Interruptor de encendido de enclavamiento suave

Creo que por estabilidad y tal vez incluso por simplicidad, comenzaría probando dos condensadores. (Sin embargo, a menudo uso un MOSFET+BJT con un condensador durante un período de encendido cronometrado, donde el MOSFET+RC es vital para mantenerse más fiel a la suposición de tiempo RC). Uno de ellos para garantizar un estado de encendido constante.

Pero tal vez algo como esto?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Sí, es un interruptor de lado alto. Pero puede realizar fácilmente el cambio para convertirlo en un interruptor de lado bajo. (Simplemente fue más fácil para mí escribir esto más rápidamente con la polaridad opuesta).

ENCENDIDO + ESTADO QUIESCENTE INICIAL

Inicialmente, en el encendido, ambos$C_1$y$C_2$aún no están cargados y por lo tanto$C_2$inicialmente mantiene la base de$Q_2$conectado a tierra y APAGADO . Mientras tanto,$C_1$podría comenzar a cargarse porque no está conectado a la base de$Q_1$(interruptor momentáneo, ¿verdad?) Pero esto depende del estado de$Q_1$, que debido a la ruta a través de$R_5$,$R_4$, y$R_6$en realidad se enciende , de inmediato (sin demora del condensador involucrado). Por lo tanto, la condición de encendido es confiable:$Q_1$ ENCENDIDO y$Q_2$ APAGADO _ Además, en este estado con$Q_1$ ENCENDIDO , ambos$C_1$y$C_2$se llevan a cabo "cerca del suelo".

Con$Q_2$ APAGADO , en el encendido, un circuito diseñado correctamente también debería tener la CARGA sin energía , por defecto, porque ahora$R_5$es libre de levantarse$Q_3$la base y manténgala también APAGADA . Creo que este es el comportamiento deseado y esperado.

(Esto supone que la corriente llega a la base de$Q_1$a través de$R_5$,$R_4$, y$R_6$no es suficiente para causar una caída de voltaje a través$R_5$eso se convertiría$Q_3$ ENCENDIDO , por supuesto. Sin embargo, esto se logra fácilmente porque$Q_1$El colector de solo está hundiendo una corriente muy modesta determinada por$R_3$y por lo tanto no necesitará una corriente base considerable a través de$R_5$. [Fácilmente arreglado para evitar girar$Q_3$ ON .] Cuando$Q_3$está encendido , por supuesto, entonces$Q_2$El colector debe hundir toda la corriente base necesaria de$Q_3$y eso causará una caída de voltaje a través$R_5$.)

El estado de reposo debe llegar con solo un voltaje muy pequeño a través$C_1$y$C_2$(básicamente, cualquiera que sea la$V_{\text{CE}_\text{SAT}}$de$Q_1$permisos, y no más que eso.) Entonces ambos capacitores permanecen descargados , para comenzar, y$Q_1$está ENCENDIDO (debido a la ruta a través de$R_5$,$R_4$, y$R_6$) y$Q_2$está APAGADO .

PRIMER CAMBIO DE ESTADO

Cuando el interruptor momentáneo se presiona por primera vez, se descarga$C_1$inmediatamente tira hacia abajo de la base de$Q_1$, causando$Q_1$para apagar (por un momento.) con$Q_1$ APAGADO por un momento,$R_3$y$R_2$cargar$C_2$al requerido$V_\text{BE}$de un estado saturado ( ON ) de$Q_2$. Entonces$Q_2$ahora se enciende y tira hacia abajo en la base de$Q_1$a través de$R_6$. esto mantiene$Q_1$ APAGADO a pesar de que el interruptor momentáneo se mantiene activado. También con$Q_2$ ENCENDIDO , ahora se extrae suficiente corriente a través de$R_5$y$R_4$que la caída de voltaje a través$R_5$encender$Q_3$y ahora la CARGA está encendida.

