Классификация электронных ключей

По способу подачи сигналов управления различают:

1. Ключ с непосредственной связью цепей источника сигнала и управления, между которыми нет гальванической изоляции.

2. Ключ с гальванической изоляцией цепей источника сигнала и управления.

По виду включения ключевого элемента различают:

ключи тока и ключи напряжения.

Рис. ключ тока, ключ напряжения

По типу используемого ключевого элемента различают ключи:

на диодах; на биполярных и полевых транзисторах; на тиристорах; на ИС.

Простейший ключ напряжения строится на биполярном транзисторе по схеме.

Вотличие от усилительного каскада с ОЭ транзистор работает не в линейном, а в ключевом режиме, т.е. может находиться только в двух состояниях:

1. Полностью открыт, или насыщен при Iб = Iб^max = Uупр/R1

Iб^max > Uвх/Ri∙.

2. Полностью закрыт при Iб = 0.

В режиме насыщения Uвых → 0 (Uкэ^нас ≈ 0,1 − 0,5В).

В режиме отсечки, если Rб << Rн Uвых → Uвх.

Простейший ключ тока на биполярном транзисторе.

ПриUупр > Uвх транзистор насыщен и Iк = Uвх/R.

При Uупр = 0, Iк → 0 (≈Iк^обр).

Электронные ключи на полупроводниковых диодах

Диодные ключи находят широкое применение в электронных и микроэлектронных устройствах.

Наиболее часто они используются с целью электрического разделения нескольких источников импульсных сигналов, работающих на общую нагрузку.

При этом диод в диодном ключе обеспечивает передачу от источника сигнала в нагрузку импульсов напряжения одной полярности и блокировку передачи импульсов обратной полярности.

Форма выходного сигнала диодного ключа при передаче перепада напряжения определяется инерционными свойствами диода и нагрузки.

На отрезке t0 – t1 происходит накопление заряда неосновных носителей в p – n переходе, при этом уменьшается сопротивление диода и напряжение на нём. В интервале t2 – t4 через диод протекает ток в обратном направлении.

Это связано с тем, что в p – n переходе накоплен избыточный объёмный заряд неосновных носителей. Закрытие диода произойдёт лишь после уменьшения заряда до нуля.

При ёмкостной нагрузке диодного ключа основную роль играют переходные процессы, определяемые зарядом и разрядом ёмкости нагрузки.

При поступлении входного сигнала диод в ключе может быть открыт или закрыт в зависимости от соотношения напряжения Е иUвх.

Рассмотрим работу схемы при Сн=0.

Если Uвх<E диод открыт, независимо от того есть или нет входной сигнал. При этом выходное напряжение Uвых≈Uвх (Uвых=Uвх-∆U_VD^под).

Если Uвх>E, то при поступлении входного сигнала диод закрывается Uвых=Е-∆U_VD^под.

При Сн≠0 работа этого ключа несколько изменяется из-за того, что напряжение на конденсаторе не может изменятся мгновенно.

ЕслиUвх<E, то при скачке входного напряжения в момент t1 диод закрывается, так как напряжение на его аноде остается равным нулю. Начинается заряд конденсатора Cu от напряжения E. В момент t2 когда напряжение Uc = Uвх, диод откроется и на выходе фиксируется напряжение Uвх.

Длительность переднего фронта выходного импульса равна:

tф=R∙C∙ln(E/(E-Uвх))

По окончании входного импульса (момент t3) конденсатор быстро разрежается через открытый диод VD и внутреннее сопротивление источника входного сигнала.

Если Uвх>E, то при скачке входного напряжения диод закрывается и остаётся в этом состоянии в течении всей длительности входного импульса. Длительность переднего фронта для этого случая tф≈3∙R∙Cн, т.е. существенно больше.

