PULSANTE INTERRUTTORE DI ALIMENTAZIONE

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Gli interruttori a pulsante ad azione momentanea a bassa corrente, come i tipi “tattili” per montaggio su PCB, sono economici e disponibili in molti stili diversi. I tipi di aggancio, d’altra parte, sono spesso più grandi, più costosi e disponibili solo in una gamma relativamente limitata di stili. Questo può essere un problema se si ha bisogno di un interruttore piccolo ed economico per bloccare l’alimentazione a un carico. La soluzione è convertire l’azione momentanea di un pulsante in una funzione di blocco.

Il circuito descritto di seguito, richiede solo due transistor e una manciata di componenti passivi per ottenere questo risultato.

Il circuito di Figura 1 (a) è configurato per bloccare l’alimentazione positiva a un carico (riferito a terra). Funziona in modalità “toggle”; vale a dire, la prima chiusura dell’interruttore applica energia al carico, la seconda rimuove l’alimentazione e così via.

Figura 1

Il circuito converte un interruttore a pressione ad azione momentanea in un interruttore di accensione a scatto.

Per capire come funziona il circuito, supponiamo che l’alimentazione CC, +Vs, sia stata appena applicata, che il condensatore C1 sia inizialmente non caricato e Q1 sia spento. Il MOSFET a canale P, Q2, è mantenuto spento da R1 e R3, che lavorano in serie per portare il gate fino a + Vs, in modo che VGS sia zero. Il circuito si trova ora nello stato “non agganciato”, dove la tensione di carico sul terminale OUT (+) è zero.

Se l’interruttore a pulsante normalmente aperto viene momentaneamente chiuso, C1 – essendo privo di carica – porta il gate di Q2 a 0 V, accendendo così il MOSFET. La tensione di carico su OUT (+) ora aumenta immediatamente verso +Vs, e Q1 riceve la polarizzazione di base tramite R4 e si accende. In queste condizioni, Q1 satura e abbassa il gate di Q2 tramite R3, mantenendo così il MOSFET acceso quando l’interruttore si è aperto. Il circuito è ora nello stato “bloccato”, in cui entrambi i transistor sono attivi, il carico è eccitato e C1 si carica fino a +Vs tramite R2.

Quando l’interruttore viene momentaneamente chiuso per la seconda volta, la tensione su C1 (ormai approssimativamente uguale a +Vs) viene trasferita al gate di Q2. Poiché la tensione di gate-source di Q2 è ora approssimativamente pari a zero, il MOSFET si spegne e la tensione di carico scende a zero. Anche la tensione dell’emettitore di base di Q1 scende a zero e il transistor si spegne. Pertanto, quando l’interruttore viene rilasciato, non c’è nulla che può tenere attivo Q2 e il circuito ritorna al suo stato ‘non agganciato’, dove entrambi i transistor sono spenti, il carico viene diseccitato e C1 si scarica tramite R2.

Il resistore R5 attraverso i terminali di uscita è un componente opzionale che funge da pull-down. Quando l’interruttore viene rilasciato, C1 si scarica tramite R2 nel carico. Se l’impedenza di carico è molto elevata (cioè simile in grandezza a R2), o se contiene dispositivi attivi come i LED, la tensione di carico all’istante Q2 si spegne può essere abbastanza grande da sollecitare Q1 su R4, impedendo così il circuito si spegne correttamente. La presenza di R5 porta il terminale OUT (+) a 0 V quando Q2 si spegne, assicurando così che Q1 si spenga rapidamente e consentendo al circuito di ritornare allo stato non bloccato in modo corretto.

Se i transistor sono scelti correttamente, il circuito funzionerà su un ampio intervallo di tensione ed è adatto per pilotare carichi come relè, solenoidi, LED e così via. Tuttavia, attenzione che alcuni motori e ventole CC continuano a ruotare quando viene rimossa la loro forza motrice. Questa rotazione può generare un EMF abbastanza grande da sollecitare Q1, impedendo così al circuito di spegnersi. È possibile eliminare questo problema inserendo un diodo di blocco in serie con l’uscita, come mostrato nella Figura 1 (b). È inoltre necessario includere R5 per assicurarsi che Q1 si spenga correttamente.

Il circuito complementare proposto nella figura 2 è destinato ai carichi “high-side” collegati alla linea di alimentazione positiva come il relè mostrato in questo esempio.

