7.1. Заступна схема комутаційних елементів

Графічне зображення ключа та схема його заміщення із врахуванням його реальних параметрів, подані на рис. 7.1. При аналізі вимірювальних схем часто користуються поняттям ”ідеальний ключ”, в якому опір у замкнутому стані рівний нулеві r_з=0, а в розімкненому стані - рівний безмежності r_р=¥, відсутні реактивні параметри (ємності, індуктивності), а також джерела е.р.с. та струму. Час спрацювання ідеального ключа нескінченно малий [27, 41, 54-57, 62, 63].

Рис. 7.1. Схема реального ключа

а – графічне зображення; б – загальна схема заміщення

Опори r_з, R_р, реактивні параметри С, а також джерела е_к е.р.с. та І_к струму створюють групу залишкових параметрів реального ключа, причому опори r_з, R_р і реактивні параметри називають пасивними залишковими параметрами, а джерела е_к е.р.с. та струму І_к – активними залишковими параметрами ключа. Реальні ключі мають скінченні значення залишкових параметрів, тому і схема заміщення реального ключа виглядає складніше, особливо із зростанням точності аналізу та частоти комутації. Схема, подана на рис. 7.1.б, є загальною схемою заміщення ключа і містить ідеальний перемикач П на два положення: положення 1 відповідає замкненому стану ключа, а положення 2 – розімкненому [63]. В замкненому стані ключ характеризується опором r_з та е.р.с. е_к, яка може спричинятись термо-е.р.с. в колі комутованих сигналів, напругою, що проникає з кола управління ключем тощо. У розімкненому стані ключ має обмежене значення опору R_р та паралельно включене джерело струму І_к. Опір R_р визначається якістю ізоляції розімкнених контактів, а струм І_к зазвичай визначається витоками з контурів управління ключем на його затискачі, або ж генерується в його об’ємі при зворотних напругах. Між затискачами ключа під’єднана ємність С, що зумовлена його конструктивними особливостями (внутрішня ємність). В загальному випадку її значення не є постійним, воно залежить від рівня сигналу управління (наприклад, у транзисторних ключах) та деяких інших причин. Ємність С збільшує постійну часу RC-ланки, яка створюється ключем, та викликає перехідний процес на його затискачах при комутаціях. В реальних ключах значення цієї ємності дуже мале (максимальне значення зазвичай не перевищує одиниць або десятків пікофарад), тому, здебільшого, її впливом можна знехтувати. Винятком, звичайно ж, є робота ключа при підвищених частотах комутації.

Для електричної ланки, що складається з опора r_з та ключа S (рис. 7.2.а), де U_k - напруга на затискачах ключа, U - напруга на затискачах кола, виразимо еквівалентний статичний опір ключа в замкненому r_ез та розімкненому R_ер станах через параметри заступної схеми рис. 7.2.б. Для замкненого ключа (перемикач П знаходиться в позиції 1) маємо [63]:

. (7.1)

Якщо в колі виконуються співвідношення е_к<<U, r_з<<R_р, то вираз для r_ез спрощується та приймає вигляд

. (7.2)

Для розімкненого ключа (перемикач П знаходиться в позиції 2), за умови, що R<<R_p маємо

. (7.3)

Важливою загальною характеристикою є показник якості ключа - відношення його еквівалентних опорів в розімкненому та замкненому станах [63].

Рис. 7.2. - Електрична ланка з ключем

а – графічне зображення; б – ланка із заступною схемою ключа

. (7.4)

Залишкові параметри комутаційних елементів вносять похибки в кола комутації. Тому, при виборі ключів або перемикачів для конкретного використання потрібно насамперед звертати увагу на значення їх залишкових параметрів та вибирати такі елементи, залишкові параметри яких не спричинюють появи похибок в колах комутації, що перевищують допустимі межі [54-57, 62]. Такий підхід до вибору комутаційних елементів для вимірювальних ланок є основним, але не єдиним [63]. Наприклад, якщо, залишкові параметри ключів мають стабільні значення, то вони вноситимуть в комутаційні ланки систематичні складові похибки, які, як відомо, завжди можуть бути або виключені, або сильно зменшені спеціальними технічними прийомами. У цьому випадку похибки в комутаційних ланках вноситиме тільки відхилення залишкових параметрі від прийнятих середніх значень або ж їх часові та інші зміни (дрейф) із зміною робочих умов. Таким чином, важливого значення набуває питання стабільності залишкових параметрів та їх відхилень в процесі експлуатації комутаційних елементів.

Іншими важливими характеристиками комутаційних пристроїв є часові: час спрацювання, відпускання або переключення, надійнісні: час роботи без відмов та термін служби, ресурс (максимальна кількість перемикань), габарити, потужність сигналів управління, а також вартість.

Як залишкові параметри, так і інші характеристики комутаційних пристроїв залежать від способу їх реалізації, режиму роботи, а також зовнішніх чинників.