Лекция № 15 СХЕМЫ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Нагрузочный резисторRн включен в коллекторную цепь транзистора с заземлённым (общим) эмиттером. Входной управляющий сигнал поступает на базу транзистора в виде чередующихся уровней напряжения Е1 и Е2 обеспечивающие разомкнутое или замкнутое состояние ключа.

Если на базу транзистора подать отрицательное напряжение, то ключ разомкнут. В этом случае транзистор работает в области отсечки коллекторного тока, когда эмиттерный и коллекторный переходы закрыты, т.е. к ним приложения обратные напряжения. Внешние токи транзистора в режиме отсечки.

Iэ ≈ 0; Iк= Iкб_о; Iб = - Iкб_о.

Таким образом, напряжение на коллекторе транзистора

Uк = Eк – Iкб_о∙Rн ≈ Eк,

что соответствует отключению нагрузки от цепи источника питания (ключ разомкнут) и Uн → “0”.

Для ограничения тока базы открытого транзистора обычно включается резистор Rб.

При подачи отрицательного напряжения –Е2 от источника необходимо учитывать напряжение на базе транзистора.

Uб = Uбэ = -E2 + Iкб_о∙Rб ≤ Uпор,

где Uпор — положительное напряжение Uбэ на перехо­де база-эмиттер транзистора.

При работе ключа в области высоких температур резко возрастает значение тока Iкб_о (особенно для герма­ниевых транзисторов) и Iкб_о∙Rн > E2, при этом транзистор переходит из режима отсечки в активный режим работы и считается открытым.

Поэтому необходимо учитывать уровень –Е2.

При подаче на базу положительного напряжения Е1 транзистор работает в активном режиме или в режиме насыщения (ключ замкнут). В режиме насыщения оба перехода транзистора - коллекторный и эмиттерный — открыты и к ним приложено прямое напряжение. Условием насыщения транзистора является:

Iб > Iбн = Iкн/β = Eк/Rн∙β.

Выходное напряжение при замкнутом ключе:

Uн = Eк – Rтр∙Iк ≈ Eк.

Недостатком рассмотренных выше схем ключей является незаземленность нагрузки по постоянному току. Поэтому один вывод нагрузки Rн обычно подключают к коллектору транзистора, а другой — заземляют.

Вэтом случае напряжениеUкэ является выходным напряжением схемы, которое при запирании транзистора устанавливается равным

Uвых = Eк∙Rн / (Rк + Rн),

а через нагрузку Rн протекает ток Iн = Eк / (Rк + Rн).

Чтобы получить максимальный уровень выходно­го напряжения Uвых≈Eк, выбирают Rк<<Rн. При этом Iн ≈ Eк / Rн.

Открытый транзистор полностью шунтирует грузку.

В этом случае: Uвых ≈ Uост, Iн =0.

Схемы ключей на полевых транзисторах.

В качестве ключевых элементов используются обычно МДП-транзисторы с индуцированным кана­лом, которые при нулевом значении напряжения Uзи обеспечивают разомкнутое состояние ключа (транзис­тор закрыт), т.е. ключ с n-канальном управляется положи­тельным напряжением.

При подаче высокого уровня напряжения Uвх транзистор открывается и напряжение Uси = Uост на нем определяется положением рабочей точки О на нагрузочной прямой выходной характе­ристики, положение которой зависит от сопротивления Rс и входного напряжения Uвх. При увеличении Rс и Uвх напряжение Uост уменьшается. Однако с увеличением Rс ухудшается быстродействие ключа, которое определяется в основ­ном зарядом выходной емкости Свых через резистор Rс при запирании транзистора.

При запирании транзистора низким уровнем входного напряжения (Uвх<Uо) выходное возрастает по экспонициальному закону с постоянной времени τ_ф≈Rc∙Cвых стремясь к максимальному значению

Uвых.max≈Ес.

Время нарастания выходного напряжения при запирании транзистора определяется обычно между уровнями 0,1(Ес-Uост) и 0,9(Ес-Uост) и равно t_ф≈2,3τ_ф = 2,3Rc∙Cвых.

