Включение – выключение устройств одной кнопкой без фиксации

Схемы электронных переключателей питания на транзисторах и микросхемах с близким к нулю потреблением в ждущем режиме

В современной электронной аппаратуре, работающей с автономными источниками питания, почти повсеместно используются электронные узлы, которые позволяют включать – выключать даже самые мощные устройства посредством одной слаботочной кнопки без фиксации.
В различных источниках можно найти много схем подобных узлов, но большинство из них в дежурном режиме, как правило, потребляет хоть и небольшой, но всё ж таки весьма ощутимый для автономного источника ток. И тут важно понимать, что биполярные транзисторы, находящиеся даже в режиме отсечки, за счёт более высоких токов утечки потребляют заметно больше энергии, чем аналогичные по мощности полевые и, прежде всего – MOSFET транзисторы с изолированным затвором.
Поэтому на повестке сегодняшнего дня: «Схемы электронных включателей–выключателей нагрузки на полевых MOSFET транзисторах», тем более, что эта тема подробно раскрыта на сайте буржуйского производителя компьютерных продуктов – mosaic-industries.com.

Начнём с цепей переключения питания ON–OFF, построенных на цифровых КМОП микросхемах.

В данной схеме можно использовать любые логические элементы CMOS, включая: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, инверторы или триггеры Шмитта.
В момент подачи напряжения конденсатор на входе первого вентиля (10n) "замыкается" на землю, что обеспечивает фиксацию высокого уровня на выходе DD1.1 и, соответственно, на затворе силового MOSFET транзистора.
Транзистор закрыт, напряжение на выход не проходит.
Одновременно с этим на выходе вентиля DD1.2 образуется низкий уровень, который через резистор поступает на вход DD1.1 и поддерживает данное состояние защёлки после отпускания кнопки.
Конденсатор ёмкостью 1 МкФ, зарядившись через верхний резистор, накапливает на верхней обкладке напряжение высокого уровня. При замыкании контактов кнопки этот высокий уровень поступает на вход DD1.1, что приводит к появлению на его выходе напряжения низкого уровня и, соответственно, к открыванию силового транзистора. Транзистор открывается, напряжение питания через малое сопротивление открытого канала (0.02...0.04 Ом) проходит на выход устройства.
Одновременно с этим на выходе вентиля DD1.2 устанавливается высокий уровень, который, опять же, через резистор поступает на вход DD1.1, где и поддерживает данное состояние защёлки после размыкания кнопки.
При этом на верхней обкладке конденсатора 1 МкФ устанавливается напряжение низкого уровня.
А далее всё по кругу.

Р-канальный MOSFET транзистор может быть любым, исходя из того, чтобы он допускал пиковые токи нагрузки, а его напряжение отсечки (gate threshold voltage) было, как минимум, вдвое меньше минимального напряжения питания.

Для того чтобы не возникало ситуаций, когда питание может быть отключено случайным нажатием кнопки, в некоторых устройствах включение производится кратким нажатием кнопки, а выключение – более длительным удержанием.
На Рис.2 показан переключатель ВКЛ–ВЫКЛ, реализующий данную функцию.
Для включения переключателя (открывания транзистора) на верхний вход DD1.2 необходимо подать низкий уровень, что при нажатии кнопки происходит моментально (через верхний разделительный конденсатор).
Для выключения – подать низкий уровень на верхний вход DD1.1, что при замыкании кнопки будет происходить медленно с задержкой, определяемой номиналами интегрирующей RC-цепи (в нашем случае: 5 МОм и 1 МкФ).

При отсутствии желания использовать в составе электронных переключателей питания логические элементы, данные устройства можно выполнить на двух полевиках разной проводимости. На Рис.3 и Рис.4 приведены схемы на сдвоенных полевых MOSFET транзисторах, позволяющих коммутировать токи до 4 А.

На Рис.3 изображена схема включения–выключения с моментальной реакцией на нажатие кнопки.
Размещение кнопки управления в цепи обратной связи приводит к возможному сбою в тех случаях, когда устройство управляет мощными ёмкостными нагрузками. Такие ситуации могут возникнуть, если переключатель подаёт питание на нагрузку с большими сглаживающими конденсаторами в цепи питания, а сама нагрузка не потребляет достаточного тока для быстрой разрядки этих конденсаторов. Один из способов предотвратить этот режим – включить резистор и диод Шоттки последовательно с нагрузкой.

Схема, приведённая на Рис.4, реализует функцию необходимости удержания кнопки при выключении питания точно так же, как и схема, изображённая на Рис.2. При этом в отличие от предыдущей конструкции (Рис.3) недостатков при работе с ёмкостными нагрузками она лишена.