Транзисторный ключ

Ключевое устройство (ключ) служит для переключения цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов и работает в двух режимах: включенном или выключенном.

В качестве ключей могут использоваться механические выключатели, электромагнитные реле и электронные, выполненные на транзисторе, диодах и других электронных устройствах.

Если механический выключатель S (рис. 4.9,а) замкнут, то его сопротивление Rs =0 и напряжение u_вых=0 (рис. 4.9,б). Если ключ S разомкнут (в течение интервала времени t₁ – t₂)- то его сопротивление Rs = ∞, а выходное напряжение равно напряжению питания, т. е. u_вых = U_п

В транзисторном ключе (рис. 4.9, в) при отсутствии сигнала на входе u_вх транзистор VТ должен быть закрыт (должен находиться в режиме отсечки, см. точку b на пересечении линии нагрузки (Iк_mах = U_п / R_k, U_п ) на рис. 4.9, д) с выходной характеристикой U_K (I_K) транзистора VТ при I_Б= 0). При этом напряжение на коллекторе u_вых = U_п - U_пор - , где U_пор - пороговое напряжение отпирания транзистора (рис. 4.9, г). Уровень входного сигнала U_вx1 должен быть таким, чтобы ток базы I_Б = U_вx1 / R_Б обеспечил полное открытие транзистора VT (см. точку а на рис. 4.9,д), т. е. транзистор должен работать в режиме насыщения.

Тогда напряжение u_вых ≈ U_п - R_кI_к = U_K0 ≈ 0, так как сопротивление коллектор - эмиттер в режиме насыщения невелико.

На рис. 4.10 приведены упрощенные временные диаграммы входного u_вх и выходного u_вых напряжений при одиночном импульсе на входе (рис. 4.10,а) и при подаче последовательности прямоугольных импульсов (рис. 4.10,б). При u_вх < U_пор транзистор VТ закрыт (u_вых ≈ U_п), а при u_вх > U_вx1 , u_вых = U_K0, где U_K0 - напряжение на открытом транзисторе (см. рис. 4.9, д).

В реальном электронном ключе при открытом и закрытом состояниях сопротивления имеют конечные значения, а также наблюдается промежуток времени как при спаде, так и при нарастании напряжения u_вых, что ограничивает частоту f= 1/T переключения ключа (см. рис. 4.10, а).

Итак, принцип работы транзисторного ключа заключается в его открытии входным сигналом u_вх (в переводе транзистора в режим насыщения) или в его закрытии (в переводе в режим отсечки) и в формировании перепада напряжения U_m (от уровня напряжения U_п до уровня U_K0).

В качестве ключей в ключевых устройствах применяют как биполярные, так и МДП-транзисторы, работающие в режиме большого входного сигнала.