Время спада выходного напряжения ключа при отпирании транзистора уровнем напряжения Uвх¹ определяется разрядом ёмкости Uвых через открытый транзистор и равно:

tc≈1,5∙Cвых∙Rо,

где Rо – среднее внутреннее сопротивление транзистора в период разряда Cвых. Учитывая, что Ro<<Rc можно записать tc<<tф.

Широкое распространение получила схема ключа на комплектных МДП-транзисторах.

Всхеме затворы и стоки управляющего транзистораVT1 с индуцированным n-каналом и нагрузочного VT2 с p-каналом объединены.

Подложки обоих транзисторов соединены с истоками, благодаря чему исключая отпирание p-n переходов, изолирующих каналы транзисторов от их подложек.

При действии на затворах транзисторов низкого уровня управляющего напряжения Uвх⁰ транзистор VT1 закрыт, а VT2 – открыт и на выходе схемы устанавливается напряжение Uвых¹≈E.

Если на входе схемы действует высокий уровень напряжения Uвх¹ то открыт VT1, а VT2 закрыт и Uвых⁰≈0.

Таким образом, в любом стационарном состоянии один из транзисторов закрыт, поэтому схема практически не потребляет мощности от источника питания.

Лекция №16 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ.

Импульсом - называется кратковременное изменение тока или напряжения до своего амплитудного значения, после которого следует пауза.

Импульсный режим работы имеет ряд преимуществ над непрерывным:

1. В импульсном режиме может быть достигнута значительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней мощности устройства. В результате габариты и масса электронной аппаратуры при использовании импульсного режима могут быть значимо снижены;

2. Импульсный режим позволяет ослабить влияние температуры и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств, так как приборы в них работают, как правило, в ключевом режиме;

3. Импульсный режим позволяет значимо повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры. Пропускная способность - наибольшая возможная скорость передачи информации, а помехоустойчивость - способность аппаратуры правильно функционировать в условиях действиях помех. Сигналы импульсных устройств и представляются комбинацией стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше, чем непрерывных.

4. Для реализации импульсных устройств, требуется большое число сравнительно простых однотипных элементов, легко выполняемых методами интегральной технологии. Это позволяет повысить надёжность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.

Импульсные устройства широко распространены в вычислительной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышленной электронике.

Импульсы бывают различной формы, наиболее часто встречаются прямоугольные, трапециевидные, треугольные, экспоненциальные и другой формы.

Они также бывают положительной и отрицательной полярности.

Часто импульсы встречаются в виде серий или последовательности.

Серия как правело имеет конечное число импульсов. В последовательности число импульсов не ограниченно.

Последовательности бывают: периодические, квазипериодические, непериодические.

В периодических одинаковые импульсы повторяются через равные промежутки времени.

В квазипериодических через равные промежутки времени повторяются не все параметры импульсов (длительность, амплитуда).

Непериодическими называются такие последовательности которые не подчиняются закону периодичности. Они могут быть случайные либо детерминированные т.е. подчинятся какому ни будь математическому закону.

Параметры последовательности.

tu – время активной длительности импульса (определяется на уровне >0,5 от амплетуды).

tn – время паузы.

T – период следования импульсов.

T = tn + tu.

Величину обратную периоду T-называют частотой следования импульсов .

Скважностью импульса - называют отношение периода следования импульса к его продолжительности.

Q=T/tu

Скважность может меняться от 1,1 до тысяч и десятков тысяч. Она показывает как накопленная энергия во время паузы отдается в электрическую цепь в виде импульсов.

Величина обратная скважности называется коэффициент заполнения.

k=1/Q.

Все импульсы делятся на видеоимпульсы и радиоимпульсы.

Видеоимпульсом называют кратковременное изменение постоянного тока или напряжения.

Радиоимпульсом - называют высокочастотные колебания огибающая которого имеет форму видеоимпульса.