Диодные электронные ключи

Простейший тип электронных ключей – диодные ключи. Схема диодного ключа, статическая передаточная характеристика, ВАХ и зависимость дифференциального сопротивления от напряжения на диоде показаны на рисунке:

Принцип работы диодного электронного ключа основан на изменении величины дифференциального сопротивления полупроводникового диода в окрестностях порогового значения напряжения на диоде U_пор. На рисунке "в" показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, на которой показано значение U_пор. Это значение находится на пересечении оси напряжений с касательной, проведенной к восходящему участнику вольт-амперной характеристики.

На рисунке "г" показана зависимость дифференциального сопротивления   от напряжения на диоде. Из рисунка следует, что в окрестности порогового напряжения 0,3 В происходит резкое изменение дифференциального сопротивления диода с крайними значениями 900 и 35 Ом (R_min = 35 Ом, R_max = 900 Ом).

В состоянии "включено" диод открыт и  , U_вых ≈ U_вх.

В состоянии "выключено" диод закрыт и  , U_вых ≈ U_вх · R_н / R_max<<U_вх

С целью уменьшения времени переключения используемые диоды с малой емкостью перехода порядка 0,5-2 пФ, при этом обеспечивается время выключения порядка 0,5-0,05 мкс.

Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющею и управляемую цепи, что часто требуется в практических схемах.

Наверх

Транзисторные ключи

В основе большинства схем, используемых в вычислительных машинах, устройствах телеуправления, системах автоматического управления и т.п., лежат транзисторные ключи.

Схемах ключа на биполярном транзисторе и ВАХ показаны на рисунке:

Первое состояние «выключено» (транзистор закрыт) определяется точкой А1 на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки. В режиме отсечки ток базы I_б = 0, коллекторный ток I_к1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение U_к = U_к1 ≈ Е_к. Режим отсечки реализуется при U_вх = 0 или при отрицательных потенциалах базы. В этом состоянии сопротивление ключа достигает максимального значения: R_max =  , где R_T - сопротивление транзистора в закрытом состоянии, более 1 МОм.

Второе состояние «включено» (транзистор открыт) определяется точкой А2 на ВАХ и называется режимом насыщения. Из режима отсечки (А1) в режиме насыщения (А2) транзистор переводится положительным входным напряжением U_вх. При этом напряжение U_выхпринимает минимальное значение U_к2 = U_к.э.нас порядка 0,2-1,0 B, ток коллектора I_к2 = I_к.нас ≈ Е_к/R_к. Ток базы в режиме насыщения определяется из условия: I_б > I_б.нас = I_к.нас / h₂₁.

Входное напряжение, необходимое для перевода транзистора в открытое состояние, определяется из условия: U_вх > I_б.нас · R_б + U_к.э.нас

Хорошая помехозащищенность и малая мощность, рассеиваемая в транзисторе, объясняется тем, что транзистор большую часть времени либо насыщен (А2), либо закрыт (А1), а время перехода из одного состояния в другое составляет малую часть от длительности этих состояний. Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-n-переходов и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяются ключи на полевых транзисторах.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Для любого ключа на полевом транзисторе R_н > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал U_вх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 10⁸-10⁹ Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 10⁸-10⁹ Ом. (схемы "а" и "б") и 10¹²-10¹⁴ Ом (схемы "в" и "г").

Наверх