Общие сведения об электронных ключах.

Электронным ключомназывается устройство, которое под воздействием управляющих сигналов осуществляет коммутацию электрических цепей бесконтактным способом.

Назначение электронных ключей.

В самом определении заложено назначение “Включение - выключение”, “Замыкание - размыкание” пассивных и активных элементов, источников питания и т.д.

Классификация электронных ключей.

Электронные ключи классифицируются по следующим основным признакам:

1. По виду коммутирующего элемента:

· диодные;

· транзисторные;

· тринисторные, динисторные;

· электровакуумные;

· газонаполняемые (тиратронные, тигатронные);

· оптронные.

2. По способу включения коммутирующего элемента по отношению к нагрузке.

· последовательные ключи;

Рис. 1

· параллельные ключи.

Рис. 2

3. По способу управления.

· с внешним управляющим сигналом (внешним по отношению к коммутируемому сигналу);

· без внешнего управляющего сигнала (сам коммутируемый сигнал и является управляющим).

4. По виду коммутируемого сигнала.

· ключи напряжения;

· ключи тока.

5. По характеру перепадов входного и выходного напряжений.

· повторяющие;

Рис. 3

· инвертирующие.

Рис. 4

6. По состоянию электронного ключа в открытом положении.

· насыщенный (электронный ключ открыт до насыщения);

· ненасыщенный (электронный ключ находится в открытом режиме).

7. По количеству входов.

· одновходовые;

Рис. 5

· многовходовые.

Рис. 6

Устройство электронных ключей.

В состав электронного ключа обычно входят следующие основные элементы:

* непосредственно нелинейный элемент (коммутирующий элемент);

* цепи питания;

* нагрузка.

Принцип действия электронного ключа.

Рис. 7

Принцип действия рассмотрим на примере идеального ключа.

На рисунке:

* SA - ключ;

* U_вх - напряжение, управляющее работой ключа;

* R - сопротивление в цепи питания;

* E - напряжение питания (коммутируемое напряжение).

В состоянии включено (ключ SA замкнут), напряжение на выходе U_вых=0 (сопротивление R замкнутого идеального ключа равно нулю).

В состоянии выключено (ключ SA разомкнут), напряжение на выходе U_вых=Е (сопротивление R разомкнутого идеального ключа равно бесконечности).

Такой идеальный ключ производит полное размыкание и замыкание цепи, так, что перепад напряжения на выходе равен Е.

Однако реальный электронный ключ далек от идеального.

Рис. 8

Он имеет конечное сопротивление в замкнутом состоянии -R_{вкл зам}, и в разомкнутом состоянии - R_{выкл разом}. Т.е. R_{вкл зам}>0, R_{выкл разом}<¥. Следовательно, в замкнутом состоянии U_вых=U_ост>0 (остальное напряжение падает на ключе).

В разомкнутом состоянии U_вых<E за счет падения напряжения на R, создаваемым остаточным током ключа (так как при R_{выкл разом}<¥ нет полного размыкания ключа). В результате, перепад выходного напряжения при переключении так же меньше значения Е.

Таким образом, для работы электронного ключа необходимым является выполнение условия R_{выкл разом}>> R_{вкл зам}.

Основные характеристики электронных ключей.

1. Передаточная характеристика.

Это зависимость выходного напряжения U_вых от входного U_вх: U_вых=f(U_вх).

Если нет внешнего управляющего сигнала, то U_вых=f(E).

Такие характеристики показывают насколько близок электронный ключ к идеальному.

2. Быстродействие электронного ключа - время переключения электронного ключа.

3. Сопротивление в разомкнутом состоянии R_{выкл разом} и сопротивление в замкнутом состоянии R_{вкл зам.}

4. Остаточное напряжение U_ост.

5. Пороговое напряжение, т.е. напряжение, когда сопротивление электронного ключа резко меняется.

6. Чувствительность - минимальный перепад сигнала, в результате которого происходит бесперебойное переключение электронного ключа.

7. Помехоустойчивость - чувствительность электронного ключа к воздействию импульсов помех.

8. Падение напряжение на электронном ключе в открытом состоянии.

9. Ток утечки в закрытом состоянии.

Применение электронных ключей.

Электронные ключи применяются:

В простейших схемах формирования импульсов.