Figura 2 Circuito complementare destinato a carichi con positivo comune.

Si noti che Q1 è stato sostituito con un transistor PNP e Q2 è ora un MOSFET a canale N. Il circuito funziona in modo simile a quello sopra descritto. Qui, R5 funge da resistenza di pull-up che tira il terminale OUT (-) fino a + VS quando Q2 si spegne, assicurando così che Q1 si spenga rapidamente. Come nel circuito precedente, R5 è opzionale e necessario solo per i tipi di carico menzionati in precedenza.

Si noti che in entrambi i circuiti, la costante di tempo prodotta da C1-R2 prevede il distacco dei contatti dell’interruttore a pulsante. Normalmente, un valore compreso tra 0,25 e 0,5 secondi dovrebbe essere adeguato. Costanti di tempo minori possono portare a comportamenti irregolari, mentre una costante di tempo maggiore aumenta il tempo di attesa tra le chiusure degli interruttori necessarie per garantire che C1 si carichi e si scarichi correttamente. Con C1 = 330nF e R2 = 1MΩ come mostrato, la costante di tempo è nominalmente 0,33 s. Questo di solito è sufficiente per eliminare il rimbalzare dei contatti e per consentire alla potenza di carico di essere attivata dopo un paio di secondi circa.

Entrambi i circuiti hanno lo scopo di bloccare e sbloccare in risposta a brevi e momentanee chiusure di interruttori. Tuttavia, sono stati progettati per garantire il corretto funzionamento anche se l’interruttore a pulsante viene tenuto chiuso per un certo periodo di tempo. Considera il circuito in Figura 2 quando Q2 è attivo. Quando si preme l’interruttore per sbloccare il circuito, il gate viene abbassato verso 0V (poiché C1 non è caricato) e il MOSFET si spegne, consentendo alla giunzione di R1-R2 di salire verso +Vs tramite R5 e l’impedenza di carico. Allo stesso tempo, anche Q1 si spegne, in modo tale che il gate di Q2 sia portato a 0 V tramite la combinazione di serie di R3 e R4. Se l’interruttore viene rilasciato immediatamente, C1 si ricaricherà semplicemente verso +Vs via R2. Tuttavia, se l’interruttore viene mantenuto chiuso, la tensione di gate di Q2 sarà definita dal potenziale divisore formato principalmente da R2 e R3 + R4. Se assumiamo che il terminale OUT (-) sia approssimativamente uguale a +Vs quando il circuito è sbloccato, la tensione gate-source di Q2 è data da:

VGS= (+Vs) × (R3 + R4) / (R2 + R3 + R4) = 0,02 (+Vs).

Anche se +Vs fosse 30 V, la tensione gate-source risultante di circa 0,6 V sarà troppo bassa per riaccendere il MOSFET. Di conseguenza, entrambi i transistor rimangono disattivati fino all’apertura dei contatti dell’interruttore.

Il circuito in Figura 2 viene bloccato chiudendo momentaneamente l’interruttore quando C1 è caricato fino a +Vs il che fa sì che OUT (-) scenda a 0 V quando Q2 si accende immediatamente, seguito rapidamente da Q1. Una chiusura temporanea dell’interruttore consentirebbe a C1 di scaricarsi a zero tramite R2 dopo l’apertura dei contatti. Tuttavia, se l’interruttore viene tenuto chiuso, la tensione di gate di Q2 sarà definita dal potenziale divisore formato da R2 e R3. Poiché Q1 è saturo, la giunzione di R3-R4 sul collettore di Q1 verrà tirata fino a +Vs, e la giunzione di R1-R2 verrà ridotta a 0 V tramite Q2.

Pertanto, con l’interruttore tenuto chiuso, la tensione gate-source di Q2 è data da:

VGS= (+ VS) × R2 / (R2 + R3) = 0,99 (+Vs).

Di conseguenza, a condizione che la tensione di alimentazione sia almeno uguale alla tensione di soglia gate-source di Q2, sia Q2 che Q1 rimarranno attivi fino all’apertura dei contatti dell’interruttore.

Entrambi i circuiti forniscono un modo economico di derivare una funzione di blocco da un interruttore momentaneo e, proprio come un interruttore di blocco meccanico, la dissipazione di potenza quiescente (senza blocco) è zero perciò lo rendono idoneo anche per circuiti funzionanti a batteria.