4. Электронные ключи 4, 5, 6, 7

Под ключевым элементом или просто ключом понимается устройство, которое под действием управляющего сигнала осуществляет коммутацию элементов схемы (пассивных элементов и активных элементов, источников питания и других). Ключевой элемент может находиться или в замкнутом, или в разомкнутом состояниях, что в большинстве устройств импульсной техники достигается с помощью полупроводниковых диодов и транзисторов. Управляющие воздействия в основном носят импульсный характер, обеспечивая переход схемы из одного состояния в другое в течение определенного интервала времени.

В замкнутом состоянии через ключ происходит передача энергии в нагрузку и рассеиваемая на нем энергия должна быть по возможности меньшей величины. Для этого ключ должен обладать малым остаточным напряжением в проводящем состоянии и малым внутренним сопротивлением.

При размыкании ключа приходится нередко считаться с тем, что его внутреннее сопротивление конечно и исключает желаемое полное отключение нагрузки от источника энергии. Это сопротивление определяется паразитными утечками и тепловыми токами p-nпереходов.

В работе ключевой схемы следует рассматривать два основных режима: статический режим, определяемый положением рабочих точек на характеристиках ключевого элемента в открытом и закрытом состояниях, и динамический – при переходе из открытого состояния в закрытое и обратно.

Рассмотрим основы анализа этих режимов на примере ряда типовых ключевых схем.

4.1. Диодные ключи

Схема простого диодного ключа показана на рис. 4.1. Ее работа основана на свойствах полупроводникового диода, идеализированная вольт-амперная характеристика которого приведена на рис. 4.2.

Здесь R_п – дифференциальное сопротивление диода в прямом направлении в рабочей точке; U₀ – напряжение отсечки (напряжение, отсекаемое на оси напряжений при спрямлении вольт-амперной характеристики диода); I₀ – обратный ток диода при обратном напряжении; R₀ – сопротивление обратно смещенного диода. Соответствующие схемы замещения приведены на рис. 4.3, 4.4.

Рис. 4.1 Рис. 4.2

Рис. 4.3 Рис. 4.4

Из анализа характеристики следует, что, начиная с некоторого значения положительного напряжения между анодом и катодом диода, ток через диод i_dрезко возрастает

Для упрощения расчетов обычно принимают напряжение отсечки U₀ в пределах от 0.2…0.7 В (в зависимости от типа диода). В режиме запирания, когда к диоду приложено обратное напряжение, через него проходит незначительный обратный токI₀, обусловленный тепловыми процессами в переходе, а также током утечки.

Рассмотрим работу схемы при подаче на ее вход знакопеременного импульсного напряжения прямоугольной формы (рис. 4.5). Существуют различные подходы для анализа результатов такого воздействия. Здесь мы за основной фактор, определяющий динамические процессы в ключе, примем процессы накопления и рассасывания заряда неосновных носителей в базе диода и поясним их сущность.

На отрезке времени 0 – t₁ под действием отпирающего импульсного перепадаЕ₁ имеет место накопление заряда неосновных носителей в базе диода, которое сопровождается уменьшением сопротивления диода и напряжения на нем. За время включенияt_вкл. 2.2_бток диода изменяется от значенияI₁ доI₂– установившегося значения при прямом включении диода:

(4.1)

и сохраняется до момента t₂.

Рис. 4.5

За время (t₁,t₂) в базе накапливается избыточный зарядQ_б =I₂_б, который под действием отрицательного перепадаЕ₂, поступающего в моментt₂, начинает уменьшаться. Так как переход диода оказывается в течение некоторого времени открытым, то через него до моментаt₃будет протекать обратный запирающий ток, равный:

. (4.2)

Запирание диода произойдет только после уменьшения заряда до нуля, и время восстановления t_в, необходимое для восстановления закрытого состояния, приблизительно оценивается величиной:

, (4.3)

где _б– постоянная времени, равная времени жизни неосновных носителей в базе.

Следует отметить, что рассмотренное решение не учитывает ряд дополнительных факторов, влияющих на динамические процессы диодного ключа (в частности, наличие барьерной емкости перехода, емкости нагрузки, нелинейный характер электронных процессов в переходах и др.)

Диодные ключи находят широкое применение в выпрямителях, преобразователях различного типа при построении цифровых схем. Как пример, назовем схему логического умножения, изображенную на рис. 4.6. Здесь сигналые_г1,е_г2,е_г3 представляют импульсные перепады с малым значением нижнего уровня и высоким значением верхнего. Питание нагрузки осуществляется от отдельного источникаЕ_п, что позволяет при полностью закрытых диодах получить на нагрузке

Рис. 4.6 напряжение:

. (4.4)

Но достаточно хотя бы одному из сигналов принять близкое к нулю значение, так сразу же аналогичный уровень напряжения создается на нагрузке. Иначе говоря, только при трех высоких значениях уровней входных сигналов будет высоким и выходной сигнал. В алгебре логики эта процедура и называется логическим умножением.