Кнопка или выключатель — обязательная часть едва ли не любой конструкции. В зависимости от требований, к ним предъявляемых, различаются обычные кнопки (без фиксации), а также кнопки с зависимой и независимой фиксацией. Соответственно их назначению отличаются и конструкции кнопок, причем весьма значительно.
Между тем, все разнообразие кнопок можно реализовать, используя одну единственную конструкцию кнопки — кнопку без фиксации с одной замыкающей контактной группой. Достоинства такой конструкции кнопки — простота (например, мембранная или "резиновая" кнопка), намного более широкая номенклатура кнопок, малые габариты и низкая стоимость. При наличии в конструкции микроконтроллера, задача создания кнопки с заданными свойствами решается программным путем. Если же использование в конструкции микроконтроллера невозможно или нецелесообразно, то разные виды кнопок можно изготовить следующим образом.
Кнопка "вкл/откл" (кнопка с независимой фиксацией)
Схема кнопки с независимой фиксацией приведена на рис. 1. Основой ее является микросхема таймера КР1006ВИ1. На вывод 4 микросхемы подключена цепь сброса С2, R4, VD1, устанавливающая начальное состояние кнопки в лог.0 (вывод 3). Входы компараторов таймера (выводы 2 и 6) соединены вместе и подключены к делителю напряжения R2, R3, устанавливающему на входе компараторов напряжение, равное половине напряжения питания. Выходным сигналом таймера через резистор R1 заряжается конденсатор С1.
При нажатии на кнопку SA конденсатор подключается к точке соединения делителя напряжения и компараторов, в результате чего на входах компараторов возникает кратковременный всплеск напряжения, вызывающий срабатывание одного из компараторов таймера. Выходной сигнал таймера изменяется на противоположный. Соотношение резисторов R1, R2 и R3 подобрано таким образом, что новое состояние таймера также оказывается устойчивым: генерация на выходе не возникает. При отпускании кнопки конденсатор С1 вновь заряжается выходным сигналом таймера-теперь уже другого логического уровня. При повторном нажатии на кнопку описанные процессы повторяются.
Достоинством схемы, помимо использования кнопки с замыкающей контактной группой, являются небольшие габариты "кнопки" (корпус таймера — DIP8). Высокая нагрузочная способность таймера (выходной ток до 200 мА) позволяет не только передавать сигнал включения на другие микросхемы, но и непосредственно питать от него достаточно мощные нагрузки (например, лампочку, обмотку реле или даже всю конструкцию в целом).
Кнопка с автоповтором
Такая кнопка при ее нажатии и удержании достаточно длительное время начинает автоматическое повторение "нажатий" -такая кнопка бывает удобной, например, для изменения уровня громкости усилителя. Схема кнопки приведена на рис. 2. Основой ее также является таймер КР1006ВИ1. Цепь сброса таймера через резистор R2 и блокировочный конденсатор С2 соединена с общим проводом конструкции, удерживая таким образом сигнал лог.0 на выходе таймера (вывод 3). При нажатии на кнопку сигнал сброса с таймера снимается, на выходе таймера появляется сигнал лог.1 и таймер переходит в штатный режим генерации импульсов.
При отпускании кнопки на выводе 4 вновь появляется сигнал сброса, и устройство возвращается в исходное состояние. Эта схема также отличается небольшими габаритами и высокой нагрузочной способностью. В силу особенностей работы таймера первый импульс от кнопки является удлиненным, что очень удобно при ее использовании. Соотношение длительности первого и последующих импульсов можно в некоторых пределах менять подключением резистора между выводом 5 таймера и общим проводом (либо проводом питания).
Кнопки с зависимой фиксацией
Схема кнопок с зависимой фиксацией приведена на рис. 3. Таймер DA1 в этой схеме используется в типовом включении в качестве генератора тактовых импульсов, и может быть заменен любым другим источником импульсов (например, однопереходным транзистором или мультивибратором). Основой схемы является счетчик с дешифратором DD1 типа К176ИЕ8 (можно вместо него применить К561ИЕ9), включенный нестандартным способом — тактовые импульсы подаются на вход разрешения V счетчика, а счетный вход С подключен через резистор R3 к источнику питания, при этом счет импульсов счет-чика заблокирован и он находится в неизменном состоянии.
На вход сброса счетчика подсоединена цепочка R2, С2, VD1. При включении на выходе 0 счетчика будет установлен сигнал лог.1, на остальных — лог.0. При нажатии на одну из кнопок на вход С счетчика будет подан (с подсоединенной через кнопку линии) сигнал лог.0.
