Электронные ключи.

Электронные ключи используются как в цифровой, так и в аналоговой технике для коммутации сигналов.

Требования к ключам:

1. Минимальное время переключения.

2. Максимально большое сопротивление в открытом состоянии .

3. Минимальное сопротивление в закрытом состоянии .

Добавочные параметры:

1. Максимальный ток, который ключ может переключать.

2. Максимальное напряжение, на которое он рассчитан.

Ключи бывают:

– диодные

– на биполярных транзисторах

– на полевых транзисторах

Диодные ключи.

прямое сопротивление

сопротивление в открытом состоянии.

сопротивление в закрытом состоянии.

Мы получили последовательный ограничитель.

Параллельный ограничитель:

Исследуем динамические свойства параллельного ограничителя:

При заданных условиях и замкнутом ключе получим идеальный источник тока.

Пусть

Определим, какие переходные процессы будут происходить в системе при размыкании и замыкании ключа.

, где импульсное сопротивление диода (начальное сопротивление диода при подаче входного напряжения.

До замыкания ключа, объем полупроводника нейтрален, после замыкания мы вводим туда дополнительные заряды. Образуется избыточный заряд:

, где – время жизни носителей заряда.

Процесс возникновения избыточных зарядов при описывается формулой:

Через можно считать процесс установившимся.

При этом, в базе диода будет находится заряд:

, где – время прямого установления,

время переключения диода

Чем больше заряд , тем больше время установления.

Время установления– интервал времени от момента подачи импульса тока на диод до установления заданного установившегося уровня.

Заряд, образующийся при переключении:

После размыкания ключа ток упадет до нуля, а напряжение будет определяться накопленным зарядом в объеме полупроводника. Поэтому, в начале напряжение упадет до, а затем, в результате рекомбинации и уменьшения заряда в объеме полупроводника, напряжение на диоде начнет падать, пока не станет нулевым.

Формула, описывающая процесс рассасывания заряда :

Следует отметить, что диоды в качестве ключей не используются. Но, нам нужно нарисовать правильную схему замещения для реально использующихся ключей. Дело в том, что схема замещения в параметрах не подойдет, так как она применима только к малым сигналам, когда мы находимся в линейном режиме. Поэтому, нам нужно рисовать правильную схему замещения, где присутствуют диоды, поэтому мы и рассматриваем диодные ограничители. То есть, диодные ключи – это некая основа, позволяющая понять принцип работы современного электронного ключа.

У электронного ключа есть некая предельная частота, выше которой он не будет успевать переключаться. Если сужать импульс, то, в конечном итоге, мы получим отсутствие установившегося режима:

Время восстановления:

Будем переключать ключ на (напряжение питания):

Момент времени соответствует замыканию ключа на входе на положительное напряжение.

Смысл процесса:

В момент переключения ключа на напряжение идеальный диод закрылся бы. Реальный диод, ввиду того, что у него накоплен некий заряд впереходе, закрыться не может. Следовательно, через диод начинает протекать обратный ток:

Обратный ток может принимать достаточно большие значения.

То есть, в промежутке времени от додиод как бы «переворачивается».

Изменение напряжения на диоде:

–время восстановления (время от момента, когда на входе импульсно меняется напряжение, до момента, когда система переходит в установившееся статическое состояние).

–время рассасывания заряда .

(зачастую указывается в справочнике).

Рассмотрим ситуацию, которая будет происходить в последовательном контуре:

эквивалентная емкость диода

эквивалентная емкость нагрузки и монтажа (емкость проводников, которыми подключается эта нагрузка).

, .

Рассмотрим процессы, происходящие в системе при переключении входного напряжения от «» к «». При этом:

Эти напряжения лежат за областью, когда диод закрыт.

Считаем, что до момента времени все переходные процессы завершились.

где .

При подаче диод закрыт, ток через него не пойдет,, но, в рассмотренном случае течет маленький обратный ток.

В момент подачи произойдет скачок на некоторую величину, после этого начнется переходной процесс и стремление к установившемуся значению.

Поясним образование скачка:

В момент переключения происходит перераспределение напряжения на двух емкостях:и. То, какая величина напряжения останется на, а какая на– зависит от величины этих емкостей.

коэффициент, отвечающий за перераспределение напряжений во время переходного процесса (коэффициент емкостного деления).

коэффициент деления напряжений в установившемся режиме.

Рассмотрим влияние каждой емкости в отдельности:

– при наличии (емкостинет).

– при наличии (емкостинет).

Если и величина емкостей очень большая, то переходного процесса не будет:

Если и, то диод открыт и:

При этом, постоянная заряда:

,

постоянная разряда:

.

Если мы соберем некий электронный ключ на основе предлагаемых элементов, то у этого ключа будет некоторое время восстановления, то есть, в течение некоторого времени мы не будем получать на выходе нужного напряжения.

Рассмотрим параллельный ограничитель:

(с учетом того, что ).

фронт

В момент времени конденсаторзаряжен до. В моментпроисходит изменение полярности входного напряжения. Поскольку напряжение наскачком измениться не может, то будет происходить разряд этой емкости через три ветви:

После того, как объемный заряд диода рассосется, этот разряд емкости будет происходить только через ветви и, то есть, через нагрузку и цепь источника.

Поскольку процесс разряда емкости проходит через два этапа (этап, когда заряд начинает рассасываться, и этап, когда заряд уже рассосался), то и постоянных времени разряда будет две.