собой, и к точке соединения анодов припаян нижний по схеме вывод резистора R8.


Вывод стока транзистора VT1 перед монтажом на плату удаляют, а проводник, идущий к реле К1 и аноду диода VD21, подключают непосредственно к теплоотводящему фланцу транзистора. Для подключения проводников, идущих к кнопке и светодиодам, в плату впаяны штыри от разъемов, а на концах проводников смонтированы соответствующие гнёзда. Если в использовании разъёмного подключения нет необходимости, провода, идущие к кнопке и светодиодам, можно впаять непосредственно в отверстия печатной платы. Внешний вид смонтированной платы приведён на рис. 3.

В авторском варианте устройство смонтировано в корпусе от модуля защитного отключения МЗО-11. От этого модуля использовано также электромагнитное реле, имеющее две группы контактов на переключение. Предохранитель FU1, диоды VD1—VD6. резисторы R2—R4 смонтированы на пластине из полистирола, на которой с помощью стоек также закреплена печатная плата устройства. Диод VD21 смонтирован непосредственно на выводах реле, а кнопка и индикаторный светодиод установлены на верхней прозрачной крышке корпуса. Вид на монтаж устройства приведён на рис. 4. а внешний вид устройства в сборе — на рис. 5

В устройстве можно применить резисторы любого типа, при этом мощность резисторов R2—R4 должна быть не менее 1 Вт, а лучше — 2 Вт. Неполярные конденсаторы — К10-7В или К10-17, оксидный конденсатор С1 — К50-35 или импортный, конденсатор С4 — танталовый ТЕСАР или керамический К10-17.

Диоды 1 N4007 можно заменить любыми диодами с допустимым обратным напряжением не менее 400 В и прямым током не менее 100 мА. например 1 N4004-1 N4007. Стабилитрон VD9 — любой маломощный с напряжением стабилизации 8...12 В и допустимым рабочим током не менее 10 мА, стабилитрон VD20 — с напряжением стабилизации 4.6 В. Защитный диод VD6 — любой с напряжением открывания порядка 400 В, остальные диоды — любые маломощные выпрямительные или импульсные, например, серии КД521 или КД522.

Вместо микросхемы CD4093BE можно применить микросхему К561ТЛ1, полевой транзистор IRF840 можно заменить транзистором IRF740 или использовать отечественные транзисторы серии КП707 с любым буквенным индексом. Транзисторная оптопара U1 — АОТ128 с любым буквенным индексом или другая с допустимым напряжением вход—выход не менее 1000 В. В том случае, если фототранзистор используемой оптопары не имеет отдельного вывода базы, резистор R5 не устанавливают. Светодиоды — любые сверхь-яркие желаемого цвета свечения, автор применил трёхцветный светодиод с общим анодом. Кнопка — любая подходящая с самовозвратом, рассчитанная на работу при сетевом напряжении.

Реле К1 — РП21-УХЛ4, имеющее номинальное напряжение обмотки 110 В и её сопротивление 6,4 кОм. Подборкой резистора R2 ток через реле установлен равным 6.5 мА, поэтому его обмотка в процессе длительной работы не перегревается. Если нагрузка, которой управляет устройство, способна питаться постоянным напряжением и потребляет ток не более 8 А, ее можно включить непосредственно в цепь стока полевого транзистора, исключив из схемы электромагнитное реле. При таком подключении диоды VD1—VD4 должны быть рассчитаны на ток, потребляемый нагрузкой, а транзистор следует установить на теплоотвод.

Собранное правильно и из исправных деталей устройство начинает работать сразу. Налаживание сводится к установке желаемого времени удержания кнопки, требующегося для отключения нагрузки. Делают это путем подборки резистора R9 и, при необходимости. конденсатора С4. При указанных на схеме номиналах элементов время удержания кнопки, требующееся для отключения нагрузки. — около 1,5 с, а время возврата устройства в исходное состояние после отпускания кнопки — 0,5 с. Последний параметр при необходимости можно изменить, подбирая резистор R8.

Яркость свечения светодиодов HL1—HL3 можно изменить путём подбора резистора R3, а в случае нежелательного слабого свечения одного из светодиодов HL1 или HL2 следует увеличить число последовательно включённых с ними диодов.

