3

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 h 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:

tвос 3 5 Б

Будем переключать ключ на EП (напряжение питания):

Момент времени t0 соответствует замыканию ключа на входе на положительное напряжение

U1 .

Смысл процесса:

В момент переключения ключа на напряжение U2 идеальный диод закрылся бы. Реальный диод, ввиду того, что у него накоплен некий заряд в p n переходе, закрыться не может. Следовательно, через диод начинает протекать обратный ток:

Обратный ток может принимать достаточно большие значения.

То есть, в промежутке времени от t1 до t2 диод как бы «переворачивается».

Изменение напряжения на диоде:

Рассмотрим ситуацию, которая будет происходить в последовательном контуре:

C1 эквивалентная емкость диода

C2 эквивалентная емкость нагрузки и монтажа (емкость проводников, которыми подключается эта нагрузка).

C2 CН CМ

C1 1 2 пФ

RН rд , rд rБ rЭ .

Рассмотрим процессы, происходящие в системе при переключении входного напряжения U1 от « » к « ». При этом:

U1 Uд0 U1

Эти напряжения лежат за областью, когда диод закрыт.

Считаем, что до момента времени t0 все переходные процессы завершились.

В момент подачи U1 произойдет скачок на некоторую величину, после этого начнется переходной процесс и стремление к установившемуся значению.

Поясним образование скачка:

В момент переключения происходит перераспределение напряжения U1 на двух емкостях: С1 и

С2 . То, какая величина напряжения останется на С1 , а какая на С2 – зависит от величины этих емкостей.

переходного процесса (коэффициент емкостного деления).

Рассмотрим влияние каждой емкости в отдельности:

– при наличии С2 (емкости С1 нет).

– при наличии С1 (емкости С2 нет).

Если С1 С2 и величина емкостей очень большая, то переходного процесса не будет:

постоянная разряда:

Р С1 С2 RН .

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:

KПР R RН R

Н Б

t0 t2 фронт

ф С2 RБ RН RБ RН

t

Uвых t KПР U1 KПР U1 U1 e ф

полярности входного напряжения. Поскольку напряжение на C2 скачком измениться не может, то будет происходить разряд этой емкости через три ветви: 1, 2, 3.

После того, как объемный заряд диода рассосется, этот разряд емкости будет происходить только через ветви 1 и 3 , 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.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ.

Транзисторные ключи отличаются от диодных возможностью управления внешним напряжением. Транзисторные ключи бывают на биполярных транзисторах (БПТ) и на полевых (МДП, комплиментарный).

Ключи на БПТ.

Существует три схемы: с ОК, ОЭ, ОБ. Чаще всего используются схемы с ОЭ и ОБ.

Электронный ключ на БПТ с ОЭ:

A источника (потенциал базы больше потенциала источника за счет протекания обратного тока)

Ключ имеет два состояния: открыт и закрыт. Для ключа на БПТ рабочими режимами являются отсечка и насыщение, а активный режим является переходным звеном.

Если на вход схемы подадим eвх , получаем простейший инвертор логических уровней:

где IКН коллекторный ток насыщения.

Между насыщением и отсечкой происходит переходной линейный режим.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. В этом режиме протекает отрицательный ток IКБ 0 :

IК IКБ 0 IБ

IЭ 0

Когда ключ разомкнут, его сопротивление в закрытом состоянии:

Для того, чтобы транзистор находился в режиме отсечки устойчиво, необходимо выполнение следующего условия:

IКБ max RБ eвх

где IКБ max максимальный обратный ток коллектора при максимальной температуре.

Потенциал базы ниже потенциала на эмиттере, который, в свою очередь (в нашем случае) 0 .

IКБ max RБ EК ,

где IКБ max RБ падение напряжения на RБ .

Активный режим является неосновным и пройти из низшей точки в верхнюю желательно за минимальное время. В этом режиме переход «База-Эмиттер» смещен в прямом направлении, а переход «База-Коллектор» – в обратном.

Режим насыщения – режим, при котором оба перехода смещены в прямом направлении.

независимо от того: есть ток через ключ или нет.

IБ IБ.нас IБ.гр

где IБ.гр (граничное) – последнее значение тока базы, при котором выполняется соотношение:

IК h21 IБ .

При дальнейшем увеличении IБ , IК не меняется.

Для оценки глубины насыщения, то есть относительного превышения IБ над IБ.гр , вводят такой параметр, как степень насыщения N :

N IБ IБ.гр

IБ.гр

Иногда для оценки глубины насыщения вводят коэффициент насыщения S :

Этот коэффициент характеризует насколько имеющийся ток базы больше, чем граничный ток базы (насколько глубоко мы ушли в насыщение).

Стоит заметить, что в режиме насыщения сопротивление транзистора не зависит ни от IБ , ни от

EК , ни от RК . Но, при малейшем изменении температуры, насыщение может «поплыть» в

область активного, где уже присутствует зависимость сопротивления транзистора. Следовательно, сопротивление ключа будет расти, что не очень хорошо. Поэтому, для предотвращения этого нежелательного эффекта, уходят в область глубокого насыщения.

Характеристики входной цепи.

1.Входной ток закрытого транзистора IКБ 0 .

2.Напряжение управления, необходимое для надежного запирания транзистора.

3.Напряжение управления, необходимое для надежного отпирания транзистора.

4.Входное сопротивление в открытом состоянии.

Характеристики выходной цепи.

1.Сопротивление ключа в открытом и закрытом состоянии.

2.Максимальный ток открытого ключа (максимальный ток, который может пропускать ключ; для транзисторного ключа это IК .max ).

3.Максимальное напряжение разомкнутого ключа (максимальное напряжение на коллекторе разомкнутого транзистора, UК .max ).

4.Минимальное остаточное напряжение на замкнутом ключе, UКЭ.нас доли вольта.

5.Коэффициент использования напряжения питания:

K UКЭ.закр UКЭ.нас

E EK

Динамические процессы в ключах на БПТ.

Нарисуем аутентичную схему замещения (так как говорим о динамических параметрах), которая описывает поведение системы в моменты переключения.

Схема замещения транзисторного ключа на БПТ:

При t :

iк h21 IБ.отп , iк.нас EК UКЭ.нас EК

RК RК