Тема. Электронные ключи.

План

1.Назначение и параметры электронных ключей

2.Диодные ключи

3.Транзисторные ключи

1. Назначение и параметры электронных ключей

Электронные ключи входят в состав многих импульсных устройств. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: "Включено" – "Выключено". На рисунке приведены упрощённая схема и временные диаграммы идеального ключа. При разомкнутом ключе , , при замкнутом ключе , . При этом предполагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико, а сопротивление равно нулю.

E

U_вых

E/R

t

U_вых

t

i

i

0

0

рис. 1.1. Схема, временные диаграммы тока и выходного напряжения идеального ключа.

В реальных ключах токи, а также уровни выходного напряжения, соответствующие состояниям "Включено" – "Выключено", зависят от типа и параметров применяемых активных элементов и переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных ёмкостей и индуктивностей цепи. Качество электронного ключа определяется следующими основными параметрами:

падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии ;

током через ключ в разомкнутом состоянии ;

временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) .

Чем меньше значения этих величин, тем выше качество ключа.

2. Диодные ключи

Простейший тип электронных ключей – диодные ключи. В качестве активных элементов в них используются полупроводниковые или электровакуумные диоды.

При положительном входном напряжении диод открыт и ток через него

,
где - прямое сопротивление диода.

Выходное напряжение

.

Обычно , тогда . При отрицательном входном напряжении ток идет через диод

,

где - обратное сопротивление диода.

При этом выходное напряжение

.

Как правило, и . При изменении полярности включения диода график функции повернется на угол вокруг начала координат.

U_вх

i

R

U_вых

U_вых

U_вых

рис. 1.2. Схема и передаточная характеристика последовательного диодного ключа с нулевым уровнем включения.

Приведенной выше схеме соответствует нулевой уровень включения (уровень входного напряжения, определяющий отрицание или запирание диода). Для изменении уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения . В этом случае при диод открыт и , а при - закрыт и . Если изменить полярность источника , то график функции приобретет вид, показанный пунктирной линией.

E₀

E₀

U_вх

R

U_вых

U_вх

U_вых

E₀

рис. 1.3. Схема и передаточная характеристика последовательного диодного ключа с ненулевым уровнем включения.

В качестве источника часто используют резистивный делитель напряжения, подключенный к общему для электронного устройства источнику питания. Применяя переменный резистор как регулируемый делитель напряжения, можно изменять уровень включения.

Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющую и управляемые цепи, что часто требуется на практике. В этих случаях используются транзисторные ключи.

3. Транзисторные ключи

R_б

u_вх

R_к

+Е_к

u_вых

I_k1

I_к

U_к

I_б^IV

I_б^III

I_б^II

I_б^I

I_б = 0

A₂

A₁

I_k2

U_k1

U_k2

рис. 1.4. Схема и характеристики режима работы ключа на биполярном транзисторе.

Входная (управляющая) цепь здесь отделена от выходной (управляемой) цепи. Транзистор работает в ключевом режиме, характеризуемой двумя состояниями. Первое состояние определяется точкой на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки. В режиме отсечки ток базы , коллекторный ток равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение . Режим отсечки реализуется при отрицательных потенциалах базы. Второе состояние определяется точкой и называется режимом насыщения. Он реализуется при положительных потенциалах базы. При этом ток базы определяется в основном сопротивлением резистора и , поскольку сопротивление открытого эмиттерного перехода мало. Коллекторный переход тоже открыт, и ток коллектора , а коллекторное напряжение . Из режима отсечки в режим насыщения транзистор переводится под воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению входного напряжения (потенциала базы) соответствует понижение выходного напряжения (потенциала коллектора), и наоборот. Такой ключ называется инвертирующим (инвертором). В рассмотренном транзисторном ключе уровни выходного напряжения, соответствующие режимам отсечки и насыщения стабильны и почти не зависят от температуры. Повторяющий ключ выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями p-n-переходов и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.