Диодные ключи —

Электронные ключевые схемы на диодах и транзисторах

Диодные и транзисторные ключевые схемы (ключи) являются важ­нейшими элементами импульсных схем и логических элементов. Основ­ное назначение электронных ключей состоит в коммутации (замыкании и размыкании) электрических цепей под воздействием управляющих сигналов. Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: «Вклю­чено» и «Отключено». На рис. 19.25, а, б, в показаны принципиальная схема и временные диаграммы идеального ключа в замкнутом и разомкнутом состояниях соответственно. Если ключ разомкнут, то i = 0, а uвых = Е (рис. 19.25,б). Если же ключ замкнут, то i = Е/r, uвых =0 (рис. 19.25, в). В реальных ключевых схемах токи и уровни выходного напряжения зависят от типа и параметров применяемых диодов и транзисторов.

Совершенство и качество электронного ключа характеризуются тремя основными параметрами: временем переключения tпep, т. е. временем перехода из одного состояния в другое; током через ключ в разомкнутом состоянии ip; падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии uзамк. Совершенство ключа будет тем выше, чем меньше tпep, iр, uзамк. Так как ключ имеет два устойчивых состояния, то в разомкнутом состоянии электрическое сопротивление ключа очень велико (стремится к бесконечности); при замкнутом состоянии ключа сопротивление его практически равно нулю. Быстродействие ключа характеризуется ско­ростью перехода ключа из одного устойчивого состояния в другое.

Диодные ключи. На рис. 19.26 приведена схема последовательного диодного ключа. При положительном входном напряжении uвх диод открыт и через него протекает ток i = uвх(Rпр R), где Rпр — прямое сопротивление диода. В этом случае выходное напряжение uвых = Ri = Ruвх/(Rпp R). Как правило, Rпp << R, поэтому uвых ≈ uвх.

При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод    i = uвх/(Rобр R) незначителен, так как Rо6р >> R и uвых ≈ Ruвх/Ro6p << uвх, где Rо6р — обратное сопротивление диода.

Уровень входного напряжения, определяющего отпирание или за­пирание диода (рис. 19.26), соответствует нулевому значению. Для из­менения уровня включения в цепь ключа подключают источник напря­жения смещения Ек (рис. 19.27). В этом случае при uвх > Eк диод открыт и uвых ≈ uвх, а при uвх < Eк — диод закрыт и uвых = Eк.

Читайте также:  Получить ЭЦП в Сыктывкаре за 1 день. Купить электронную подпись для торгов, юридических и физических лиц

Переключение диодного ключа из одного состояния в другое происходит не мгновенно, так как существует собственная емкость диода, а при высотах частотах — емкости монтажа схемы и нагрузки, которые шунтируют вход и выход ключа.

На рис. 19.28 показана схема параллельного диодного ключа с нулевым уровнем включения. При положительном входном напряжении диод открыт и через него протекает ток (ключ замкнут), uвых ≈ 0. При отрицательном входном напряжении через диод практически ток не протекает (ключ разомкнут), uвых ≈ uвх.

Диодные ключи -

Диодные ключи -

Для изменения нулевого уровня включения последовательно с диодом подключают источник напряжения смещения Ек (рис. 19.29). При открытом диоде выходное напряжение uвых незначительно отли­чается от Ek, если Rпp << R (здесь Rпр — сопротивление диода в прямом направлении, равное 1 — 1,5 Ом). Действительно, для схемы рис. 19.29 можно записать

Диодные ключи -

При выполнении условия Rпp/R << 1 можно считать, что uвых ≈ Ек.

Диодные ключи - Если полярность включения диода изменить, то при положительном входном сопротивлении uвх > Ек диод закрывается и выходное напряже­ние почти повторяет входное. Уровень ограничения в диодном парал­лельном ключе определяется, как в предыдущем случае, напряжением Eк. Время переключения диодных ключей tпep, определяющее их быстро­действие, зависит от паразитных емкостей p-n-перехода и емкостей монтажа, а также от времени выключения диода tвыкл, определяемого временем рекомбинации носителей заряда.

Транзисторные ключи. Режим работы транзистора, при котором он находится в установившемся состоянии либо в области отсечки, либо в области насыщения, называется ключевым. Качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкну­том состоянии, минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое. В зависимости от назна­чения транзисторного ключа и режимов его работы схема ключа видо­изменяется.

Некоторые типы транзисторных ключей имеют самостоятельное назначение и применяются в качестве бесконтактных прерывателей. Транзисторный ключ является основным элементом более сложных импульсных устройств регенеративного типа. Например, два транзистор­ных ключа, охваченных положительной обратной связью, образуют мультивибратор или триггер. В ключевых устройствах транзистор, как правило, включается по схеме с общим эмиттером (рис. 19.30, а), так как при таком включении транзистор потребляет сравнительно не­большую мощность из цепи управления и обеспечивает хорошие формирующие свой­ства за счет значительного коэффициента передачи по напряжению (Кu >> 1).

