Довольно часто требуется коммутировать нагрузку, подключенную сети переменного тока. Как правило, в подобных устройствах используются электромагнитные реле или тиристоры. Реле требуют большую мощность управляющих сигналов и имеют низкое быстродействие. Тиристоры плохо работают с нагрузкой, потребляемый ток которых сравним с током удержания тиристора. Кроме этого тиристоры создают помехи (если момент включения не совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нуль).
Электронный ключ с памятью - это фактически аналог реле, которое имеет нормально открытые или нормально закрытые контакты. Такой электронный ключ позволяет нагрузке быть включенной или выключенной в момент подачи силового напряжения и быть в этом состоянии до подачи сигнала управления. По приходу сигнала управления состояние ключа изменяется на противоположное и остается в нем до прихода следующего сигнала управления.
На рис.1 представлена принципиальная схема электронного ключа с памятью на полевых транзисторах с оптической развязкой цепей управления и силовой. Устройство работает следующим образом. Учтем, что защитные диоды полевых транзисторов включены катодом к стоку. В исходном состоянии каналы полевых транзисторов закрыты (нет питания). Пусть положительная полуволна сетевого напряжения присутствует на выводе N. Ток проходит через резистор R5, стабилитрон VD3, защитный диод полевого транзистора VT1, фаза А. На стабилитроне VD3 возникает падение напряжения в 12В. Через диод VD2 заряжается конденсатор С2 и микросхемы DA1, DD1,U1 получают питание. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на выводе N устройство не получает питания, так как защитный диод полевого транзистора VT1 закрыт. В момент включения электронного ключа в сеть цепочка R2C1 формирует положительный импульс сброса, устанавливающий D-триггер в начальное состояние (низкий уровень на прямом выходе и высокий уровень на инверсном выходе). Таким образом, входе D(выв.9) присутствует высокий уровень. Импульс управления (синхронизации) возникает на резисторе R1 в момент открытия транзистора оптрона U1, при подаче на светодиод оптрона напряжения управления. Данные со входа D(выв.9) передаются на выход Q(выв.13) только в том случае, когда на входе синхронизации (выв.11) действует высокий уровень. Это происходит в момент возрастания напряжения импульса синхронизации. Выход Q до тех пор будет сохранять состояние, установленное данными со входа D на момент действия импульса синхронизации, пока не придет новый импульс синхронизации. На микросхеме DA1 выполнен инвертирующий триггер Шмидта. Использование интегрального таймера DA1 в качестве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улучшить работу схемы. Как видно из схемы - затворы подключены к выводу 7 DA1. Это позволяет шунтировать затворы напрямую к общему проводу при низком выходе (уровень 0), что улучшает помехоустойчивость. Да и сам триггер DA1 имеет гистерезис входных напряжений в 1/3Vсс и 2/3Vcc напряжения питания. Пусть светодиод оптрона U1 не светит и тогда его транзистор будет закрыт. В результате на выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 будет присутствовать низкий уровень напряжения, а на выходе (вывод3) высокий. Транзисторы VT1,VT2 открыты и нагрузка под напряжением. Ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1,открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для случая - на фазе А положительная полуволна сетевого напряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1 и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2 (защитный диод закрыт). Рассмотрим, как получает питание устройство при открытых каналах транзисторов VT1,VT2. Пусть на фазе А действует положительная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1,стабилитрон VD3 (падение напряжение на нем 0,7В), резистор R5, вывод N. На фазе А действует отрицательная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1 и его открытый защитный диод, стабилитрон VD3 (падение на нем 12В), резистор R5, вывод N. Если светит светодиод оптрона U1, он открывает его транзистор. На выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 высокий уровень напряжения, а выходе 3 низкий уровень напряжения, который закрывает полевые транзисторы VT1,VT2 и нагрузка обесточена. При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1-VT2 необходимо установить диод 1,5КЕ400СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации. Для того чтобы ключ был закрытым в исходном состоянии необходимо выводы 2,6 DA1 подключить к инверсному выводу (выв.12) триггера DD1. При подаче управляющего сигнала ключ будет открываться. Индикация работы ключа осуществляется светодиодом VD1. Если он светит, то это означает, что ключ включен и нагрузке присутствует напряжение. Желательно поставить яркий светодиод. Печатная плата разработана для установки транзисторов VT1-VT2 без радиатора. Если ключ должен коммутировать большой ток, то необходимо установить их на радиаторы, исходя из 1Вт рассеиваемой мощности на 10см2 поверхности радиатора. Если ключ должен коммутировать линейное 3х-фазное напряжение в 380В, то транзисторы должны выдерживать 600В амплитудного напряжения (КП707В1). Печатная плата имеет размеры 76 * 50 мм. Подключение выхода КМОП микросхемы к входам интегрального таймера DA1 позволяет то обстоятельство, что потребляемый ток входа запуска интегрального таймера DA1 не превышает величины 50мкА [1].
1. Трейстер Р. Радиолюбительские схемы на ИС типа 555.