Cuando se libera el momentáneo,$Q_1$permanece APAGADO porque$Q_2$está ENCENDIDO y sosteniendo$Q_1$ APAGADO vía$R_6$. Además, una vez liberado,$C_1$se le permite cargar hacia arriba ahora a través de$R_3$y$R_1$. Este voltaje se debe arreglar por diseño para que sea suficiente (más que, digamos,$800\:\text{mV}$) que cuando el interruptor momentáneo se cierra de nuevo que$Q_1$se encenderá ( a diferencia de esta vez cuando$C_1$fue mayormente dado de alta y convertido$Q_1$ APAGADO .)

Así que en este estado ON de$Q_3$(y la CARGA alimentada), desea asegurarse de que la caída de voltaje a través$R_3$(al suministrar corriente base para el saturado$Q_2$) deja tensión suficiente para que$C_1$tendrá un voltaje suficientemente alto mientras se carga desde ese nodo y a través de$R_1$.

SEGUNDO CAMBIO DE ESTADO

En este punto,$C_1$se carga por encima de lo que se requiere para convertir$Q_1$ ENCENDIDO cuando el interruptor momentáneo se vuelve a conectar, nuevamente. Hacerlo ahora causa$Q_1$se ENCIENDA y que su colector baje por un momento y por lo tanto se descargue$C_2$y turno$Q_2$ APAGADO , devolviendo el estado de cosas a donde estaba en el encendido.

NOTAS DE DISEÑO

No proporcioné valores para nada. Esto se debe a que dependen de los requisitos actuales de LOAD y de muchos otros detalles que no ha proporcionado. Pero el enfoque general anterior se puede adaptar a la mayoría de las situaciones sin mucha dificultad. Es solo un proceso paso a paso. Su CARGA representa una cierta corriente, que requiere una cierta corriente base y$V_\text{BE}$caída de tensión Esta corriente base establece la corriente del colector para$Q_2$cuando está ENCENDIDO . Eso mismo requiere una corriente de base diferente para$Q_2$para ser alimentado a través del divisor$R_2$y$R_3$. El voltaje del nodo divisor debe estar por encima del voltaje requerido para encender$Q_1$ ON , por lo que ayuda a establecer sus valores relativos. Y hay otros detalles para configurar todos los valores de resistencia. Pero tienden a caerse a medida que trabaja en los detalles del diseño.

Además, existe la posibilidad de que el interruptor momentáneo rebote. Por lo tanto, también deberá preocuparse por eliminar el rebote del interruptor. Se necesita un ancho de pulso mínimo para hacer la transición (establecido por sus opciones de resistencia y capacitor). Puede arreglar esto fácilmente para que ignore los pulsos de conmutación estrechos y requiera una retención "suficientemente larga" para hacer la transición y alternar. acción.

La misma topología que se muestra arriba también se puede hacer para que funcione con MOSFET:

^{simular este circuito}

En el caso anterior,$R_3$se puede hacer mucho más grande y esto puede reducir en gran medida la corriente de reposo (retención) para el estado APAGADO del interruptor. (El circuito aún depende de$Q_1$estando ENCENDIDO y$Q_2$estar APAGADO , cuando está inactivo/APAGADO, lo que significa que su voltaje de suministro estará a través$R_3$en este estado.)

Detalles del circuito como parásitos y empeoramiento de la saturación beta para$Q_2$a corrientes de colector muy bajas será la limitación. Diría que diseñar alrededor de$10\:\mu\text{A}$sería fácilmente alcanzable sin tales consideraciones. Y que se podría tener menos, con un poco de pensamiento para ellos.

Actualmente, C1 se carga de 0 a Q3Vbe antes de que Q3 se encienda, pero solo necesita descargarse entre 50 y 100 mV para apagar Q3. Esto hace que la palanca sea muy asimétrica.

Reemplace Q3 con un FET P-chan para permitir que C1 se cargue a un voltaje más alto. Ahora tiene un retardo RC de 0 - VGS(th) y una descarga de V+ - VGS(th). Si el VGS (th) es aproximadamente la mitad de su suministro, obtendrá un ciclo de trabajo cercano al 50%.

Suponiendo que está activando o desactivando un suministro de 5 V, cualquier FET con un VGS (th) de alrededor de 2,5 V estaría bien... tal vez algo como un TP2104 podría ser adecuado.

