1. Электрический ключ

1.1. Электрический ключ

Электрический ключ – устройство предназначенное для коммутации тока в электрической цепи и имеющих два устойчивых состояния: включено и выключено.

Обозначение электрического ключа на функциональных схемах приведен на рис 1.1,а

I

U_у

вкл

U

выкл

а. б. ВАХ идеального ключа

Рис.1.1

Свойства идеального электрического ключа:

1. нулевое падение напряжения на ключе в состоянии включено.

2. нулевой ток через ключ в состоянии выключено.

3. время переключения из одного состояния в другое равно нулю.

Реальный электрический ключ обладает следующими свойствами:

1. ненулевое падение напряжения на ключе в состоянии включено.

2. ненулевой ток через ключ в состоянии выключено.

3. время переключения из одного состояния в другое не равно нулю.

П

U_у

R_ут

R_пр

адение напряжения на ключе объясняется наличием прямого сопротивления ключа, а ненулевой ток объясняется наличием сопротивления утечки ключа.

I

вкл

выкл

U

Рис.1.2 Схема замещения реального Рис.1.3 ВАХ реального ключа

электрического ключа

1.2. Электронный ключ выполненный на биполярном транзисторе

Электронный ключ – электрический ключ выполненный на основе электронных компонентов (транзисторы, тиристоры, симисторы и т.д.).

Н

+E_n

а рис. 1.4 приведена схема позволяющая рассмотреть все режимы работы биполярного транзистора в ключевом режиме.

R_н

R_б

E_зап

E_отп

VT

U_кэ

KT

I_к

1

2

3

4

Рис. 1.4

1.2.1. Режим насыщения

В этом режиме транзистор проводит ток и говорят что транзистор «открыт». Этот режим соответствует положению «вкл.» электрического ключа. Режим насыщения обеспечивается переводом коммутатора КТ (рис.1.4) в положение 1. При этом схема (рис 1.4) принимает вид приведенный на рис. 1.5.

R_б

R_н

E_отп

VT

I_к

U_кэ

2

3

4

I_б0

I_б1

I_б2

I_б3

I_б4

I_б5

I_гр

U_к.н

U_к.э

Рис. 1.5

I_к

1

I_б0

I_б1

I_б2

I_б3

I_б4

I_б5

I_гр

I_к.н

0

3

4

2

U_{кэ. нас.}

Е_n U_к.э

Рис.1.6

Пусть в цепи базы транзистора существует ток I_б=I_б2 и рабочая точка находится в положении 0 на ВАХ транзистора (рис.1.6). Начнем увеличивать ток базы путем увеличения . При этом рабочая точка будет перемещаться вверх по линии нагрузки. В этом режиме выполняется равенство . При некотором токе базы I_б называемом ток базы граничный ( ) рабочая точка достигает положения 1 на ВАХ транзистора. При этом выражение примет вид , где ток – максимальный ток коллектора, называемый током коллектора насыщения. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора так же примет минимальное значение , называемое напряжением насыщения.

Такой режим называется граничным режимом работы транзистора. Дополнительным условием существования граничного режима считается равенство нулю напряжения между коллектором и базой транзистора U_кб=0. Это связано с тем что при малых величинах напряжения U_кэ (рабочая точка близка к положению 1) существенно снижается коэффициент передачи тока и коэффициент входящий в выражение , строго не определен. Дальнейший рост E_отп приводит к увеличению до значений больших . Однако рабочая точка останется в положении 1, а следовательно и выполняется неравенство которое называется условием насыщения транзистора.

Условие насыщения транзистора может быть преобразовано в равенство путем применения коэффициента – коэффициента насыщения.

Обычно транзисторы работают с коэффициентом насыщения от 1,2 до 3.