Для построения основных типов логических элементов и основных импульсных устройств.

Таким образом, электронные ключи это устройства, осуществляющие коммутацию бесконтактным способом.

2. Диодные ключи.

Диодный ключ этоэлектронныйключ,вкачествекоммутирующегоэлементавкоторомиспользуется диод.

В состав диодного ключа входят импульсный диод, сопротивление ограничения, дополнительный источник смещения.

Классификация диодных ключей.

1. По способу подключения диода и нагрузки.

- последовательные диодные ключи;

- параллельные диодные ключи.

Принцип действия

Выходное напряжение будет пропорционально входному до тех пор, пока последнее не станет ниже некоторого уровня. После этого выходное напряжение остается постоянным, несмотря на изменение входного напряжения. В целом, принцип действия основан на свойстве диодов односторонней проводимости.

При рассмотрении принципа работы ВАХ диода можно аппроксимировать линейно-ломанной линией, т.е. заменяя диод активным сопротивлением. При прямом напряжении на диоде (когда p-n переход диода смещен в прямом направлении) сопротивление диода R_{VD пр} будет варьироваться от десятков до сотен Ом (10-100 Ом). При подаче обратного напряжения на диод (когда p-n переход диода смещен в обратном направлении) его сопротивление R_{VD обр} будет варьироваться от десятков до сотен кОм (10-100 кОм).

Чем R_{VD пр}<<R_{VD обр}, тем лучше ключевые свойства устройства..

Схемы диодных ключей и их функционирование.

1. Последовательные диодные ключи.

Основным признаком таких схем является последовательное включение полупроводникового диода и сопротивления нагрузки.

Рис. 9

Функционирование схемы рассмотрим на следующих графиках и переходных характеристиках.

Рис. 10

Работа схемы основана на соблюдении равенства R_н>R и R_VDпр<<R, R_VDобр>>R. Отсюда следует, что R_вых=R. Тогда напряжение на выходе определяется из следующего выражения:

При положительном знаке входного напряжения, т.е. U₁>0, сопротивление прямо смещенного p-n перехода диода будет во много раз меньше сопротивления нагрузки ключа в целом, т.е. R_VDпр<<R. В результате, выходное напряжение будет по амплитуде практически равно входному, U₂=U₁.

В случае, если U₁<0,то R_VDобр>>R, и на выходе напряжение будет отсутствовать (величина выходного напряжения равна произведению сопротивления нагрузки на ток обратно смещенного p-n перехода диода).

При смене полярности включения диода VD все процессы в схеме происходят наоборот.

2. Параллельные диодные ключи.

Основным признаком таких схем является параллельное включение полупроводникового диода и сопротивления нагрузки.

Рис. 11

В приведенной схеме сопротивление R служит для ограничения тока при открытом диоде VD.

Функционирование схемы рассмотрим на следующих графиках и переходных характеристиках.

Рис. 12

Рис. 13

Работа схемы основана на соблюдении равенства R_н>R_VDпр и R_VDпр<<R, R_VDобр>>R. Отсюда следует, что R_вых=R_VDпр. Тогда напряжение на выходе определяется из следующего выражения:

При положительном знаке входного напряжения, т.е. U₁>0, сопротивление прямо смещенного p-n перехода диода будет во много раз меньше сопротивления ключа в целом, т.е. R_VDобр<<R. В результате, выходное напряжение будет по амплитуде практически равно напряжению на полупроводниковом диоде VD, U₂=U_VD»0.

В случае, если U₁<0,то R_VDпр>>R, и на выходе напряжение U₂ будет равно напряжению U₁ подаваемому на вход схемы параллельного диодного ключа.

Таким образом, все падение напряжения приходится на закрытый диод.

При смене полярности включения диода VD все процессы в схеме происходят наоборот.

Таким образом, диодный ключ это электронный ключ, нелинейный элемент в котором - диод.

3. Транзисторные ключи

Транзисторный ключ это электронный ключ, в качестве коммутирующего элемента в котором используется транзистор.

Назначение транзисторных ключей.

Транзисторные ключи предназначены для коммутации цепей нагрузки.

Классификация транзисторных ключей.

Транзисторные ключи классифицируются по следующим основным признакам:

По виду нелинейного элемента.

· транзисторные ключи на биполярных транзисторах;

· транзисторные ключи на полевых транзисторах.

