9. Электронные ключи

Ключ – устройство для коммутации цепей.

Ключевым режимом называется такой режим, при котором тран­зистор большую часть рабочего времени находится в двух состояниях:

- открытом состоянии (ключ замкнут и его сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки);

- закрытом состоянии (ключ разомкнут и его сопротив­ление значительно больше сопротивления нагруз­ки).

При переходе из замкнутого в разомкнутое состояние внутрен­нее сопротивление ключа меняется в пределах нескольких порядков.

Ключевом режим работы транзисторов является основным в по­давляющем большинстве импульсных и цифровых устройств автомати­ки, телемеханики и вычислительной техники.

По способу включения транзистора различают три варианта транзисторных ключей: ключ с общей базой (ОБ); ключ с общий эмиттером (ОЭ) и ключ с общим коллектором (ОК).

Наибольшее распространение получили ключи с общим эмиттером (рис.1), поскольку они имеют наибольшее отношение выходной мощности к мощности сигнала управления.

Ключи с общей базой (рис.2) позволяют наилучшим образом реализовать частотные свойства биполярных транзисторов, однако они обладают наименьшим входным сопротивлением, что во многих случаях затрудняет их использование.

Ключи с общим коллектором (рис.3) обладают наибольшим входным и одновременно наименьшим выходным сопротивлением. Это является существенным достоинством ключей ОК, однако их коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

1.1.Статические состояния ключа "оэ".

Рассмотрим работу транзистора в ключе "ОЭ" в установившемся ре­жиме. Поведение транзистора нагля­дно отображается выходными и входными статическими характеристиками на рис.4 и рис.5.

На рис.4 показана линия на­грузки и обозначены три основные области, в которых мо­жет локализоваться рабочая точка.

1.1.1.Режим отсечки

Рабочая точка "О" соответст­вует закрытому состояние ключа. Она характеризует режим отсечки. В этом случае оба перехода транзистора смещены в об­ратном: направлении. На транзисторе падает напряжениеU_ко, близкое к напряжению Е _к :

.

Чем больше тепловой ток и величина сопротивления в цепи коллектора, тем более существенно отличается U_ко от Е_к.

В режиме отсечки в цепи базы и эмиттера транзистора текут токи:

Поэтому надежное запирание тран­зистора (на схеме рис.1) будет обеспечено при отрицательном входном на­пряженииU_вх =-Е_б2 (рис.5):

-

где _т =0,025Т/293 [В] - темпера­турный потенциал;

[Т]- температура окружающей среды, [К].

Наиболее сильно температу­ра окружающей среды влияет на ве­личину тока I_к0.

Ввиду этого, надежное запирание германиевых транзисторов в ключах, работающих в широком интервале температуры окружающей среды, будет обеспечено только при наличии напряжения смещения величиной:

Е_б2 ≥ I_{к0 max} R_б.

При применении в ключах кремниевых транзисторов режим отсечки надежно обеспечивается при нулевом входном сигнале, т.е. при отсутствии специального источника смещения.

Это видно из входной характеристики кремниевого n-p-n транзистора на рис. 6. Характеристика имеет так называемую "пятку", т.е. смещена вправо на 0,4…0,7 В. При комнатной температуре напряжение открытого перехода маломощных транзисторных ключей U_бэ = U_бэ0 ≈ 0,7 В и сравнительно мало зависит

,

м

U_бэ0

Рис.6

А

от изменения базового тока в диапазоне I_б = 0,1…1 мА, что соответствует нормальному токовому режиму.