Устройство представляет собой таймер, который выключает нагрузку через заданное время. Оно включается последовательно с нагрузкой, может коммутировать как активную, так и индуктивную нагрузку, не создает электромагнитных помех и запускается нажатием маломощной кнопки. Предлагаются три варианта построения таймера. Схема простого таймера на полевом транзисторе показана на рис. 1.

РИС. 1

Устройство включается последовательно с нагрузкой в сеть 220 В и работает следующим образом. В исходном состоянии кнопка SB1 разомкнута, конденсаторы C1, C2 разряжены и напряжение затвор-исток полевого транзистора VT2 равно нулю. При подаче через нагрузку EL1 напряжения сети 220 В транзистор VT2 остается в закрытом состоянии, напряжение сток-исток этого транзистора представляет двухполупериодное выпрямленное диодным мостом VD1 напряжение сети. В результате протекания тока через резистор R1 и светодиод HL1 происходит зарядка конденсатора С1 до опорного напряжения стабилитрона VD2, которое равно 15 В. После зарядки конденсатора ток продолжает течь по цепи +VD1, HL1, R1, VD2, -VD1, светодиод, HL1 светится. При кратковременном нажатии на кнопку без фиксации SB1 происходит быстрая зарядка конденсатора С2 но цепи +С1, R2, SB1, С2, -C1. Резистор R2 ограничивает ток через контакты кнопки SB 1. Время зарядки конденсатора С2 определяется постоянной времени цепочки R2C2 и составляет приблизительно 0,5 мс. При достижении напряжения на затворе транзистора VT2 порогового значения этот транзистор открывается и замыкает диодный мост VD1. Загорается осветительная лампа EL1, гаснет индикаторный светодиод HL1. Транзистор VT2 будет находиться в открытом состоянии до тех нор, пока напряжение на конденсаторе С2 не снизится до его порогового напряжения. Время разрядки С2 определяется постоянной времени цепочки C2R6 и для номиналов, указанных на схеме, составляет около 3 мин. Транзистор VT1 служит для уменьшения времени закрывания транзистора VT2 и тем самым предотвращает его разогрев. В начале процесса закрывания транзистора V12 на его стоке появляется напряжение, через делитель R3R4 поступающее на базу транзистора VT1, который открывается и через резистор R5 разряжает конденсатор С2. Процесс имеет лавинообразный характер, поскольку транзистор VT1 совместно с резисторами R3—R5 образуют цепь положительной обратной связи для транзистора VT2. Резистор R5 ограничивает ток через транзистор VT1. В результате закрывания транзистора VT2 прекращается ток через нагрузку, гаснет лампа EL1 и включается светодиод НL1. Устройство готово к повторному запуску.

