Interruptor de encendido y apagado suave

Question

He tropezado con un interruptor de potencia suave con un bajo conteo de partes en el EEVBlog, el cual encontré muy interesante para mis proyectos de hobby: https://www.youtube.com/watch?v=Foc9R0dC2iI

Como usa un PMOS y yo sólo tenía un NMOS para probar el circuito, he reflejado todo el circuito:

Inicialmente no había R5 pero encontré el circuito inestable (a veces se encendía sin pulsar el botón), así que añadí R5.

El circuito funciona ahora, pero la oscilación esperada con el botón continuamente presionado es muy "corta", es decir, se mantiene apagada bastante tiempo (1 s) lo cual está bien, pero sólo hay un corto tiempo de encendido (0,1 s). Dado que mantener el botón pulsado es un posible escenario de uso del POV del usuario, me gustaría tener un tiempo de encendido más largo. Pero esto requeriría un condensador demasiado grande o un enorme R4.

Honestamente no entiendo por qué produce una forma de onda asimétrica, porque la descarga de C1 va sobre R4+R3+R5 (y la CARGA en paralelo si está ahí) que es sólo marginalmente mayor que R4 para la carga.

¿Hay alguna manera de "simetrizar" este oscilador para que el tiempo de encendido y el de apagado sean iguales?

P.D: En respuesta a tu pregunta, Jonk, algo más de información: idealmente me gustaría tener una chancleta con el menor número de piezas posible, y con un consumo de energía cero en el exterior (aparte de alguna corriente de fuga de un mosfet). Mi impresión fue que la solución del EEVBlog era lo más parecido que podía conseguir, pero con el inconveniente del comportamiento oscilante en lugar de biestable.

Cuando lo probé, noté que el ciclo de trabajo de la oscilación se siente bastante como una experiencia patológica del usuario porque es como un 10%. Supongamos que me pierdo el primer período de encendido, luego se apaga durante más tiempo y luego se enciende muy brevemente, por lo que después de que lo he perdido, es prácticamente imposible volver a encenderlo con sólo mantener el botón pulsado. En su lugar tendré que esperar un cierto período hasta que el condensador se haya descargado de nuevo, hasta que intente de nuevo encenderlo.

Esto es lo que quería arreglar "simetrizando" el ciclo de trabajo. Si ya tengo que aceptar el comportamiento oscilante con un período corto, entonces al menos debería permitir encenderlo después de perder el primer período con sólo mantener el botón presionado.

Answer 1

Creo que por estabilidad y quizás incluso por simplicidad, empezaría probando con dos condensadores. (Sin embargo, a menudo uso un MOSFET+BJT con un condensador para un período de encendido temporizado, donde el MOSFET+RC es vital para mantenerse más fiel a la suposición de temporización RC). Uno de ellos para asegurar un estado de encendido consistente.

¿Pero quizás algo así?

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, en su lugar. (Simplemente fue más fácil para mí escribir esto más rápidamente con la polaridad opuesta).

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ENCENDIDO + ESTADO DE REPOSO INICIAL

Inicialmente, al encender, ambos \$C_1\$ y \$C_2\$ aún no están cargados y por lo tanto \$C_2\$ inicialmente mantiene la base de \$Q_2\$ con los pies en la tierra y OFF . Mientras tanto, \$C_1\$ puede empezar 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\$ es en realidad tirado EN En este caso, la condición de encendido es fiable: \$Q_1\$ EN y \$Q_2\$ OFF . Además, en este estado con \$Q_1\$ EN , ambos \$C_1\$ y \$C_2\$ se mantienen "cerca del suelo".

Con \$Q_2\$ OFF En el momento de la puesta en marcha, un circuito bien diseñado debería tener también el CARGA sin energía, por defecto, porque ahora \$R_5\$ es libre de subir a \$Q_3\$ 's base y mantenerlo también OFF . Creo que este es el comportamiento deseado y esperado.

(Esto supone que la corriente que llega a la base de \$Q_1\$ a través de \$R_5\$ , \$R_4\$ y \$R_6\$ no es suficiente para provocar una caída de tensión en \$R_5\$ que se convertiría en \$Q_3\$ EN Por supuesto. Sin embargo, esto es fácil de lograr, porque \$Q_1\$ El colector de la máquina sólo absorbe una corriente muy modesta, determinada por \$R_3\$ y, por lo tanto, no necesitará una corriente de base considerable a través de \$R_5\$ . [Se puede arreglar fácilmente para evitar el giro \$Q_3\$ EN .] Cuando \$Q_3\$ se gira EN Por supuesto, entonces \$Q_2\$ debe absorber toda la corriente de base necesaria de \$Q_3\$ y eso provocará una caída de tensión a través de \$R_5\$ .)

