8. Электронные ключи

Электронные ключи (ЭК) – это схемы, которые либо пропускают сигнал со входа на выход без искажений, либо подавляют его. Иначе говоря, коэффициент передачи ЭК принимает значения 1 или 0 и меняется скачком. Изменение коэффициента передачи происходит под действием дополнительного сигнала, который называют управляющим U_упр. Управляющий сигнал имеет форму прямоугольных импульсов. Графики сигналов на входе и выходе ЭК приведены на рис. 8.1.

Электронные ключи являются аналогами электромеханических реле, причем по большинству эксплуатационных параметров ЭК превосходят реле.

Существуют ЭК двух видов – последовательные (рис. 8.2 а, слева) и параллельные (рис. 8.2 б, справа). Очевидно, что через последовательный ключ сигнал проходит тогда, когда ключ открыт, а через параллельный – наоборот, когда ключ закрыт (при открытом параллельном ключе сигнал уходит на землю и не доходит до нагрузки). Поэтому некоторые параметры ЭК для параллельных и последовательных ключей определяются по разным формулам.

Параметры ЭК:

	а)
	б)
Рис. 8.1	Рис. 8.2

1. Коэффициент коммутации К_к – главный параметр, характеризую-щий ключ; он показывает различие в амплитудах сигналов на выходе схемы в разных режимах ЭК. Для последовательных ЭК К_к = U_{вых.отк} / U_{вых.зак}, для параллельных К_к = U_{вых.зак} / U_{вых.отк} (здесь U_{вых.отк} и U_{вых.зак}, соответственно, амплитуды напряжений на выходе открытого и закрытого ключа). Формулы составлены так, чтобы в числителе всегда находилось большее значение U_выx, а в знаменателе – меньшее значение. К_к, в силу этого соображения, всегда больше единицы, а в идеальном ЭК должен быть равен бесконечности. Определить коэффициент коммутации по осциллограмме можно по формуле К_к = а/b (рис. 8.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

2. Коэффициент передачи К_п – параметр, характеризующий потери сигнала при его прохождении через ЭК (в режиме пропускания). Для последовательного ЭК К_п = U_{вых.отк}/U_вx, для параллельного К_п = U_{вых.зак}/U_вx. В идеальном ключе потери сигнала отсутствуют и К_п = 1. Определить коэффициент передачи по осциллограмме можно по формуле К_п = а/с (рис. 8.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

3. Быстродействие Δt. Под быстродействием понимают время переключения ЭК из одного состояния в другое.

4. Чувствительность ключа – параметр, характеризующий реакцию схемы на управляющий сигнал, он определяется по формуле ΔU_упр =U_упр1 –– U_упр2, где U_упр1 – амплитуда управляющих импульсов, при которой обеспечивается К_к = 10 (b = 0,1 а); U_упр2 – амплитуда импульсов при К_к = 1,1 (b = 0,9 а).

Если одиночный ключ работает недостаточно эффективно и обеспечивает недостаточный уровень коэффициента коммутации, то применяют соединение ЭК: ключи соединяют последовательно по основному сигналу и параллельно – по управляющему. При этом коэффициенты коммутации К_к и передачи К_п составного ключа можно определить по формулам: К_к = = К_к1 К_к2; К_п = К_п1 К_п2 (формулы записаны для случая, когда составной ЭК содержит два ключа, с номерами 1 и 2, но могут быть распространены и на случай, когда объединено большее количество одиночных ключей).

На рис. 8.3 приведен пример параллельного транзисторного ключа на биполярном транзисторе.

Транзистор работает в ключевом режиме и переходит из насыщения в отсечку и обратно под действием управляющего сигнала, подаваемого на его базу. Сопротивление R_К предотвращает закорачивание источника питания на землю при насыщении транзистора, емкости C_р являются разделительными и обеспечивают развязку электронного ключа с соседними каскадами по питанию. Недостатком как данной схемы, так и всех транзисторных ключей является наличие гальванической связи между цепями основного и управляющего сигналов. Наличие гальванической связи между цепями в транзисторных ЭК является недостатком, который отсутствует у реле, хотя по другим параметрам транзисторные ключи превосходят реле.

Указанного недостатка лишены ЭК на оптронах (оптрон – прибор, объединяющий в одном корпусе светодиод и фотодиод). Пример ключа на оптронах приведен на рис. 8.4.

Рис. 8.3	Рис. 8.4

Фактически в этой схеме два ключа – последовательный на оптроне VD₁ и параллельный на оптроне VD₂. При положительной полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD₁, образующий с ним пару фотодиод открывается и пропускает сигнал. Светодиод в оптроне VD₂ остается темным и параллельный ключ закрыт. При смене полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD₂, а светодиод в оптроне VD₁ остается темным. Поэтому последовательный ключ закрыт, а параллельный открыт, и через него заземляется тот небольшой сигнал, который смог пройти через закрытый последовательный ключ.