Современные мощные ключевые полевые транзисторы отличаются очень низким сопротивлением канала в открытом состоянии, зачастую даже ниже сопротивления замкнутых контактов электромагнитного реле или механического выключателя, ведь на сопротивление механических контактов влияет коррозия, загрязнение, подгорание. Этих недостатков у ключевого полевого транзистора нет. К тому же низкое сопротивление открытого канала, даже при значительном токе и большой мощности нагрузки, делает рассеиваемую мощность на транзисторе самой минимальной. Поэтому, зачастую, для коммутации киловаттных нагрузок ключевому полевому транзистору не требуется даже простейшего радиатора.
Здесь приводится схема электронного переключателя двух нагрузок напряжением питания от 5 до 20 В при токе до 20 А. Основой схемы являются два ключевых полевых транзистора APM2556NU, у которых сопротивление открытого канала не превышает 0,006 Ом. Это значит, что при напряжении 20 В и токе нагрузки 20 А (то есть, при мощности нагрузки 400 Вт) мощность на открытом канале транзистора не превысит 2...4 Вт.
Переключатель управляется двумя квазисенсорными (без фиксации) кнопками, кратковременным нажатиями которых можно переключать нагрузки. Одновременно нагрузки включить нельзя, даже при одновременном нажатии обеих кнопок обе нагрузки выключаются. Есть аварийный вход блокировки, при подаче на который напряжения от напряжения питания до 50 В выключаются обе нагрузки. Этот вход можно использовать в различных защитных цепях, когда нужно экстренно отключить любую из включенных нагрузок, и возможность их включения кнопками заблокировать.
Нагрузки подключаются между плюсом питания и соответствующим выходом схемы. Состояние переключателя индицируется двумя светодиодами.
Принципиальная схема показана на рисунке.
Устройством управления служит RS-триггер на микросхеме D1 Выводы 2 и 12 служат для переключения устойчивых состояний триггера. Эти выводы через резисторы R1 и R3 подтянуты к нулю. Сопротивление резисторов взято относительно маленьким (обычно в таких схемах используют резисторы на десятки-сотни килоом). В первом варианте стояли резисторы на 56 кОм, но в последствии выяснилось что в момент включения мощной нагрузки возникает имульс-помеха которая сбрасывает триггер и переводит схему в автоколебательный режим. Чтобы этого не происходило сопротивление входов триггера пришлось понизить путем снижения сопротивления подтягивающих резисторов, а так же дополнительно установить конденсаторы С2 и С3, повышающие стабильность работы триггера в условиях импульсных помех.
Нажатие кнопки S2 приводит к появлению логической единицы на выводе 13. Транзистор VT2 открывается и включает нагрузку 2. При этом на выводе 1 - ноль, поэтому VT1 выключен и нагрузка 1 соответственно тоже выключена. При нажатии кнопки S1 единица появляется на выводе 1 D1 и открывается транзистор VT1 нагрузка 1 включается, а на выводе 13 появляется ноль, поэтому нагрузка 2 выключается. Резисторы R6 и R7 нужны для снижения влияния емкости затвора полевого транзистора на выход микросхемы. Емкость затвора довольно высока, поэтому при резком изменении на нем напряжения имеет место довольно большой ток зарядки этой емкости. Резисторы ограничивают этот ток до безопасного для микросхемы уровня. Диоды VD3 и VD4 помогают разряжать емкость затвора при закрытии транзистора.
Соединенные вместе выводы 3 и 11 используются для создания точки блокировки. Эти выводы резистором R2 подтянуты к нулю, поэтому пока на входе блокировки нет напряжения (или это напряжение мало) они не влияют на работу триггера. Но при подаче на них напряжения уровня логической единицы происходит принудительный перевод обоих элементов D1.1 и D1.2 в состояние логического нуля на выходе. То есть, когда на данной точке логическая единица обе нагрузки выключены независимо от предшествующего состояния.
Напряжение, поступающее на вход блокировки может поступать от какой-то схемы или системы блокировки. Величина этого напряжения, желательно, не должна быть больше напряжения питания схемы. Однако, наличие стабилитрона VD1 и резистора R4 позволяет использовать для блокировки напряжение до 50 В включительно (можно и больше, но есть опасность повреждения стабилитрона, а вслед за ним, и микросхемы).
Напряжение питания нагрузки может быть от 5 до 20 В. При этом напряжение питания микросхемы не должно превышать 15 В. Для уменьшения максимального напряжения питания D1 установлена цепь R5-VD2. Эта цепь при питании от источника более 15 В работает как параметрический стабилизатор и не допускает превышения напряжения на микросхеме. При питании напряжением ниже 15 В схема не работает как стабилизатор, так как стабилитрон закрыт, а только совместно с С1 как блокировочная RC-цепочка по цепи питания.
Снижать напряжение ниже 5 В нельзя, так как при этом напряжение на затворе открытого транзистора окажется недостаточным для его полного открывания. Канал транзистора откроется не полностью, то есть будет иметь более высокое сопротивление, а это приведет к тому, что мощность, рассеиваемая на нем резко возрастет, что может привести к повреждению транзистора.
При монтаже нужно обеспечить достаточную ширину дорожек, идущих к стоку и истоку транзисторов от нагрузки и от минуса питания. Монтажные проводники тоже должны быть достаточно толстыми. Проводники схемы управления на D1 могут быть тонки, то есть, любой разумной толщины, так как там ток небольшой.
Транзисторы APM2556NU можно заменить другими с аналогичными характеристиками. Если транзисторов с столь низким сопротивление открытого канала пробрести не удается, но есть транзисторы с вдвое большим сопротивление - можно вместо одного транзистора использовать два включенных параллельно. Либо работать на более низком максимальном токе, либо использовать радиатор для отвода избытка тепла.
Стабилитроны BZV55C15 можно заменить на 1N4744A, КС215, КС515, Д814Д. В принципе, здесь можно использовать любые стабилитроны на напряжение не ниже 10 В и не больше 15 В.
Микросхему К561ЛЕ6 можно заменить аналогом CD4002 или микросхемой К561ЛЕ10 (аналог CD4025). Микросхема К561ЛЕ10 отличается тем, что у нее есть три трех-входовых элементов ИЛИ-НЕ. Два используются в этой схеме, а один лишний остается свободным. Чтобы он не повредился статическим электричеством входы свободного элемента нужно соединить с 7 или 14 выводом микросхемы. Все элементы микросхемы физически взаимосвязаны, поэтому даже повреждение ненужного элемента может отрицательно сказаться и на других элементах микросхемы. Еще можно использовать микросхему К561ЛП4, в ней есть два трех-входовых элемента ИЛИ-НЕ и один одно-входовый инвертор, он остается свободным (его вход соединить с выводом 7 или 14).
Диоды 1N4148 можно заменить практически любыми маломощными импульсными диодами, например КД522.
Варистор FNR05K220 можно заменить любым варистором на напряжение около 20 В.
Светодиоды - любые индикаторные.
Собранное без ошибок устройство, при исправности всех деталей налаживания не требует.
Автор: Лыжин Р.