El estado de reposo debería llegar con una tensión muy pequeña a través de \$C_1\$ y \$C_2\$ (básicamente, lo que el \$V_{\text{CE}_\text{SAT}}\$ de \$Q_1\$ permite, y no más que eso). Así que ambos condensadores permanecen descargado para empezar, y \$Q_1\$ es EN (por el camino a través de \$R_5\$ , \$R_4\$ y \$R_6\$ ) y \$Q_2\$ es OFF .

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PRIMER CAMBIO DE ESTADO

Cuando el interruptor momentáneo se pulsa por primera vez, se descarga \$C_1\$ inmediatamente tira hacia abajo de la base de \$Q_1\$ , causando \$Q_1\$ a su vez OFF (por un momento.) Con \$Q_1\$ OFF por un momento, \$R_3\$ y \$R_2\$ cargar \$C_2\$ a la requerida \$V_\text{BE}\$ de un saturado ( EN ) estado de \$Q_2\$ . Así que \$Q_2\$ ahora se convierte EN y tira hacia abajo de la base de \$Q_1\$ a través de \$R_6\$ . Esto mantiene \$Q_1\$ OFF a pesar de que el interruptor momentáneo se mantiene activado. Además, con \$Q_2\$ EN Ahora se extrae suficiente corriente a través de \$R_5\$ y \$R_4\$ que la caída de tensión a través de \$R_5\$ se enciende \$Q_3\$ y ahora el CARGA se enciende.

Cuando se libera el momentáneo, \$Q_1\$ sigue siendo OFF porque \$Q_2\$ es EN y la celebración de \$Q_1\$ OFF a través de \$R_6\$ . Además, una vez liberado, \$C_1\$ se permite cobrar al alza ahora a través de \$R_3\$ y \$R_1\$ . Esta tensión debe estar dispuesta por diseño para ser suficiente (más que, por ejemplo, \$800\:\text{mV}\$ ) que cuando el interruptor momentáneo se cierra de nuevo que \$Q_1\$ se convertirá EN (a diferencia de esta vez en que \$C_1\$ fue mayormente dado de alta y se volvió \$Q_1\$ OFF .)

Así que en este EN estado de \$Q_3\$ (y el CARGA de la energía), debe asegurarse de que la caída de voltaje a través de \$R_3\$ (cuando se suministra corriente de base para el \$Q_2\$ ) deja una tensión suficiente para que \$C_1\$ tendrá un voltaje suficientemente alto en él ya que se carga desde ese nodo y a través de \$R_1\$ .

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SEGUNDO CAMBIO DE ESTADO

En este punto, \$C_1\$ se carga por encima de lo que se requiere para convertir \$Q_1\$ EN cuando se vuelve a conectar el interruptor momentáneo, de nuevo. Hacerlo ahora provoca \$Q_1\$ a su vez EN y que su colector se baje por un momento y por lo tanto descargue \$C_2\$ y girar \$Q_2\$ OFF volviendo al estado en que se encontraba al encenderlo.

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NOTAS DE DISEÑO

No he proporcionado valores para nada. Eso es porque dependen de su CARGA requisitos actuales y un montón de otros detalles que no has proporcionado. Pero el enfoque general anterior puede adaptarse a la mayoría de las situaciones sin mucha dificultad. Es un proceso paso a paso. Su CARGA representa una determinada corriente, que requiere una determinada corriente de base y \$V_\text{BE}\$ caída de tensión. Esta corriente de base establece la corriente de colector para \$Q_2\$ cuando es EN . Eso mismo requiere una corriente de base diferente para \$Q_2\$ que se suministrará a través del divisor \$R_2\$ y \$R_3\$ . La tensión del nodo del divisor debe estar por encima de la tensión necesaria para convertir \$Q_1\$ EN , lo que ayuda a establecer sus valores relativos. Y hay otros detalles para establecer todos los valores de las resistencias. Pero tienden a caer a medida que se trabaja a través de los detalles del diseño.