Устройство, схема которого приведена на рис. 2, отличается от первого следующими дополнительными функциями: повторным нажатием кнопки SB1 можно отключать нагрузку, не дожидаясь автоматического выключения; имеется защита от перегрузки — при превышении тока нагрузки выше порогового значения происходит ее отключение. Для реализации функции поочередного включения и выключения применена кнопка SB1 с переключающими контактами и диод VD3. При первом нажатии кнопки SB1 нагрузка включается, после отпускания кнопки конденсатор C1 разряжается через резистор R2, нормально замкнутый контакт кнопки SB1, диод VD3 и от­крытый транзистор VT2. При повторном нажатии на кнопку SB1 времязадающий конденсатор С2 разряжается через резистор R2 на конденсатор С1, транзистор VT2 закрывается и нагрузка отключается. Конденсатор С1 заряжается до напряжения 15 В, за время около 0,2 с, и устройство готово к обычному включению следующим нажатием кнопки SB1. Для защиты от перегрузки по току введен резистор R7, который является датчиком тока нагрузки, и напряжение с которого подается на переход база-эмиттер транзистора VT1. При напряжении на этом резисторе порядка 0,6 В транзистор VT1 открывается и через резистор R5 разряжает времязадающий конденсатор С2, в результате закрывается полевой транзистор VT2. Сопротивление этого резистора должно выбираться из соотношения R7 = 0,6/(3...4)Iн где, Iн — номинальный ток нагрузки в амперах. Время задержки срабатывания защиты составляет около 2 мс. Таймер был испытан с лампой накаливания мощностью 100 Вт. При изменении напряжения сети в диапазоне 187...242 В нестабильность времени срабатывания не превысила 3 %, примерно такой же дрейф по времени был зафиксирован при изменении температуры окружающей среды в диапазоне +27...60 °С. Кроме того, было проведено измерение времени отключения без времязадающего резистора R6, это время при температуре окружающей среды +27 °С превысило двое суток. Из этого можно сделать вывод, что токи утечки времязадающего конденсатора С2 через затвор полевого транзистора VT2 и транзистор VT1 на три порядка меньше тока разрядки этого конденсатора через резистор R6 = 150 МОм. Такая продолжительная работа устройства при отсутствии времязадающего резистора R6 позволяет использовать его в качестве простого выключателя нагрузки с защитой от перегрузки по току и маломощной кнопкой управления.  В последнем варианте устройство прекрасно работает как от сети переменного, так и постоянного тока. Для обеспечения плавного включения потребовалось введение еще одного конденсатора С5 в цепь затвора полевого транзистора VT2 (рис. 3). Теперь при нажатии на кнопку SB1 основной времязадающий конденсатор С2 быстро заряжается до напряжения, близкого к напряжению на С1, а затем через резистор R5 плавно заряжается конденсатор С5 независимо от того, нажата или отпущена кнопка SB1. Однако обеспечить плавное включение удалось только после введения между стоком и затвором транзистора VT2 цепи отрицательной обратной связи R11C4. Кроме этого для блокировки во время плавного пуска положительной обратной связи, которая реализована с помощью цепи R9C3, введена цепь из резистора R8 и диода VD5. Эта цепь работает следующим образом — в исходном состоянии транзистор VT2 закрыт, светится индикатор НL1, конденсатор СЗ через диод VD5 заряжается до максимального значения напряжения сети. При нажатии на кнопку SB1, как было описано выше, медленно заряжается конденсатор С5, полевой транзистор VT2 открывается, амплитуда напряжения на стоке этого транзистора уменьшается, в результате закрывается диод VD5, и теперь амплитуда импульсов, поступающих на базу транзистора VT1 через цепь R8C3R9, недостаточна для его открывания. Конденсатор C3 будет относительно медленно разряжаться через резистор R8 и открытый транзистор VT2. После разрядки СЗ запирающее напряжение с диода VD5 снимается и цепь положительной обратной связи R9C3 готова к работе. Диод VD4 и резистор R6 уменьшают время выключения нагрузки. Для номиналов, указанных на рис. 3, время плавного включения составило 1 с, а время выключения — 0,2 с. Изменением емкости конденсатора С4 можно менять время плавного включения, а номиналом R6 — регулировать время выключения нагрузки. Плавное включение продлевает срок службы ламп накаливания, а при управлении электродвигателями — уменьшает пусковые токи. Время выключения имеет существенное значение в последнем случае, когда нагрузка представляет собой значительную индуктивность и при быстром выключении между выводами сток-исток транзистора VT2 появляется значительный выброс напряжения, что может вывести его из строя. Если в качестве нагрузки используется лампа накаливания, то вместо резистора R6 можно поставить перемычку, чтобы до минимума уменьшить время выключения. Устройство было испытано с лампами накаливания мощностью от 25 до 200 Вт, а также с коллекторным электродвигателем переменного тока мощностью 150 Вт. Для изготовления устройства, но схеме, приведенной на рис. 3, могут быть использованы следующие детали. Конденсатор С1 — импортный оксидный на напряжение не менее 50 В. Остальные конденсаторы — пленочного типа с малыми токами утечки, например К73-17, конденсаторы СЗ, С4 на напряжение 630 В. Резисторы R2—R6, R9, R10— МЛТ, С2-23, С2-33, С1-4 указанной на рис. 3 мощности, резисторы R7, R8, R11 — высокоомные СЗ-13, С23-14, резистор R1 — прово­лочный КNР 1,0 Вт. В качестве SB1 применена миниатюрная кнопка без фиксации PSM100 (B170H). Диодный мост VD1 на напряжение не менее 600 В и ток, превышающий номинальный ток нагрузки не менее чем в три раза, например, КВРС106— 110, BR36—310, КВL06, 07. Диод 1N4148 может быть заменен на КД521, КД522 с любым буквенным индексом. Вместо стабилитрона VD2 BZX55C15 на напряжение 15 В можно установить отечественный КС515А1. Светодиод HL1 — красного цвета свечения с малым рабочим током, например, L-53LSRD, L-53LID. Транзистор ВС547С можно заменить на КТ3102В, КТ3102Г. Полевой транзистор VT2 IRF840 с максимальным напряжением сток-исток 500 В, максимальным током стока 8 А и максимальной мощностью 125 Вт можно заменить на более мощный IRFP450. На транзистор установлен теплоотвод в виде алюминиевой пластины тол­щиной 2 мм и размером 20x30 мм. Поскольку во время плавного включения полевой транзистор работает в активном режиме и сопротивление сток-исток этого транзистора медленно изменяется от бесконечности до минимального значения, максимальная мощность, рассеиваемая этим транзистором, будет при равенстве сопротивления сток-исток полевого транзистора и сопротивления активной нагрузки. Эта максимальная мощность будет равна (Uc/2)x(lн/2) =  Рн/4. Поэтому в устройстве должен использоваться транзистор с максимальной мощностью не менее четверти мощности коммутируемой нагрузки. Если таймер коммутирует нагрузку мощностью не более 200 Вт, можно использовать полевые транзисторы BUZ90A (РМАКС = 75 Вт), SSP6N60, КП707Б1—Е1.Устройство собрано на печатной плате размером 50x50 мм (рис. 4).

