Лекция 1
Тема. Электронные ключи.
План
1.Назначение и параметры электронных ключей
2.Диодные ключи
3.Транзисторные ключи
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. 1.1. 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.
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. 1.2. 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.
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.
 |
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.
|