Читайте также:  Рутокен драйвер скачать бесплатно, стандартный пароль || Как скачать эцп на рутокен

Диодные ключи -

Выходные характеристики транзисторного ключа показаны на рис. 19.30, б. Для того чтобы в отсутствие управляющего импульса напря­жения транзистор надежно находился в отключенном состоянии (режим отсечки), между базой и эмиттером включают специальный источник питания EБ. Выключенное состояние транзистора р-n-р-типа обеспечи­вается подачей на базу положительного запирающего напряжения от этого источника. В этом случае коллекторный ток транзистора минимален и равен обратному току коллекторного перехода IКо. Ток IКо образуется неосновными носителями заряда. Напряжение на коллекторе транзистора UКЭ = EK — IKRK, т. е. оно несколько меньше напряжения источника питания. Рабочая точка А (рис. 19.30, б) пересечения нагрузочной прямой с характеристикой, соответствующей току базы iБ = — IKо, является точкой отсечки и соответствует закрытому состоянию транзистора. В режиме отсечки по цепи EБ, RБ, коллекторный переход Т, RK, — EK, 0, — EБ протекает обратный ток. Для обеспечения надежности режима отсечки необходимо, чтобы соблюдалось неравенство

Диодные ключи -

Диодные ключи -  (19.15)

где IKomax — максимальный обратный ток коллекторного перехода при наибольшей допустимой температуре окружающей среды. Область отсечки на выходных характеристиках транзистора заштрихована и обозначена I.

Для перевода транзистора в режим насыщения (заштрихованная область II на рис. 19.30, б), т. е. в режим, когда транзистор р-n-р-типа открыт, подают импульс такого входного напряжения и такой поляр­ности, при которых отрицательный потенциал был бы на базе (точка F на рис. 19.30, а), а положительный — на общем выводе 1′-2′. Амплитуда подаваемого импульса должна быть такой, чтобы транзистор был пол­ностью открыт и через него протекал достаточный ток базы (рабочая точка В на рис. 19.30, б). В режиме насыщения напряжение на транзисторе (на выходе ключа) разно UKЭнac, значение которого зависит от тока базы транзистора. Таким образом, в режиме насыщения через транзистор про­текает ток насыщения цепи коллектора IКнас, представляющий собой максимальный ток через нагрузку RH, который может проходить при данных значениях напряжения источника питания цепи коллектора Eк и сопротивления нагрузки RH: IKнас ≈ EK/RH. Когда транзистор находится в насыщенном состоянии, за счет инжекции носителей в базу в ней происходит накапливание избыточных неосновных носителей (дырок в транзисторе р-n-р-типа). Из-за этого выключение транзистора не может произойти сразу, так как требуется определенное время на рассасы­вание этих носителей в базе, что снижает быстродействие отключения транзисторного ключа. Итак, биполярный транзистор нельзя считать безынерционным прибором.

Читайте также:  Как получить и установить ЭЦП для Сбербанк АСТ? — АСТ Сбербанк

При переходе транзистора из режима отсечки в режим насыщения на выходе ключа (точка 2-2′) создается перепад напряжения uвых ≈ UКЭотс — UКЭнас ≈ EK — IKoRK — IКЭнас ≈ ЕK, так как IKoRK и UКЭнас практи­чески очень малы. Время выключения значительно больше, чем время включения, и составляет сотни наносекунд — единицы микросекунд. Время выключения тем больше, чем глубже насыщение. Однако при глубоком насыщении уменьшается время включения, поэтому для увеличения быстродействия импульсных схем следует избегать глубо­кого насыщения транзистора, для чего в цепь базы включают соответ­ствующий ограничивающий резистор.

Иногда для ускорения выключения транзистора к его коллектору подключают полупроводниковый диод, отпирающийся при насыще­нии транзистора и ограничивающий глубину насыщения. Следует от­метить, что если транзистор работает в ключевом режиме, то его выводы коллектор — эмиттер можно использовать в качестве бесконтактного выключателя.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные характеристики импульсного режима работы формирующих устройств.

2. Сравните электрические схемы простейшей интегрирующей и дифференцирующей цепи.

3. Какова форма выходного сигнала простейшей интегрирующей цепи?

4. Какие элементы и приборы используются в линиях задержки?

5. Какие устройства называются линейными формирующими цепями?

6. Назовите основные достоинства и недостатки ограничителей на полупроводниковых диодах и активного ограничи­вающего прибора.

7. Назовите основные характеристики, определяющие качество электронных ключевых схем на диодах и транзисторах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector