Электронные ключи
Тема. .
План
1.Назначение и параметры электронных ключей
2.Диодные ключи
3.Транзисторные ключи
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.
рис. 1.4. 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.
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.
рис.
1.4. 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.
рис. 1.4. 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.
Транзисторные ключи
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.