Учебное пособие: Электронные ключи

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.

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.

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.

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

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.