Además, existe la posibilidad de que el interruptor momentáneo rebote. Por lo tanto, también tendrás que preocuparte de desbordar el interruptor. Hay un ancho de pulso mínimo necesario para hacer la transición (establecido por sus elecciones de resistencia y condensador.) Usted puede arreglar fácilmente esto para que ignore los pulsos de conmutación estrechos y requiere una retención "suficientemente larga" para hacer la transición y la acción de conmutación.

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La misma topología mostrada anteriormente también puede hacerse funcionar con MOSFETs:

simular este circuito

En el caso anterior, \$R_3\$ puede hacerse mucho más grande y esto puede reducir en gran medida la corriente de reposo (holding) para el OFF estado del interruptor. (El circuito sigue dependiendo de \$Q_1\$ ser EN y \$Q_2\$ ser OFF cuando está en reposo/apagado, lo que significa que su tensión de alimentación estará a través de \$R_3\$ en este estado).

Detalles del circuito, como las parásitas y el empeoramiento de la beta de saturación para \$Q_2\$ a corrientes de colector muy bajas será la limitación. Yo diría que diseñar alrededor de \$10\:\mu\text{A}\$ sería fácilmente alcanzable sin esas consideraciones. Y que se podría tener menos, con alguna reflexión al respecto.

Answer 2

Actualmente C1 se carga de 0 - Q3Vbe antes de que Q3 se encienda, pero sólo necesita descargarse 50-100mV para apagar Q3. Esto hace que la conmutación sea muy asimétrica.

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

Asumiendo que estás activando/desactivando una fuente de 5V entonces cualquier FET con un VGS(th) alrededor de 2.5V estaría bien ...quizás algo como un TP2104 podría ser adecuado.

Si realmente quieres asegurar un ciclo de trabajo del 50%, entonces necesitas un punto de umbral de conmutación fiable.

Answer 3

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

1. Aparte de la fase inicial en la que C1 efectivamente se carga de 0 a V(BE,Q3), el voltaje de C1 oscila sólo ligeramente alrededor de V(BE,Q3) ~ 0,8 voltios si se mantiene pulsado el botón y, por 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 toma básicamente dos caminos: a) sobre R4 y luego R3+R5 y RLOAD, que para RLOAD pequeño equivale principalmente a ~R4, y b) sobre el diodo base-emisor de Q3, cuya corriente es inicialmente bastante alta, pero disminuye exponencialmente rápido a medida que C1 se descarga más y más; así que Q3 no contribuye casi nada a la descarga de C1 y es prácticamente todo asunto de R4

3. Así que si el potencial de tierra de salida (GND) está a ~0V, C1 cargos sobre R4, que es conducido por la tensión 8-0,8 = 7,2V, es decir, I = 7,2V/1MOhm = 7,2 uA . Por otro lado, si GND está a +8V, C1 descargas de nuevo sobre R4 pero esta vez conducido por la tensión 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 breve pico de corriente de la base del Q3). Así que no es de extrañar que el ciclo de trabajo esté muy lejos del 50%.

Mi solución fue introducir una resistencia adicional R6 = 250 kOhm en paralelo a C1. Así que descargando C1 si GND = +8V pasa ahora por encima de R4 || R6 = 200 kOhm, es decir, I(C1) = 0,8V/200kOhm = 4 uA. Por otro lado, cuando 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 sólo puede ser I(C1) = 7,2 uA - 3,2 uA = 4 uA. Así que introduciendo R6 me he asegurado de que la carga y la descarga van al mismo ritmo (al menos para las pequeñas oscilaciones de V(C1) que realmente ocurren).

Lo que queda un poco feo es el pico de corriente de base a través de Q3, que provoca cierta no linealidad. Lo curé introduciendo una resistencia de base R8 del orden de magnitud de la resistencia de carga R4, es decir, R8 = 1MOhm.

PS: Mientras tanto, he hecho una medición muy aproximada de la corriente de reposo (descarga parcial de un condensador electrolítico mientras la batería está desconectada) que me dio <5 nA que es bastante decente en mi opinión (también teniendo en cuenta que es una construcción de prototipo). No sé cuánto de eso es debido a la fuga dentro del propio condensador, por lo que es un límite superior. Fin de PS

Las imágenes de abajo muestran la simulación de LTSpice. Se puede ver que la corriente a través de C1 (curva roja) es ahora 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 a t=2s (curva verde).

Y finalmente -¡voilá! - el caso de uso normal, en el que el potencial de tierra de salida GND se conmuta mediante pulsaciones cortas del botón (en lugar de mantener el botón en el estado pulsado y activar/desactivar GND automáticamente, que es el caso "abusivo").