Конденсатор С5 должен быть расположен вблизи транзистора VT2, его емкость должна быть как минимум на порядок меньше основной времязадающей емкости С2, но не слишком малой. Особое внимание следует уделить изоляции цепей, непосредственно связанных с затвором VT2, так как попадание токопроводящей пыли или влаги может повлиять на время выдержки таймера. После монтажа плата должна быть тщательно промыта спиртом, хорошо высушена и внимательно проверена на правильность монтажа. Устройство не требует настройки. Единственно, что нужно проверить — это напряжение на нагрузке в момент ее выключения. Это напряжение должно быть меньше номинального на 10... 15 В, в противном случае следует подобрать номинал резистора R9. Время выдержки зависит от номиналов конденсатора С2 и резистора R7 и, как указывалось выше, составляет примерно 3 мин. Для удлинения выдержки необходимо увеличить сопротивление резистора R7 или емкость конденсатора С2, однако пленочные конденсаторы большой емкости достаточно громоздки, поэтому предпочтительнее увеличивать сопротивление резистора R7.

Таймер, схема которого приведена на рис. 3, выполняет те же функции, что и управляемое реле времени для светильника, но не создает помех, может работам, как на активную, так и на индуктивную нагрузку, и имеет аварийное отключение при перегрузке. Кроме того, если удалить времязадающий резистор R7, то также, как и таймер, собранный по схеме на рис. 2, данное устройство можно использовать в качестве простого выключателя нагрузки с плавным включением и защитой от перегрузки. Описанные выше таймеры на полевых транзисторах имеют некоторые недостатки, но сравнению с устройствами на симисторах: меньший КПД, поскольку потери энергии имеют место не только на открытом полевом транзисторе, но и на диодном мосте; относительно небольшая мощность коммутируемой нагрузки.

Схемотехника №11 2004г стр. 5