В настоящее время в радиоэлектронной аппаратуре часто применяют электронные выключатели, в которых одной кнопкой можно осуществлять как ее включение, так и выключение. Сделать такой выключатель мощным, экономичным и малогабаритным можно, если применить полевой переключательный транзистор и цифровую КМОП микросхему.
Схема простого выключателя приведена на рис. 1. Транзистор VT1 выполняет функции электронного ключа, а триггер DD1 им управляет. Устройство постоянно подключено к источнику питания и потребляет небольшой ток - единицы или десятки микроампер.
Если на прямом выходе триггера высокий логический уровень, то транзистор закрыт, нагрузка обесточена. При замыкании контактов кнопки SB1 триггер переключится в противоположное состояние, на его выходе появится низкий логический уровень. Транзистор VT1 откроется, и напряжение поступит на нагрузку. В таком состоянии устройство будет находиться до тех пор, пока снова не окажутся замкнутыми контакты кнопки. Тогда транзистор закроется, нагрузка обесточится.
Указанный на схеме транзистор имеет сопротивление канала 0,11 Ом, а максимальный ток стока может достигать 18 А. Следует учитывать, что напряжение затвор-сток, при котором транзистор открывается, составляет 4...4,5 В. При напряжении питания 5...7 В ток нагрузки не должен превышать 5 А, в противном случае падение напряжения на транзисторе может превысить 1 В. Если напряжение питания больше, ток нагрузки может достигать 10... 12 А.
Когда ток нагрузки не превышает 4 А, транзистор можно использовать без теплоотвода. Если ток больше, необходим теплоотвод, либо следует применить транзистор с меньшим сопротивлением канала. Подобрать его нетрудно по справойной таблице, приведенной в статье "Мощные переключательные транзисторы фирмы International Rektifier" в "Радио", 2001, №5, с. 45.
На такой выключатель можно возложить и другие функции, например, автоматическое отключение нагрузки при снижении или превышении питающим напряжением заранее установленного значения. В первом случае это может понадобиться при питании аппаратуры от аккумуляторной батареи, чтобы не допустить ее чрезмерного разряда, во втором - для защиты аппаратуры от завышенного напряжения.
Схема электронного выключателя с функцией отключения при снижении напряжения приведена на рис. 2. В него дополнительно введены транзистор VT2,стабилитрон,конденсатор и резисторы, один из которых - подстроенный (R4).
При нажатии на кнопку SB 1 полевой транзистор VT1 открывается, напряжение поступает на нагрузку. Из-за зарядки конденсатора С1 напряжение на коллекторе транзистора в начальный момент не превысит 0,7 В, т.е. будет иметь низкий логический уровень. Если напряжение на нагрузке станет больше установленного подстроечным резистором значения, на базу транзистора поступит напряжение, достаточное для его открывания. В этом случае на входе "S" триггера останется низкий логический уровень, а кнопкой можно включать и выключать питание нагрузки.
Как только напряжение снизится ниже установленного значения, напряжение на движке подстроечного резистора станет недостаточным для открывания транзистора VT2 - он закроется. При этом на коллекторе транзистора напряжение увеличится до высокого логического уровня, который поступит на вход "S" триггера. На выходе триггера появится также высокий уровень, что приведет к закрыванию полевого транзистора. Нагрузка обесточится. Нажатия на кнопку в этом случае приведут только к кратковременному подключению нагрузки и последующему ее отключению.
Для введения защиты от превышения питающего напряжения автомат следует дополнить транзистором VT3, стабилитроном VD2 и резисторами R5, R6. В этом случае устройство работает аналогично описанному выше, но при увеличении напряжения выше определенного значения транзистор VT3 откроется, что приведет к закрыванию VT2, появлению высокого уровня на входе "S" триггера и закрыванию полевого транзистора VT1.
Кроме указанных на схеме, в устройстве можно применить микросхему К561ТМ2, биполярные транзисторы КТ342А-КТ342В, КТ3102А-КТ3102Е, стабилитрон КС156Г. Постоянные резисторы - МЛТ, С2-33, Р1-4, подстроенные - СПЗ-3, СПЗ-19, конденсатор - К10 17, кнопка - любая малогабаритная с самовозвратом.