Напряжение, которое можно подавать на вход внешнего управления устройства (контакты ХТЗ, ХТ4), — 5. 20 В Оно зависит от сопротивления и мощности рассеяния резистора R1. В том случае, если входное напряжение необходимо увеличить, на месте R1 следует установить резистор большей мощности и, при необходимости, большего сопротивления. или использовать дополнительный внешний резистор.

Следует отметить, что для нормальной работы устройства на контакты ХТЗ. ХТ4 следует подавать либо постоянное, либо выпрямленное (пульсирующее с частотой 100 Гц) напряжение. В случае подачи на вход управления переменного напряжения выключатель включится, но отключение будет невозможно, так как конденсатор С4 в этом случае успевает заряжаться в моменты закрывания фототранзистора оптопары U1. Для того чтобы иметь возможность полноценно управлять выключателем от источника переменного тока, можно увеличить сопротивление резистора R8, добиваясь устойчивого отключения устройства Но можно поступить проще — установить на входе управления диодный мост, выпрямляющий входное напряжение. Диод VD7 в этом случае можно исключить.

Выключатель может найти самое различное применение. С его помощью можно организовать управление освещением. отоплением, вентиляцией, а также другими нагрузками. Несомненным преимуществом выключателя является то, что для управления им используется только одна линия. Это позволяет сократить число соединительных проводов, а также использовать выключатель совместно с устройством дистанционного управления [3], имеющим ограниченное число выходов.

Используя свойство выключателя отключаться при длительной подаче на контакты ХТЗ. ХТ4 управляющего напряжения, можно построить устройство, блокирующее подачу напряжения на нагрузку (например, электроинструмент) в том случае, если контакты встроенного в нее выключателя замкнуты. Подобный принцип работы имеет устройство блокировки включения электроинструмента, описанное в (4].

Для того чтобы превратить выключатель в устройство блокировки, его необходимо включить согласно схеме, приведённой на рис. 6 После подачи сетевого напряжения контакты К 1.1 устройства разомкнуты, поэтому цепь управления (контакты ХТЗ, ХТ4) включена последовательно с нагрузкой. В том случае, если контакты выключателя SA2, встроенного в нагрузку, замкнуты, через цепь управления протекает ток. вызывающий включение оптопары U1, которая блокирует зарядку конденсатора С4. При этом светит светодиод HL3 "Блокировка", а включение нагрузки с помощью кнопки SB1 невозможно.

Для того, чтобы подать напряжение на нагрузку, следует разомкнуть контакты выключателя SA2 и, дождавшись включения светодиода HL1, вновь включить этот выключатель В результате контакты реле К1 подадут напряжение на нагрузку и одновременно с этим шунтируют цепь управления устройства, исключая его дальнейшее влияние на работу всей системы. После отключения и повторной подачи сетевого напряжения устройство снова заблокирует включение нагрузки при замкнутых контактах выключателя SA2. Резистор R12 ограничивает ток, протекающий в цепи управления, а диодный мост VD22 выпрямляет управляющее напряжение.

Такое устройство блокировки можно установить после выключателя, подающего напряжение на розетки, установленные в гараже или мастерской, что позволит исключить несанкционированное включение электроинструмента или другой нагрузки. Устройство также заблокирует подачу напряжения в том случае, если между фазным и нулевым проводниками защищаемого участка сети или между фазным проводом и "землёй" имеется утечка тока, величина которой превышает порог срабатывания оптопары. В том случае, если чувствительность устройства к утечкам тока необходимо снизить, параллельно контактам ХТЗ, ХТ4 следует включить резистор. сопротивление которого (в килоомах) вычисляют по формуле
R = ишя/1мл. где Uwn — напряжение включения излучающего диода оптопары (для ЛОТ 128 IU* =1,6 В); I..A — требуемый ток включения оптопары, мА


Если контакты ХТЗ, ХТ4 подключить параллельно нагрузке (на рис. 6 выделено красным цветом), устройство превращается в таймер, включающий нагрузку после нажатия на кнопку SB1 на время, определяемое длительностью разрядки конденсатора С4 через резистор R9. Такой таймер удобно использовать для управления нагрузкой. требующей подачи напряжения питания на строго определённый интервал времени, например, для включения трансформатора аппарата контактной (точечной) сварки. В том случае, если выдержку времени требуется регулировать, на месте резистора R9 следует установить переменный резистор и, при необходимости, изменить емкость конденсатора С4.