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タイマー付きトグルスイッチ-2

タイマー付きトグルスイッチ-2

【目的】
■誘眠用に読書をする。読書中は余計なことを考えないせいか5~10分でコテッと 意識がなくなる。
読書灯は付けっぱなしになるため、「消さなくちゃ」と思うと意識が覚醒する。 これじゃ誘眠にならない。
自動的に数分後にSWが切れる枕元の読書灯が必要だ。
既に、それを作って使っていたが、改良を考えた。

(1)LED点灯用のIC(LTC3490)を使って、そのsleep機能を利用していたが、タイマーで消灯した場合にはICが結構電池を消耗するらしい。これを減らしたい。

(2)自動的に消灯した後に、再点灯する場合に、トグルはon状態なので、再点灯にはトグルを一旦offにするプッシュと、onのプッシュの2回のプッシュを行わなくてはならない。これが煩わしいので一回で済ませたい。(旧機は機械的なトグルSWだが状況は同じ)
即ち、タイマーoffのシグナルを、トグルに対して強制的なoffシグナルとし、上の一回目のoffプッシュを省けないか。

【設計】
今回はインバーターが6回路入ったICを利用した。 手持ちの物は3V駆動だったので、2Vでも駆動できる物を購入した。
(1)双安定マルチバイブレーターを利用したトグルスイッチ。

(2)(offがプラス、onが0V)off→onのトグルの出力電圧の下降を微分してPNP-MOSをonし、300μFを充電し2.5Vとする。
on→off時のトグルの出力電圧の上昇を微分してNPN-MOSをonし、300μFを放電する。

(3)300μFに充電された電荷は5.1MΩによって放電される。
その電圧が≒1V以上ならインバーター③はon、以下ならoffとなる。
これで、PNP Power MOSを駆動する。

(4)off時にインバーター③の出力電圧の上昇を微分して、2.5Vから下降する1発のパルスを発生する。これでPNP-MOSを一瞬onにして、トグルを強制的にoffさせる。

(5)LEDの駆動はCX2601を利用する。

【実際】
回路の各部分はブレッドボードを使用して試験して動きを確認した。しかし、実際にそれらを組み合わせて、全体を組んでみたところ、うまく動かない。

(1)平滑回路なしでCX2601を動かすとノイズが大きすぎて動作が安定しない。
[対策]平滑回路を入れた。
 オシロが無いと、この不具合の原因は分からなかった。これでだいぶ動きが安定化した。

(2)コンデンサを利用したタイマーの電圧変化は非常に緩やかなのでoff状態に近づくとインバーター③の出力は1V付近の電圧をゆっくりと変化する。すなわち Power-MOSのVg(th)付近の通過に時間がかかり、出力電圧の変化が急激でない。
そのためCX2601に供給される電力が半端となり、このICの動きが不安定になり、IC高速のon-offをしばらく繰り返す。
また、offすると電源の電池の内部抵抗による電圧降下から解放されて電源電圧が僅かに上昇する、するとインバーター③はon状態になる。これが繰り返され一種の発振状態になる。

このバタつきがトグルへの信号となって働きが不規則になる。

[対策]インバーター③一個ではoff波形のキレが悪いので、2個インバーター④⑤を
追加し波形を整形して、Power-MOSをドライブした。これにより動きは安定した。

(3)消灯時間が計算した時定数よりだいぶ短くなる。
 タイマーのコンデンサへの充電が不完全。何度やっても不十分な充電にしかならない。
 ディスクリートで組んだ回路では全く問題なかった。

[対策]微分に利用しているCRの値を変更して充電時間を延長した。
 ディスクリートに比べて、インバーターICの出力が急峻でなく微分の出力が小さいものと想像する。
 これでも不十分だったので、充電電流を制御する20Ωの抵抗を撤去した。
 300μFの充電には大きな電流が流れると予想して抵抗を入れていたが、実際にはこのMOS-FETのon抵抗が10Ωほどあるので、一応、最大定格以下に治まっているはず。

 タイマーには、計算値より大きいコンデンサにしないとちょうどよい時間(≒6分)にoffしないが、どこが原因かは不明。ICの入力の漏れ電流かもしれない。

(4)SWには大型のタクトスイッチを利用した。
寝ぼけていてもon-offできる。
最終的な回路は;
(電源は単三Niスイ×2)
_ver2    
【クリックで拡大します】
[タイマー付きトグルスイッチver2。ワンクリックで再点灯]
 
Cx2601_2_3
[LED点灯回路。]
LEDには1Wの電球色を利用した。
変換効率も考慮するとLEDには0.5W程度が供給されている。本を読むのにはこのくらいの明るさが良い。
コリメーター(反射鏡)には広角なものを利用した。
toggle switch using bistable multivibrator with 6min timer

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