При использовании деталей для поверхностного монтажа (микросхема CD4013, биполярные транзисторы КТ3130А-9 - КТ3130Г-9, стабилитрон BZX84C4V7, постоянные резисторы P1-I2, конденсатор К10-17в) их можно разместить на печатной плате (рис. 3) из односторонне фольгированного стеклотекстолита размерами 20x20 мм. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 4.
Казалось бы, чего проще, включил питание и прибор, содержащий МК, заработал. Однако на практике бывают случаи, когда обычный механический тумблер для этих целей не годится. Показательные примеры:
- микропереключатель хорошо вписывается в конструкцию, но он рассчитан на низкий ток коммутации, а устройство потребляет на порядок больше;
- необходимо осуществить дистанционное включение/выключение питания сигналом логического уровня;
- тумблер питания сделан в виде сенсорной (квазисенсорной) кнопки;
- требуется осуществить «триггерное» включение/выключение питания повторным нажатием одной и той же кнопки.
Для таких целей нужны специальные схемные решения, основанные на применении электронных транзисторных ключей (Рис. 6.23, а...м).
Рис. 6.23. Схемы электронного включения питания (начало):
а) SI — это выключатель «с секретом», применяемый для ограничения несанкционированного доступа к компьютеру. Маломощный тумблер открывает/закрывает полевой транзистор VT1, который подаёт питание на устройство, содержащее МК. При входном напряжении выше +5.25 В требуется поставить перед М К дополнительный стабилизатор;
б) включение/выключение питания +4.9 В цифровым сигналом ВКЛ-ВЫКЛ через логический элемент DDI и коммутирующий транзистор VT1
в) маломощная «квазисенсорная» кнопка SB1 триггерно включает/выключает питание +3 В через микросхему DDL Конденсатор C1 снижает «дребезг» контактов. Светодиод HL1 индицирует протекание тока через ключевой транзистор VTL Достоинство схемы — очень низкое собственное потребление тока в выключенном состоянии;
Рис. 6.23. Схемы электронного включения питания (продолжение):
г) подача напряжения +4.8 В маломощной кнопкой SBI (без самовозврата). Источник входного питания +5 В должен иметь защиту по току, чтобы не вышел из строя транзистор VTI при коротком замыкании в нагрузке;
д) включение напряжения +4.6 В по внешнему сигналу £/вх. Предусмотрена гальваническая развязка на оптопаре VU1. Сопротивление резистора RI зависит от амплитуды £/вх;
е) кнопки SBI, SB2 должны быть с самовозвратом, их нажимают по очереди. Начальный ток, проходящий через контакты кнопки SB2, равен полному току нагрузки в цепи +5 В;
ж) схема Л. Койла. Транзистор VTI автоматически открывается в момент соединения вилки ХР1 с розеткой XS1 (за счёт последовательно включённых резисторов R1, R3). Одновременно в основное устройство подаётся звуковой сигнал от аудиоусилителя через элементы С2, R4. Резистор RI допускается не устанавливать при низком активном сопротивлении канала «Audio»;
з) аналогично Рис. 6.23, в, но с ключом на полевом транзисторе VT1. Это позволяет снизить собственное потребление тока как в выключенном, так и во включённом состоянии;
Рис. 6.23. Схемы электронного включения питания (окончание):
и) схема активизации МК на строго фиксированный промежуток времени. При замыкании контактов переключателя S1 конденсатор С5 начинает заряжаться через резистор R2, транзистор VTI открывается, МК включается. Как только напряжение на затворе транзистора VT1 уменьшится до порога отсечки, МК выключается. Для повторного включения надо разомкнуть контакты 57, выдержать небольшую паузу (зависит от R, С5) и затем снова их замкнуть;
к) гальванически изолированное включение/выключение питания +4.9 В при помощи сигналов с СОМ-порта компьютера. Резистор R3 поддерживает закрытое состояние транзистора VT1 при «выключенной» оптопаре VUI;
л) удалённое включение/выключение интегрального стабилизатора напряжения DA 1 (фирма Maxim Integrated Products) через СОМ-порт компьютера. Питание +9 В может быть снижено вплоть до +5.5 В, но при этом надо увеличить сопротивление резистора R2, чтобы напряжение на выводе 1 микросхемы DA I стало больше, чем на выводе 4;
м) стабилизатор напряжения DA1 (фирма Micrel) имеет вход включения питания EN, который управляется ВЫСОКИМ логическим уровнем. Резистор RI нужен, чтобы вывод 1 микросхемы DAI «не висел в воздухе», например, при Z-состоянии КМОП-микросхемы или при расстыковке разъёма.