По схеме включения (для схем транзисторных ключей на биполярных транзисторах).

· схемы транзисторных ключей с общим эмиттером;

· схемы транзисторных ключей с общим коллектором;

· схемы транзисторных ключей с общей базой;

· схемы транзисторных ключей ключ-звезда.

2. По состоянию транзистора в открытом состоянии.

· насыщенный (схемы транзисторных ключей с внешним смещением; схемы транзисторных ключей с ускоряющим конденсатором).

· ненасыщенный (схемы транзисторных ключей с диодной фиксацией (нелинейной отрицательной обратной связью).

3. По включению сопротивления нагрузки в цепь транзисторного ключа.

· последовательные схемы транзисторных ключей.

· параллельные схемы транзисторных ключей.

Устройство транзисторных ключей.

Рассмотрим типовые схемы транзисторных ключей.

Рис. 14

Транзисторный ключ состоит из коммутирующего прибора, нагрузки, источника питания. Иногда коммутирующий элемент и нагрузка могут меняться местами.

Принцип действия транзисторных ключей.

Транзистор работает в ключевом режиме (режим большого сигнала), и может находиться в двух устойчивых состояниях:

* закрытом состоянии, (режиме отсечки);

* открытом состоянии.(режиме насыщения).

Активный режим имеет место при переходе из одного статического режима в другой.

Рассмотрим работу различных схем транзисторных ключей более подробно.

Схемы транзисторных ключей:

Как говорилось выше, транзистор работает в режиме большого сигнала, (т.е. ключевом режиме). При этом он может находиться в двух устойчивых состояниях:

* закрытом (режиме отсечки);

* открытом (режиме насыщения).

Активный режим, характерный для работы транзистора в усилительном каскаде, имеет место при переходе из одного устойчивого (статического) состояния в другое.

Работа транзисторного ключа в схеме с общим эмиттером.

Рассмотрим работу транзисторного ключа в схеме с общим эмиттером без источника внешнего смещения.

Схема такого транзисторного ключа имеет вид:

Рис. 15

Здесь

R_б - резистор, устанавливающий пределы изменения входного тока базы I_б при заданных пределах изменения входного напряжения U_б,

R_к - резистор, ограничивающий ток коллектора открытого транзистора.

Данная схема работает в следующих основных режимах:

Режим отсечки.

Режим насыщения.

Переходный процесс выключения и включения (активный режим).

Рис. 16

Режим отсечки.

Возникает при отрицательном напряжении входа U₁, в случае, если оно обеспечивает запирание электронно-дырочного перехода, т.е. оба p-n перехода включены в обратном направ­лении.

При этом, ток базы равен обратному току коллектора (току неосновных носителей зарядов), т.е. I_б=I_ко.

Условием отсечки является:

U_бэ≤U_пор

где:

U_пор=-U₁+I_коR_б (≤0,2 В для германия, ≤0,6 В для кремния).

В режиме отсечки выходное напряжение определяется из формулы:

U₂=Е_к-I_коR_н»Е_к (т.к. I_ко»0).

Режим насыщения.

Возникает при положительном напряжении входа U₁, в случае, если создаваемый им ток базы больше или равен току базы насыщения, т.е. I_б ³I_бнас.

Вспомнив выражение, что I_кнас≥bI_б, можно получить условие насыщения. При этом, величина тока базы насыщения I_бнас определяется через ток коллектора насыщения I_кнас и коэффициент передачи тока базы в режиме большого сигнала (В). Т.е.

I_бнас ³(I_кнас/В)=(Е/R_кВ).

При таком токе базы насыщения транзистор работает на границе режимов насыщения и активном. В случае, если ток базы больше тока базы насыщения I_б>I_бнас происходит накапливание неосновных носителей зарядов в базе, так как ток коллектора I_к не может быть больше тока коллектора насыщения I_кнас.

При насыщении

I_к=I_кн»Е/R_н,

а

U_кэ=Е-I_кнR_н,

причем U_кэ стремится к нулю.

Оба p-n перехода находятся в открытом состоянии:

* эмиттерный переход за счет положительного входного сигнала U₁;

* коллекторный переход за счет большого тока коллектора, уменьшающего U_кн до величины U_кн<U_бн. U_кн»0,05¸0,1 В.