Si realmente desea garantizar un ciclo de trabajo del 50 %, necesita un punto de umbral de conmutación confiable. fácil de hacer, pero ciertamente más complejo.

El problema básicamente va en la dirección de lo que ha señalado Jack Creasey. Encontré la solución solo simulando el circuito con LTSpice. Todo lo que se dice a continuación se aplica a mi voltaje de funcionamiento elegido de 8 voltios.

1. Aparte de la fase inicial en la que C1 se carga de 0 a V(BE,Q3), el voltaje de C1 oscila solo ligeramente alrededor de V(BE,Q3) ~ 0,8 voltios si el botón se mantiene presionado y, por lo tanto, el potencial de tierra de salida (GND) oscila entre 0 y 8 Voltios (rectangularmente). Este es el modo para el que quiero simetrizar la oscilación.

2. Cuando C1 se descarga (que es el caso cuando el MOSFET Q1 está apagado), la corriente básicamente toma dos caminos: a) sobre R4 y luego R3+R5 y RLOAD, que para una RLOAD pequeña asciende principalmente a ~R4, y b) sobre la base -diodo emisor de Q3, cuya corriente es inicialmente bastante alta, pero disminuye exponencialmente rápido a medida que C1 se descarga cada vez más; por lo que Q3 no contribuye casi en nada a la descarga de C1 y es prácticamente todo el negocio de R4

3. Entonces, si el potencial de tierra de salida (GND) está en ~0V, C1 se carga sobre R4, que es impulsado por el voltaje 8-0.8 = 7.2V, es decir, I = 7.2V/1MOhm = 7.2 uA . Por otro lado, si GND está en +8V, C1 se descarga nuevamente sobre R4 pero esta vez impulsado por el voltaje 0.8V, es decir, I = 0.8V/1MOhm = 0.8 uA . ¡Así que la descarga es casi 10 veces más lenta que la carga (aparte del corto pico de corriente base Q3)! Por lo tanto, no sorprende que el ciclo de trabajo esté muy por debajo del 50%.

Mi solución fue introducir una resistencia adicional R6 = 250 kOhm paralela a C1. Así que descargar C1 si GND = +8V ahora pasa por encima de R4 || R6 = 200 kOhm, es decir, I(C1) = 0,8 V/200 kOhm = 4 uA. Por otro lado, cuando se carga C1, la corriente a través de R4 se divide en la corriente a través de C1 y una corriente adicional a través de R6 de I = 0,8/250 kOhm = 3,2 uA, por lo que la corriente a través de C1 solo puede ser I(C1) = 7,2 uA - 3,2 uA = 4 uA. Entonces, al presentar R6, me aseguré de que la carga y la descarga se realicen al mismo ritmo (al menos para las pequeñas oscilaciones de V (C1) que realmente ocurren).

Lo que sigue siendo un poco feo es el pico de corriente base a través de Q3, lo que provoca cierta falta de linealidad. Lo curé introduciendo una resistencia base R8 del orden de magnitud de la resistencia de carga R4, es decir, R8 = 1MOhm.

PD: mientras tanto, hice una medición muy aproximada de la corriente de reposo (descarga parcial de un capacitor electrolítico mientras la batería está desconectada) que me dio <5 nA, lo cual es bastante decente en mi opinión (también dado que es una placa de pruebas). No sé cuánto de eso se debe a una fuga dentro del capacitor, por lo que es un límite superior. PD fin

Las imágenes a continuación muestran la simulación LTSpice. Se puede ver que la corriente a través de C1 (curva roja) ahora es simétrica alrededor de 0 uA y, como se esperaba, tiene una amplitud de ~ 4 uA. En consecuencia, el ciclo de trabajo de la salida GND es ~ 50% (curva azul). El botón se mantiene pulsado en t=2s (curva verde).

Y finalmente - ¡voilá! - el caso de uso normal, donde el potencial de tierra de salida GND se alterna presionando brevemente el botón (en lugar de mantener presionado el botón y encender/apagar GND automáticamente, que es el caso "abusivo").